論文の概要: Modality-agnostic, patient-specific digital twins modeling temporally varying digestive motion

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.01909v3
• Date: Wed, 09 Jul 2025 16:36:58 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-10 13:22:10.037959
• Title: Modality-agnostic, patient-specific digital twins modeling temporally varying digestive motion
• Title（参考訳）: 経時的に異なる消化運動をモデル化したModality-agnostic, patient-specific digital twins
• Authors: Jorge Tapias Gomez, Nishant Nadkarni, Lando S. Bosma, Jue Jiang, Ergys D. Subashi, William P. Segars, James M. Balter, Mert R Sabuncu, Neelam Tyagi, Harini Veeraraghavan,
• Abstract要約: 変形性画像登録(DIR)の臨床的実装には、ボクセルによる空間精度測定が必要である。 DIR法の精度を評価するため,患者固有のディジタルツイン(DT)モデルを構築した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.884066499888718
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Objective: Clinical implementation of deformable image registration (DIR) requires voxel-based spatial accuracy metrics such as manually identified landmarks, which are challenging to implement for highly mobile gastrointestinal (GI) organs. To address this, patient-specific digital twins (DT) modeling temporally varying motion were created to assess the accuracy of DIR methods. Approach: 21 motion phases simulating digestive GI motion as 4D sequences were generated from static 3D patient scans using published analytical GI motion models through a semi-automated pipeline. Eleven datasets, including six T2w FSE MRI (T2w MRI), two T1w 4D golden-angle stack-of-stars, and three contrast-enhanced CT scans. The motion amplitudes of the DTs were assessed against real patient stomach motion amplitudes extracted from independent 4D MRI datasets. The generated DTs were then used to assess six different DIR methods using target registration error, Dice similarity coefficient, and the 95th percentile Hausdorff distance using summary metrics and voxel-level granular visualizations. Finally, for a subset of T2w MRI scans from patients treated with MR-guided radiation therapy, dose distributions were warped and accumulated to assess dose warping errors, including evaluations of DIR performance in both low- and high-dose regions for patient-specific error estimation. Main results: Our proposed pipeline synthesized DTs modeling realistic GI motion, achieving mean and maximum motion amplitudes and a mean log Jacobian determinant within 0.8 mm and 0.01, respectively, similar to published real-patient gastric motion data. It also enables the extraction of detailed quantitative DIR performance metrics and rigorous validation of dose mapping accuracy. Significance: The pipeline enables rigorously testing DIR tools for dynamic, anatomically complex regions enabling granular spatial and dosimetric accuracies.
• Abstract（参考訳）: 目的: 変形性画像登録(DIR)の臨床的実装には,手動で識別されたランドマークなどのボクセルベースの空間精度指標が必要である。 そこで,DIR法の精度を評価するため,患者固有のディジタルツイン(DT)モデルを構築した。 アプローチ: 半自動パイプラインを用いた解析的GIモーションモデルを用いて, 静的3次元患者スキャンから, 消化性GIモーションを4Dシークエンスとしてシミュレートした21の動作位相を作成した。 6つのT2w FSE MRI(T2w MRI)、2つのT1w 4Dゴールデンアングルスタック、コントラスト強化CTスキャンを含む11のデータセット。 DTの運動振幅を4次元MRIデータセットから抽出した実例の胃運動振幅と比較した。 生成したDTを用いて,ターゲット登録誤差,Dice類似度係数,および95%のHausdorff距離を用いた6種類のDIR法の評価を行った。 最後に、MR誘導放射線治療を受けた患者のT2wMRIのサブセットについて、低線量領域と高線量領域のDIR性能の評価を含む線量補正誤差を評価するために、線量分布を算出し、蓄積した。 主な結果: 提案したパイプラインは, 現実的なGI動作をモデル化したDTを合成し, 平均および最大運動振幅, 平均ログヤコビ行列式を0.8mm, 0.01でそれぞれ達成した。 また、詳細な量的DIRパフォーマンスメトリクスの抽出や、線量マッピング精度の厳密な検証も可能である。 意義: このパイプラインは、ダイナミックで解剖学的に複雑な領域のためのDIRツールを厳格にテストし、粒度の空間的および線量的精度を実現する。

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