Physically based non-rigid registration using smoothed particle hydrodynamics

Abstract

Recent advances in computing hardware have enabled the application of physically based simulation techniques to various research fields for improved accuracy. In this paper, we present a novel physically based non-rigid registration method using smoothed particle hydrodynamics (SPH) for hepatic metastasis volume-preserving registration between follow-up liver CT images. Our method models the liver and hepatic metastasis as a set of particles carrying their own physical properties. Based on the fact that the hepatic metastasis is stiffer than other normal cells in the liver parenchyma, the candidate regions of hepatic metastasis are modeled with particles of higher stiffness compared to the liver parenchyma. Particles placed in the liver and candidate regions of hepatic metastasis in the source image are transformed along a gradient vector flow (GVF)-based force field calculated in the target image. In this transformation, the particles are physically interacted and deformed by a novel deformable particle method which is proposed to preserve the hepatic metastasis to the best. In experimental results using 10 clinical datasets, our method matches the liver effectively between follow-up CT images as well as preserves the volume of hepatic metastasis almost completely, enabling the accurate assessment of the volume change of the hepatic metastasis. These results demonstrated a potential of the proposed method that it can deliver a substantial aid in measuring the size change of index lesion (i.e., hepatic metastasis) after the chemotheraphy of metastasis patients in radiation oncology.

최근 컴퓨팅 하드웨어의 발달은 정확도 향상을 위해 물리 기반의 시뮬레이션 기술을 다양한 연구 분야에 적용할 수 있게 하였다. 본 논문에서는 입자를 이용하여 시뮬레이션하는 방법 중 하나인 입자 보간 방식의 유체역학(smoothed particle hydrodynamics) 기술을 이용하여, 후속 컴퓨터 단층촬영 영상(computed tomography) 사이에 간전이(hepatic metastasis) 체적을 보전하는 물리 기반의 비정형체 정합 기술을 제안한다. 제안 방법은 간과 간전이를 물리적 속성을 동반하는 일련의 입자로 표현하며, 간전이가 정상 간에 비해 강한 탄성을 보인다는 사실에 기반하여 간전이로 짐작되는 부위를 상대적으로 강한 탄성을 갖는 입자로 표현하였다. 초기에 간과 간전이 후보 영역을 나타내는 입자들은 입력 영상의 해당 영역에 위치되며, 정합하고자 하는 대상 영상으로 부터 경사도 벡터 흐름(gradient vector flow) 방법으로 계산된 힘의 장을 따라 이동된다. 이 때, 각 입자는 간전이의 체적을 최대한 보존하기 위해 제안된 변형 가능 입자 방식에 따라 서로 물리적으로 상호작용하며 변형된다. 10명의 환자 데이터를 이용한 실험 결과에 따르면, 후속 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상 간의 정합 과정에서 간의 모양을 효과적으로 일치시킬 뿐만 아니라 간전이의 체적을 거의 완벽하게 보존하여 간전이의 체적 변화를 정확하게 진단할 수 있게 하였다. 이 결과는 간전이 환자가 화학 요법을 시행 한 후 암의 진행 상태를 판단하기 위해 간전이의 크기 변화를 측정하는데 도움을 줄 수 있는 방법임을 시사한다.