CT 기반 공간 가변 정규화를 이용한 보륨 단위 변형 전신 PET 영상 등록

CT-Guided Spatially-varying Regularization for Voxel-Wise Deformable Whole-Body PET Registration

전신 양전자 방출 단층 촬영(PET) 영상 등록은 다중 파라미터 종양 특성 분석 및 전이 질환 진행 평가에 필수적입니다. 딥러닝 기반 변형 등록에서, 밀집 변위장(DDF) 정규화는 최적화 안정성을 확보하고 대용량 3차원 영상에서 비현실적인 변형을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. 전신 변형 등록의 주요 과제는 해부학적 이질성이며, 뼈와 같은 강직한 구조는 더 강력한 정규화를 받아야 하고, 연조직은 보다 유연한 변형과 약한 제약 조건이 필요합니다. 본 연구에서는 18F-PSMA 및 18F-FDG를 포함하는 296명의 환자의 실제 임상 전신 PET/CT 데이터 세트를 사용하여, CT 기반 공간 가변 정규화 전략을 적용한 전신 다중 추적자 PET 영상 등록 방법을 제안합니다. 핵심 아이디어는 PET/CT 촬영에서 얻은 해당 CT 영상을 사용하여 DDF에 대한 보륨 단위 정규화 지도를 구성하는 것입니다. 이는 기존의 단일 전역 정규화 가중치를 대체하여, 강직하고 연조직에 따라 해부학적 특성에 적응적인 정규화 강도를 제공합니다. 제안된 방법은 약하게 지도 학습된 기준 방법과 비교하여, 전신 등록 성능 및 장기 단위 정렬 측면에서 통계적으로 유의미한 개선을 달성하는 것으로 나타났습니다.

Whole-body Positron Emission Tomography (PET) registration is essential for multi-parametric tumor characterization and assessment of metastatic disease progression. In deep learning-based deformable registration, the dense displacement field (DDF) regularizer is crucial for stabilizing optimization and preventing unrealistic deformations in large 3D volumes. A key challenge in whole-body deformable registration is anatomical heterogeneity, rigid structures (e.g., bones) should undergo stronger regularization, whereas soft tissues require more flexible deformation and weaker constraints. In this work, we propose a simple yet effective CT-guided spatially-varying regularization strategy for whole-body cross-tracer deformable PET registration. The key idea is to use the paired CT volume from the PET/CT acquisition to construct a voxel-wise regularization map for the DDF, replacing the conventional single global regularization weight. This yields anatomy-adaptive regularization strength across rigid and soft tissues. The proposed method is evaluated on a real clinical cross-tracer PET/CT dataset of 296 patients involving 18F-PSMA and 18F-FDG, showing that the proposed method achieves statistically significant improvements over weakly-supervised registration baseline in both whole-body registration performance and organ-wise alignment.