Current treatment planning of patients diagnosed with brain tumor could significantly benefit by accessing the spatial distribution of tumor cell concentration. Existing diagnostic modalities, such as magnetic-resonance imaging (MRI), contrast sufficiently well areas of high cell density. However, they do not portray areas of low concentration, which can often serve as a source for the secondary appearance of the tumor after treatment. Numerical simulations of tumor growth could complement imaging information by providing estimates of full spatial distributions of tumor cells. Over recent years a corpus of literature on medical image-based tumor modeling was published. It includes different mathematical formalisms describing the forward tumor growth model. Alongside, various parametric inference schemes were developed to perform an efficient tumor model personalization, i.e. solving the inverse problem. However, the unifying drawback of all existing approaches is the time complexity of the model personalization that prohibits a potential integration of the modeling into clinical settings. In this work, we introduce a methodology for inferring patient-specific spatial distribution of brain tumor from T1Gd and FLAIR MRI medical scans. Coined as \textit{Learn-Morph-Infer} the method achieves real-time performance in the order of minutes on widely available hardware and the compute time is stable across tumor models of different complexity, such as reaction-diffusion and reaction-advection-diffusion models. We believe the proposed inverse solution approach not only bridges the way for clinical translation of brain tumor personalization but can also be adopted to other scientific and engineering domains.


翻译:现有诊断模式,如磁共振成像(MRI),与细胞密度高的地区对比得相当好;然而,这些诊断模式没有描绘低浓度地区,而低浓度地区往往可以作为治疗后肿瘤二次外观的来源。肿瘤生长的数值模拟可以通过提供肿瘤细胞全面空间分布的估计来补充成像信息。近年来,出版了一套关于基于肿瘤的肿瘤成像模型的医学图象模型的文献集。其中包括描述前肿瘤生长模型的不同数学形式学。此外,还开发了各种参数推断法,以实施高效的肿瘤模型个人化模型,即解决反向问题。然而,所有现有方法的统一倒退是模型个性化的时间复杂性,禁止将模型与临床环境进行可能的整合。在这项工作中,我们采用了一种方法,从T1Gd和FLAIR的脑肿瘤模型中预测特定病人的空间分布。我们没有将大脑生长模型和FLAIRMRI进行医学扫描,但作为TextL{earright推算出的大脑模型, 也是为了在可广泛理解的硬化模型中实现可理解的硬缩缩缩缩缩缩缩缩缩的模型。

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