A Novel Marker-Based Registration Method for Simultaneous Preclinical PET/MR with a Non- Stationary PET Detector

Résumé technique : Une nouvelle méthode de recalage basée sur des marqueurs pour la TEP/IRM préclinique simultanée avec un détecteur TEP non stationnaire

Énoncé du problème
L'étude traite du défi que représente le recalage d'images de tomographie par émission de positons (TEP) et d'IRM acquises simultanément dans un contexte préclinique où le détecteur TEP est non stationnaire et ajouté rétrofitement à un scanner IRM. Plus précisément, les auteurs ont utilisé un petit détecteur TEP non stationnaire (RatCAP) fixé à un système de positionnement de berceau d'animal. Cette configuration présente trois obstacles principaux au recalage standard :

1. Instabilité positionnelle : L'emplacement physique du détecteur par rapport à l'isocentre de l'aimant IRM varie à chaque repositionnement expérimental du berceau (avec des erreurs de positionnement axial connues), empêchant l'utilisation d'un fantôme de calibration unique et ponctuel.
2. Contraintes spatiales : Le diamètre intérieur de la bobine de radiofréquence (RF) située à l'intérieur du détecteur TEP est trop étroit pour accommoder des marqueurs fiduciaires à double modalité aux côtés du sujet d'imagerie.
3. Absence de contraste anatomique : S'appuyer uniquement sur le recalage basé sur l'intensité de l'image est souvent insuffisant en raison de l'absence de contraste anatomique mutuel entre les modalités TEP et IRM dans de nombreuses applications précliniques.

Méthodologie
Les auteurs proposent un pipeline de recalage entièrement automatisé, basé sur des marqueurs, qui découple l'espace de l'image TEP de l'espace de l'image IRM en utilisant une référence géométrique fixe au sein du berceau de l'animal. La méthode repose sur une séquence d'IRM de type Zero-Echo-Time (ZTE) capable d'imager les composants plastiques du berceau. Le flux de travail implique trois transformations affines spécifiques :

1. Calibration universelle ($T_{P \to Cradle}$) : Une calibration ponctuelle établit la relation statique entre le système de coordonnées de l'image TEP et le système de coordonnées du berceau. Ceci est réalisé en imagerie simultanée d'un fantôme à double modalité (seringues empilées remplies de $^{18}$F-FDG) et de la piste du cône nasal (NCT) du berceau. La NCT a été modifiée avec des « encoches » soustractives (marqueurs géométriques) faites d'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), un matériau visible en IRM ZTE. Les images TEP et ZTE sont recalées à l'aide d'Advanced Normalization Tools (ANTs) avec une métrique d'information mutuelle.
2. Calibration spécifique à l'expérience ($T_{Lab \to Cradle}$) : Pour chaque expérience, l'emplacement du berceau dans l'espace du laboratoire (isocentre de l'aimant) est déterminé. Un court scan ZTE (~2,5 minutes) capture à la fois le sujet et les marqueurs de la NCT. Ce scan est recalé rigidement à un scan « NCT0 » pré-acquis (contenant uniquement les marqueurs de la NCT) pour déterminer la position actuelle du berceau par rapport à l'espace du laboratoire.
3. Transformation spécifique à la séquence ($T_{MRI \to Lab}$) : Cette transformation, dérivée directement des en-têtes d'image IRM, cartographie les voxels indexés de la séquence IRM spécifique vers l'espace physique du laboratoire.

Le recalage final de la TEP vers l'IRM est obtenu en concaténant ces transformations : $x_{MRI} = T_{MRI \to Lab}^{-1} \cdot T_{Lab \to Cradle}^{-1} \cdot T_{P \to Cradle} \cdot x_{PET}$.

Contributions clés

• Intégration matérielle novatrice : La conception et l'impression 3D d'une piste de cône nasal modifiée avec des marqueurs géométriques soustractifs visibles en IRM ZTE, éliminant ainsi le besoin de marqueurs fiduciaires à double modalité encombrants.
• Flux de travail automatisé : Un pipeline de recalage entièrement automatisé qui ne nécessite aucune intervention manuelle, aucune correspondance de caractéristiques anatomiques, ni de répétition de fantômes de calibration à double modalité pour chaque sujet.
• Précision sous-voxel : La démonstration qu'un recalage précis est possible même lorsque le détecteur TEP se déplace entre les expériences, à condition que la relation géométrique entre le détecteur et les marqueurs du berceau reste fixe.

Résultats
La méthode a été validée par des expériences systématiques sur fantôme :

• Précision du recalage : Le recalage spécifique à l'expérience des marqueurs du berceau (NCT) par rapport à l'espace du laboratoire a atteint une erreur spatiale de $\pm 0,03$ mm (axe x), $\pm 0,06$ mm (axe y) et $\pm 0,06$ mm (axe z).
• Performance du corégagement : Lors de l'application du pipeline complet aux images TEP et IRM d'un fantôme à travers neuf positions différentes du berceau (incluant des translations et des rotations), l'erreur de corégagement résultante était inférieure à la taille du voxel TEP.
• Métriques quantitatives : L'écart-type voxel par voxel des images TEP recalées, lorsqu'elles sont cartographiées dans un espace FLASH IRM commun, a atteint en moyenne 2,6 % (intensité normalisée, 95e percentile), avec un maximum local de 5,4 %.
• Efficacité : Le scan de calibration ZTE requis prend environ 2,5 minutes, ce qui le rend réalisable comme pré-scan dans un protocole standard.

Signification et affirmations
L'article affirme présenter la première démonstration de l'utilisation du recalage d'images de scans ZTE pour automatiser le corégagement de scans TEP et IRM acquis simultanément dans une configuration de rétrofit non stationnaire. Les auteurs soulignent que cette approche offre une solution pratique et rentable pour les systèmes TEP/IRM où l'espace physique est limité et le positionnement du détecteur n'est pas fixe.

L'étude note modestement que la validation a été entièrement réalisée sur des fantômes dans des conditions contrôlées. Les auteurs reconnaissent que des travaux futurs sont nécessaires pour évaluer la robustesse chez les animaux vivants, où des facteurs tels que le mouvement du sujet et la respiration peuvent introduire des artefacts affectant les étapes de recalage. La conclusion stipule que la méthode est une « méthode pratique » pour atteindre une précision sous-voxel dans ces environnements contraints spécifiques.