Predicting respiratory motion for real-time tumour tracking in radiotherapy

Purpose. Radiation therapy is a local treatment aimed at cells in and around a tumor. The goal of this study is to develop an algorithmic solution for predicting the position of a target in 3D in real time, aiming for the short fixed calibration time for each patient at the beginning of the procedure. Accurate predictions of lung tumor motion are expected to improve the precision of radiation treatment by controlling the position of a couch or a beam in order to compensate for respiratory motion during radiation treatment. Methods. For developing the algorithmic solution, data mining techniques are used. A model form from the family of exponential smoothing is assumed, and the model parameters are fitted by minimizing the absolute disposition error, and the fluctuations of the prediction signal (jitter). The predictive performance is evaluated retrospectively on clinical datasets capturing different behavior (being quiet, talking, laughing), and validated in real-time on a prototype system with respiratory motion imitation. Results. An algorithmic solution for respiratory motion prediction (called ExSmi) is designed. ExSmi achieves good accuracy of prediction (error $4-9$ mm/s) with acceptable jitter values (5-7 mm/s), as tested on out-of-sample data. The datasets, the code for algorithms and the experiments are openly available for research purposes on a dedicated website. Conclusions. The developed algorithmic solution performs well to be prototyped and deployed in applications of radiotherapy

PREDICTION OF RESPIRATORY MOTION

Radiation therapy is a cancer treatment method that employs high-energy radiation beams to destroy cancer cells by damaging the ability of these cells to reproduce. Thoracic and abdominal tumors may change their positions during respiration by as much as three centimeters during radiation treatment. The prediction of respiratory motion has become an important research area because respiratory motion severely affects precise radiation dose delivery. This study describes recent radiotherapy technologies including tools for measuring target position during radiotherapy and tracking-based delivery systems. In the first part of our study we review three prediction approaches of respiratory motion, i.e., model-based methods, model-free heuristic learning algorithms, and hybrid methods. In the second part of our work we propose respiratory motion estimation with hybrid implementation of extended Kalman filter. The proposed method uses the recurrent neural network as the role of the predictor and the extended Kalman filter as the role of the corrector. In the third part of our work we further extend our research work to present customized prediction of respiratory motion with clustering from multiple patient interactions. For the customized prediction we construct the clustering based on breathing patterns of multiple patients using the feature selection metrics that are composed of a variety of breathing features. In the fourth part of our work we retrospectively categorize breathing data into several classes and propose a new approach to detect irregular breathing patterns using neural networks. We have evaluated the proposed new algorithm by comparing the prediction overshoot and the tracking estimation value. The experimental results of 448 patients’ breathing patterns validated the proposed irregular breathing classifier

Contrôle en temps réel de la précision du suivi indirect de tumeurs mobiles en radiothérapie

Le but de la radiothérapie est d’irradier les cellules cancéreuses tout en préservant au maximum les tissus sains environnants. Or, dans le cas du cancer du poumon, la respiration du patient engendre des mouvements de la tumeur pendant le traitement. Une solution possible est de repositionner continuellement le faisceau d’irradiation sur la cible tumorale en mouvement. L’e cacité et la sûreté de cette approche reposent sur la localisation précise en temps réel de la tumeur. Le suivi indirect consiste à inférer la position de la cible tumorale à partir de l’observation d’un signal substitut, visible en continu sans nécessiter de rayonnement ionisant. Un modèle de corrélation spatial doit donc être établi. Par ailleurs, pour compenser la latence du système, l’algorithme de suivi doit pouvoir également anticiper la position future de la cible. Parce que la respiration du patient varie dans le temps, les modèles de prédiction et de corrélation peuvent devenir imprécis. La prédiction de la position de la tumeur devrait alors idéalement être complétée par l’estimation des incertitudes associées aux prédictions. Dans la pratique clinique actuelle, ces incertitudes de positionnement en temps réel ne sont pas explicitement prédites. Cette thèse de doctorat s’intéresse au contrôle en temps réel de la précision du suivi indirect de tumeurs mobiles en radiothérapie. Dans un premier temps, une méthode bayésienne pour le suivi indirect en radiothérapie est développée. Cette approche, basée sur le filtre de Kalman, permet de prédire non seulement la position future de la tumeur à partir d’un signal substitut, mais aussi les incertitudes associées. Ce travail o re une première preuve de concept, et montre également le potentiel du foie comme substitut interne, qui apparait plus robuste et fiable que les marqueurs externes communément utilisés dans la pratique clinique. Dans un deuxième temps, une adaptation de la méthode est proposée afin d’améliorer sa robustesse face aux changements de respiration. Cette innovation permet de prédire des régions de confiance adaptatives, capables de détecter les erreurs de prédiction élevées, en se basant exclusivement sur l’observation du signal substitut. Les résultats révèlent qu’à sensibilité élevée (90%), une spécificité d’environ 50% est obtenue. Un processus de validation innovant basé sur ces régions de confiance adaptatives est ensuite évalué et comparé au processus conventionnel qui consiste en des mesures de la cible à intervalles de temps fixes et prédéterminés. Une version adaptative de la méthode bayésienne est donc développée afin d’intégrer des mesures occasionnelles de la position de la cible. Les résultats confirment que les incertitudes prédites par la méthode bayésienne permettent de détecter les erreurs de prédictions élevées, et démontrent que le processus de validation basé sur ces incertitudes a le potentiel d’être plus e cace que les validations régulières. Ces approches bayésiennes sont validées sur des séquences respiratoires de volontaires, acquises par imagerie par résonance magnétique (IRM) dynamique et interpolées à haute fréquence. Afin de compléter l’évaluation de la méthode bayésienne pour le suivi indirect, une validation expérimentale préliminaire est conduite sur des données cliniques de patients atteints de cancer du poumon. Les travaux de ce projet doctoral promettent une amélioration du contrôle en temps réel de la précision des prédictions lors des traitements de radiothérapie. Finalement, puisque l’imagerie ultrasonore pourrait être employée pour visualiser les substituts internes, une étude préliminaire sur l’évaluation automatique de la qualité des images ultrasonores est présentée. Ces résultats pourront être utilisés ultérieurement pour le suivi indirect en radiothérapie en vue d’optimiser les acquisitions ultrasonores pendant les traitements et faciliter l’extraction automatique du mouvement du substitut.The goal of radiotherapy is to irradiate cancer cells while maintaining a low dose of radiation to the surrounding healthy tissue. In the case of lung cancer, the patient’s breathing causes the tumor to move during treatment. One possible solution is to continuously reposition the irradiation beam on the moving target. The e ectiveness and safety of this approach rely on accurate real-time localization of the tumor. Indirect strategies derive the target positions from a correlation model with a surrogate signal, which is continuously monitored without the need for radiation-based imaging. In addition, to compensate for system latency, the tracking algorithm must also be able to anticipate the future position of the target. Because the patient’s breathing varies over time, prediction and correlation models can become inaccurate. Ideally, the prediction of the tumor location would also include an estimation of the uncertainty associated with the prediction. However, in current clinical practice, these real-time positioning uncertainties are not explicitly predicted. This doctoral thesis focuses on real-time control of the accuracy of indirect tracking of mobile tumors in radiotherapy. First, a Bayesian method is developed. This approach, based on Kalman filter theory, allows predicting both future target motion in real-time from a surrogate signal and associated uncertainty. This work o ers a first proof of concept, and also shows the potential of the liver as an internal substitute as it appears more robust and reliable than the external markers commonly used in clinical practice. Second, an adaptation of the method is proposed to improve its robustness against changes in breathing. This innovation enables the prediction of adaptive confidence regions that can be used to detect significant prediction errors, based exclusively on the observation of the surrogate signal. The results show that at high sensitivity (90%), a specificity of about 50% is obtained. A new validation process based on these adaptive confidence regions is then evaluated and compared to the conventional validation process (i.e., target measurements at fixed and predetermined time intervals). An adaptive version of the Bayesian method is therefore developed to valuably incorporate occasional measurements of the target position. The results confirm that the uncertainties predicted by the Bayesian method can detect high prediction errors, and demonstrate that the validation process based on these uncertainties has the potential to be more e cient and e ective than regular validations. For these studies, the proposed Bayesian methods are validated on respiratory sequences of volunteers, acquired by dynamic MRI and interpolated at high frequency. In order to complete the evaluation of the Bayesian method for indirect tracking, experimental validation is conducted on clinical data of patients with lung cancer. The work of this doctoral project promises to improve the real-time control of the accuracy of predictions during radiotherapy treatments. Finally, since ultrasound imaging could be used to visualize internal surrogates, a preliminary study on automatic ultrasound image quality assessment is presented. These results can later be used for indirect tracking in radiotherapy to optimize ultrasound acquisitions during treatments and facilitate the automatic estimation of surrogate motion

Ein Steuersystem für die telemanipulierte und autonome robotergestützte Chirurgie

Die Arbeit entwickelt ein komplettes System für die telemanipulierte und autonome robotergestützte Chirurgie. Beschrieben werden die hierfür notwendigen Komponenten: Softwarearchitektur, Entwicklungsumgebung, Planung mit Validierung und Verifizierung, Einbindung der Sensordaten, Bahnplanung, Steuerung und Regelung der Aktorik. Die Funktionsfähigkeit des Systems wird anhand zweier Operationen gezeigt (Abdominalen Aortenaneurysma (AAA), Laserknochenschneiden mit einem CO2 Laser)

Network-driven strategies to integrate and exploit biomedical data

[eng] In the quest for understanding complex biological systems, the scientific community has been delving into protein, chemical and disease biology, populating biomedical databases with a wealth of data and knowledge. Currently, the field of biomedicine has entered a Big Data era, in which computational-driven research can largely benefit from existing knowledge to better understand and characterize biological and chemical entities. And yet, the heterogeneity and complexity of biomedical data trigger the need for a proper integration and representation of this knowledge, so that it can be effectively and efficiently exploited. In this thesis, we aim at developing new strategies to leverage the current biomedical knowledge, so that meaningful information can be extracted and fused into downstream applications. To this goal, we have capitalized on network analysis algorithms to integrate and exploit biomedical data in a wide variety of scenarios, providing a better understanding of pharmacoomics experiments while helping accelerate the drug discovery process. More specifically, we have (i) devised an approach to identify functional gene sets associated with drug response mechanisms of action, (ii) created a resource of biomedical descriptors able to anticipate cellular drug response and identify new drug repurposing opportunities, (iii) designed a tool to annotate biomedical support for a given set of experimental observations, and (iv) reviewed different chemical and biological descriptors relevant for drug discovery, illustrating how they can be used to provide solutions to current challenges in biomedicine.[cat] En la cerca d’una millor comprensió dels sistemes biològics complexos, la comunitat científica ha estat aprofundint en la biologia de les proteïnes, fàrmacs i malalties, poblant les bases de dades biomèdiques amb un gran volum de dades i coneixement. En l’actualitat, el camp de la biomedicina es troba en una era de “dades massives” (Big Data), on la investigació duta a terme per ordinadors se’n pot beneficiar per entendre i caracteritzar millor les entitats químiques i biològiques. No obstant, la heterogeneïtat i complexitat de les dades biomèdiques requereix que aquestes s’integrin i es representin d’una manera idònia, permetent així explotar aquesta informació d’una manera efectiva i eficient. L’objectiu d’aquesta tesis doctoral és desenvolupar noves estratègies que permetin explotar el coneixement biomèdic actual i així extreure informació rellevant per aplicacions biomèdiques futures. Per aquesta finalitat, em fet servir algoritmes de xarxes per tal d’integrar i explotar el coneixement biomèdic en diferents tasques, proporcionant un millor enteniment dels experiments farmacoòmics per tal d’ajudar accelerar el procés de descobriment de nous fàrmacs. Com a resultat, en aquesta tesi hem (i) dissenyat una estratègia per identificar grups funcionals de gens associats a la resposta de línies cel·lulars als fàrmacs, (ii) creat una col·lecció de descriptors biomèdics capaços, entre altres coses, d’anticipar com les cèl·lules responen als fàrmacs o trobar nous usos per fàrmacs existents, (iii) desenvolupat una eina per descobrir quins contextos biològics corresponen a una associació biològica observada experimentalment i, finalment, (iv) hem explorat diferents descriptors químics i biològics rellevants pel procés de descobriment de nous fàrmacs, mostrant com aquests poden ser utilitzats per trobar solucions a reptes actuals dins el camp de la biomedicina