論文の概要: Harmonic-Aware Transformer for Real-Time Catheter Localization in Interventional Procedures of Magnetic Particle Imaging

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.02919v1
• Date: Fri, 03 Jul 2026 03:24:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-07-07 22:26:29.458113
• Title: Harmonic-Aware Transformer for Real-Time Catheter Localization in Interventional Procedures of Magnetic Particle Imaging
• Title（参考訳）: 磁気粒子イメージングにおける干渉法における実時間カテーテル位置決めのための高調波変換器
• Authors: Abuobaida M. Khair, Wenjing Jiang, Xiaoli Yang, Moritz Wildgruber, Xiaopeng Ma,
• Abstract要約: 本研究は,MPI電圧信号からカテーテル先端位置を直接予測する高調波対応変圧器フレームワークを提案する。 このフレームワークは周波数領域前処理を導入し、第2から第8の駆動音場を分離し、信号対雑音比を高める。 提案手法は,最小L2誤差0.103+/-0.092mmのサブミリ波局所化精度を実現する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.1202994773978734
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Magnetic particle imaging (MPI) enables real-time, radiation-free tracking of magnetic nanoparticle-coated instruments, making it highly suitable for interventional procedures. This study proposes a harmonic-aware transformer framework that directly predicts catheter tip positions from raw MPI voltage signals, eliminating the need for image reconstruction and reducing computational latency. The framework incorporates frequency-domain preprocessing to isolate the 2nd to 8th drive-field harmonics, enhancing the signal-to-noise ratio while preserving motion-relevant features. A transformer architecture with six encoder layers and eight attention heads is employed to learn spatio-temporal dependencies across the three receive axes (x, y, z) for accurate three-dimensional position estimation. The model is trained on simulated MPI signals and evaluated on real in vitro datasets under standard, bending, and heartbeat-like motion conditions. The proposed method achieves sub-millimeter localization accuracy, with a minimum L2 error of 0.103 +/- 0.092 mm and mean absolute errors (MAEs) of 0.039 +/- 0.046 mm, 0.054 +/- 0.049 mm, and 0.060 +/- 0.044 mm along the (x, y, z) axes, respectively, for the bending dataset. Across all datasets, the MAE ranges from 0.165 mm to 0.655 mm, demonstrating consistent performance. The optimized inference achieves a latency of 0.55 ms per frame and a throughput of approximately 1800 frames per second, confirming real-time capability. Compared with conventional MPI-guided approaches relying on image reconstruction, the proposed framework provides improved accuracy, reduced latency, and enhanced robustness under complex motion conditions. These results highlight the potential of harmonic-aware transformer models as efficient and scalable solutions for real-time catheter localization in interventional MPI.
• Abstract（参考訳）: 磁気粒子イメージング(MPI)は、磁気ナノ粒子でコーティングされた機器のリアルタイム、放射線のない追跡を可能にし、介入手順に非常に適している。 本研究は,MPI電圧信号からカテーテル先端位置を直接予測し,画像再構成の必要性を排除し,計算遅延を低減する高調波対応トランスフォーマフレームワークを提案する。 このフレームワークは、周波数領域前処理を取り入れ、第2から第8の駆動-フィールドハーモニクスを分離し、動き関連特性を保ちながら信号-雑音比を高める。 6つのエンコーダ層と8つのアテンションヘッドを持つトランスフォーマーアーキテクチャを用いて、3つの受信軸(x,y,z)間の時空間依存性を正確に3次元位置推定する。 このモデルは、模擬MPI信号に基づいて訓練され、標準、曲げ、心拍に似た運動条件下で、実際のin vitroデータセットで評価される。 提案手法は,最小L2誤差が 0.103 +/- 0.092 mm,平均絶対誤差が 0.039 +/- 0.046 mm, 0.054 +/- 0.049 mm, 0.060 +/- 0.044 mm, それぞれ (x, y, z) の軸に沿ってそれぞれ最小L2誤差が 0.039 +/- 0.046 mm, 0.054 +/- 0.049 mm, 0.060 +/- 0.044 mm である。 すべてのデータセットで、MAEは0.165 mm から 0.655 mm まで変化しており、一貫した性能を示している。 最適化された推論は1フレームあたり0.15ミリ秒のレイテンシと1秒あたり約1800フレームのスループットを実現し、リアルタイム能力を確認する。 画像再構成に頼った従来のMPI誘導手法と比較して,提案手法は精度の向上,レイテンシの低減,複雑な動作条件下での堅牢性の向上を実現している。 これらの結果は、干渉型MPIにおけるリアルタイムカテーテル局所化のための効率的でスケーラブルなソリューションとして、調和型トランスフォーマーモデルの可能性を強調している。

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