Contributions of biomechanical modeling and machine learning to the automatic registration of Multiparametric Magnetic Resonance and Transrectal Echography for prostate brachytherapy

Abstract

El cáncer de próstata (CaP) es el primer cáncer por incidencia en hombres en países occidentales, y el tercero en mortalidad. Tras detectar en sangre una elevación del Antígeno Prostático Específico (PSA) o tras tacto rectal sospechoso se realiza una Resonancia Magnética (RM) de la próstata, que los radiólogos analizan para localizar las regiones sospechosas. A continuación, estas se biopsian, es decir, se toman muestras vivas que posteriormente serán analizadas histopatológicamente para confirmar la presencia de cáncer y establecer su grado de agresividad. Durante la biopsia se emplea típicamente Ultrasonidos (US) para el guiado y la localización de las lesiones. Sin embargo, estas no son directamente visibles en US, y el urólogo necesita usar software de fusión que realice un registro RM-US que transfiera la localizaciones marcadas en MR al US. Esto es fundamental para asegurar que las muestras tomadas provienen verdaderamente de la zona sospechosa. En este trabajo se compendian cinco publicaciones que emplean diversos algoritmos de Inteligencia Artificial (IA) para analizar las imágenes de próstata (RM y US) y con ello mejorar la eficiencia y precisión en el diagnóstico, biopsia y tratamiento del CaP: 1. Segmentación automática de próstata en RM y US: Segmentar la próstata consiste en delimitar o marcar la próstata en una imagen médica, separándola del resto de órganos o estructuras. Automatizar por completo esta tarea, que es previa a todo análisis posterior, permite ahorrar un tiempo significativo a radiólogos y urólogos, mejorando también la precisión y repetibilidad. 2. Mejora de la resolución de segmentación: Se presenta una metodología para mejorar la resolución de las segmentaciones anteriores. 3. Detección y clasificación automática de lesiones en RM: Se entrena un modelo basado en IA para detectar las lesiones como lo haría un radiólogo, asignándoles también una estimación del riesgo. Se logra mejorar la precisión diagnóstica, dando lugar a un sistema totalmente automático que podría implantarse para segunda opinión clínica o como criterio para priorización. 4. Simulación del comportamiento biomecánico en tiempo real: Se propone acelerar la simulación del comportamiento biomecánico de órganos blandos mediante el uso de IA. 5. Registro automático RM-US: El registro permite localizar en US las lesiones marcadas en RM. Una alta precisión en esta tarea es esencial para la corrección de la biopsia y/o del tratamiento focal del paciente (como braquiterapia de alta tasa). Se plantea el uso de la IA para resolver el problema de registro en tiempo casi real, utilizando modelos biomecánicos subyacentes.Prostate cancer (PCa) is the most common malignancy in western males, and third by mortality. After detecting elevated Prostate Specific Antigen (PSA) blood levels or after a suspicious rectal examination, a Magnetic Resonance (MR) image of the prostate is acquired and assessed by radiologists to locate suspicious regions. These are then biopsied, i.e. living tissue samples are collected and analyzed histopathologically to confirm the presence of cancer and establish its degree of aggressiveness. During the biopsy procedure, Ultrasound (US) is typically used for guidance and lesion localization. However, lesions are not directly visible in US, and the urologist needs to use fusion software to performs MR-US registration, so that the MR-marked locations can be transferred to the US image. This is essential to ensure that the collected samples truly come from the suspicious area. This work compiles five publications employing several Artificial Intelligence (AI) algorithms to analyze prostate images (MR and US) and thereby improve the efficiency and accuracy in diagnosis, biopsy and treatment of PCa: 1. Automatic prostate segmentation in MR and US: Prostate segmentation consists in delimiting or marking the prostate in a medical image, separating it from the rest of the organs or structures. Automating this task fully, which is required for any subsequent analysis, saves significant time for radiologists and urologists, while also improving accuracy and repeatability. 2. Segmentation resolution enhancement: A methodology for improving the resolution of the previously obtained segmentations is presented. 3. Automatic detection and classification of MR lesions: An AI model is trained to detect lesions as a radiologist would and to estimate their risk. The model achieves improved diagnostic accuracy, resulting in a fully automatic system that could be used as a second clinical opinion or as a criterion for patient prioritization. 4. Simulation of biomechanical behavior in real time: It is proposed to accelerate the simulation of biomechanical behavior of soft organs using AI. 5. Automatic MR-US registration: Registration allows localization of MR-marked lesions on US. High accuracy in this task is essential for the correctness of the biopsy and/or focal treatment procedures (such as high-rate brachytherapy). Here, AI is used to solve the registration problem in near-real time, while exploiting underlying biomechanically-compatible models