مقايسه روش‌هاي پيشرفته جداسازي استخوان در تصاوير رزونانس مغناطيسي مغز، مبتني بر روش اطلس براي طراحي درمان با تصاوير MR و تصحيح تضعيف تصاوير PET-MR

Comparison of state-of-the-art atlas-based bone segmentation approaches from brain MR images for MRonly radiation planning and PET/MR attenuation correction

هدف: تصاوير رزنانس مغناطيسي (Magnetic Resonance, MR) كاربرد گسترده‌اي در طراحي درمان براي راديوتراپي و يا اصلاح تضعيف تصاوير PET (Positron Emission Tomography) دارند؛ اما عدم امكان تبديل مقادير تصاوير MR به دانسيته الكتروني، ساخت تصاوير مصنوعي را مطرح مي‌سازد. از جمله روش‌هاي مناسب، روش‌هاي مبتني بر اطلس است كه در اين مطالعه، عملكرد دو روش جداسازي استخوان بر مبناي روش اطلس براي تهيه تصاوير CT (Computed Tomography) مصنوعي، از تصاوير MR مغزي، بررسي و مقايسه شده است. مواد و روش‌ها: جداسازي استخوان از تصاوير MR مغزي مربوط به 43 بيمار، با استفاده از دو روش وزن‌دهي محلي بر مبناي اطلس (Atlas-LW (Local weighting atlas-based)) و روش تشخيص الگو بر مبناي اطلس AT-PR (Atlas) registration & Pattern recognition)، انجام شد. صحت اين دو روش، براي جداسازي كل استخوان (Bone total) و قسمت قشري (Cortical bone or compact bone) آن با استفاده از پارامترهايي نظير شباهت Dice (Dice similarity (DSC))، بررسي شد. هم‌چنين صحت مقادير CT استخراج شده با استفاده از خطاي مطلق ميانگين (MAE) و خطاي جذر ميانگين مربعات (RMSE) به‌دست آمد. يافته‌ها: روش Atlas-LW با مقادير 61/0±79/0=DSC براي استخوان قشري و 03/0±84/0=DSC براي كل استخوان، صحت جداسازي بيش‌تري را نشان داد. اين مقادير براي روش AT-PR به ترتيب از راست به چپ، 8/0±72/0=DSC و 05/0±77/0=DSC بود. نتيجه‌گيري: مقادير خطاي بهتر به‌دست آمده توسط روش Atlas-LW در اين مطالعه، نشان‌دهنده توانايي بالقوه اين روش به منظور استفاده در طراحي درمان و اصلاح تضعيف تصاوير PET-MR است.

Introduction: Magnetic Resonance (MR) imaging has emerged as a valuable tool in radiation treatment (RT) planning as well as Positron Emission Tomography (PET) imaging owing to its superior soft-tissue contrast. Due to the fact that there is no direct transformation from voxel intensity in MR images into electron density, it's crucial to generate a pseudo-CT (Computed Tomography) image from MRI for the task of MR-guided attenuation correction and RT planning. This study set out to investigate the performance of two state-of-the-art atlas-based pseudo-CT generation approaches from MR brain images. Materials and Methods: Bone segmentation was performed on 43 brain CT and MR pairs using atlas-based local weighting (Atlas-LW) and atlas registration combined with pattern recognition (AT-PR) techniques. The accuracy of bone extraction performed by these two approaches was investigated for the entire bony structures as well as cortical bone using standard segmentation metrics such as Dice similarity (DSC). Moreover, the accuracy of the CT value estimated from MR images was evaluated using mean absolute error (MAE), and root mean square error (RMSE) metrics. Results: Overall, Atlas-LW technique exhibited higher segmentation accuracy resulting in DSC=0.79±0.61 and 0.84±0.03, while AT-PR method led to DSC=0.72±0.8 and 0.77±0.05 for cortical and total bone, respectively. Moreover, Atlas-LW approach estimated CT values for the total bone tissue with MAE=17.6±138.0 HU and RMSE=466.2±75.0 HU compared to MAE=-10.9±147.0 HU and RMSE=522.5±89.7 HU obtained from AT-PR approach. Conclusion: The Atlas-LW exhibited superior the performance in this study which demonstrates its potential to be employed in PET/MR attenuation correction (AC) and MR-only RT planning.