Development of Real-time MR imaging and Visualization System to Improve MR-guided Prostate Biopsy

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Abstract  MR-­guided in-­gantry prostate biopsy is a state-­of-­the-­art technique that has considerable advantages over  other prostate biopsy methods, including increased lesion targeting accuracy and fewer side effects with  shorter recovery times. However, performing the procedure is difficult and time-­consuming due to a variety of  factors. High-­resolution T2-­weighted images used to guide the needle have long acquisition times resulting in  slow needle adjustments. Furthermore, guidance in MR-­guided biopsy relies on support software that is prone  to error due to different geometry between biopsy planning and guidance images. Manual visual guidance,  often done to compensate for errors with support software, can be inaccurate due to slow pace of visual  feedback, leading to repeat guidance image scans and thus longer procedure times. Hence, a new way to  approach imaging and visualization of data in MR-­guided prostate biopsy is a necessary step to reduce  procedure complexity and duration and improve patient accessibility to this diagnostic technique.   A guidance image in MR-­guided biopsy requires 40-­60 seconds to acquire. Progress made in Case  Western Reserve University (CWRU) MRI research group has enabled fast imaging that can accelerate image  collection by more than a hundred-­fold. Fast MR method development will build upon currently utilized fast spin  echo imaging methodology and integrate advancements in non-­traditional data sampling techniques and  parallel imaging to enable collection of guidance images in a few seconds. Rapidly acquired guidance images  will provide superior temporal resolution to current technique with sufficient image quality to enable accurate  targeting of lesions in MR-­guided prostate biopsy.   While fast image acquisition improves the temporal resolution of visual feedback in MR-­guided prostate  biopsy, procedure complexity arises from imaging in different imaging planes between planning and guidance  images and targeting lesions that have insufficient contrast in these images. Non-­rigid image registration will  enable visual fusion between not only planning and guidance images, but also higher quality pre-­biopsy  diagnostic images which provide better tissue contrast for lesion targeting. Augmented reality holographic  rendering will be implemented in conjunction with image registration to visualize the complex 3D spatial  relationships between the different image datasets. The combination of image registration and holographic  visualization will provide more informative spatial information during MR-­guided prostate biopsy, allowing  radiologists to better utilize their trained intuition and thus reducing procedure complexity and reliance on  support software for lesion targeting.   Together, fast MR imaging and augmented reality visualization techniques proposed herein will reduce  procedure time and difficulty, thereby helping increase adoption and patient accessibility to MR-­guided prostate  biopsy.