Advanced tracking and image registration techniques for intraoperative radiation therapy

Mención Internacional en el título de doctorIntraoperative electron radiation therapy (IOERT) is a technique used to deliver radiation to the surgically opened tumor bed without irradiating healthy tissue. Treatment planning systems and mobile linear accelerators enable clinicians to optimize the procedure, minimize stress in the operating room (OR) and avoid transferring the patient to a dedicated radiation room. However, placement of the radiation collimator over the tumor bed requires a validation methodology to ensure correct delivery of the dose prescribed in the treatment planning system. In this dissertation, we address three well-known limitations of IOERT: applicator positioning over the tumor bed, docking of the mobile linear accelerator gantry with the applicator and validation of the dose delivery prescribed. This thesis demonstrates that these limitations can be overcome by positioning the applicator appropriately with respect to the patient’s anatomy. The main objective of the study was to assess technological and procedural alternatives for improvement of IOERT performance and resolution of problems of uncertainty. Image-to-world registration, multicamera optical trackers, multimodal imaging techniques and mobile linear accelerator docking are addressed in the context of IOERT. IOERT is carried out by a multidisciplinary team in a highly complex environment that has special tracking needs owing to the characteristics of its working volume (i.e., large and prone to occlusions), in addition to the requisites of accuracy. The first part of this dissertation presents the validation of a commercial multicamera optical tracker in terms of accuracy, sensitivity to miscalibration, camera occlusions and detection of tools using a feasible surgical setup. It also proposes an automatic miscalibration detection protocol that satisfies the IOERT requirements of automaticity and speed. We show that the multicamera tracker is suitable for IOERT navigation and demonstrate the feasibility of the miscalibration detection protocol in clinical setups. Image-to-world registration is one of the main issues during image-guided applications where the field of interest and/or the number of possible anatomical localizations is large, such as IOERT. In the second part of this dissertation, a registration algorithm for image-guided surgery based on lineshaped fiducials (line-based registration) is proposed and validated. Line-based registration decreases acquisition time during surgery and enables better registration accuracy than other published algorithms. In the third part of this dissertation, we integrate a commercial low-cost ultrasound transducer and a cone beam CT C-arm with an optical tracker for image-guided interventions to enable surgical navigation and explore image based registration techniques for both modalities. In the fourth part of the dissertation, a navigation system based on optical tracking for the docking of the mobile linear accelerator to the radiation applicator is assessed. This system improves safety and reduces procedure time. The system tracks the prescribed collimator location to solve the movements that the linear accelerator should perform to reach the docking position and warns the user about potentially unachievable arrangements before the actual procedure. A software application was implemented to use this system in the OR, where it was also evaluated to assess the improvement in docking speed. Finally, in the last part of the dissertation, we present and assess the installation setup for a navigation system in a dedicated IOERT OR, determine the steps necessary for the IOERT process, identify workflow limitations and evaluate the feasibility of the integration of the system in a real OR. The navigation system safeguards the sterile conditions of the OR, clears the space available for surgeons and is suitable for any similar dedicated IOERT OR.La Radioterapia Intraoperatoria por electrones (RIO) consiste en la aplicación de radiación de alta energía directamente sobre el lecho tumoral, accesible durante la cirugía, evitando radiar los tejidos sanos. Hoy en día, avances como los sistemas de planificación (TPS) y la aparición de aceleradores lineales móviles permiten optimizar el procedimiento, minimizar el estrés clínico en el entorno quirúrgico y evitar el desplazamiento del paciente durante la cirugía a otra sala para ser radiado. La aplicación de la radiación se realiza mediante un colimador del haz de radiación (aplicador) que se coloca sobre el lecho tumoral de forma manual por el oncólogo radioterápico. Sin embargo, para asegurar una correcta deposición de la dosis prescrita y planificada en el TPS, es necesaria una adecuada validación de la colocación del colimador. En esta Tesis se abordan tres limitaciones conocidas del procedimiento RIO: el correcto posicionamiento del aplicador sobre el lecho tumoral, acoplamiento del acelerador lineal con el aplicador y validación de la dosis de radiación prescrita. Esta Tesis demuestra que estas limitaciones pueden ser abordadas mediante el posicionamiento del aplicador de radiación en relación con la anatomía del paciente. El objetivo principal de este trabajo es la evaluación de alternativas tecnológicas y procedimentales para la mejora de la práctica de la RIO y resolver los problemas de incertidumbre descritos anteriormente. Concretamente se revisan en el contexto de la radioterapia intraoperatoria los siguientes temas: el registro de la imagen y el paciente, sistemas de posicionamiento multicámara, técnicas de imagen multimodal y el acoplamiento del acelerador lineal móvil. El entorno complejo y multidisciplinar de la RIO precisa de necesidades especiales para el empleo de sistemas de posicionamiento como una alta precisión y un volumen de trabajo grande y propenso a las oclusiones de los sensores de posición. La primera parte de esta Tesis presenta una exhaustiva evaluación de un sistema de posicionamiento óptico multicámara comercial. Estudiamos la precisión del sistema, su sensibilidad a errores cometidos en la calibración, robustez frente a posibles oclusiones de las cámaras y precisión en el seguimiento de herramientas en un entorno quirúrgico real. Además, proponemos un protocolo para la detección automática de errores por calibración que satisface los requisitos de automaticidad y velocidad para la RIO demostrando la viabilidad del empleo de este sistema para la navegación en RIO. Uno de los problemas principales de la cirugía guiada por imagen es el correcto registro de la imagen médica y la anatomía del paciente en el quirófano. En el caso de la RIO, donde el número de posibles localizaciones anatómicas es bastante amplio, así como el campo de trabajo es grande se hace necesario abordar este problema para una correcta navegación. Por ello, en la segunda parte de esta Tesis, proponemos y validamos un nuevo algoritmo de registro (LBR) para la cirugía guiada por imagen basado en marcadores lineales. El método propuesto reduce el tiempo de la adquisición de la posición de los marcadores durante la cirugía y supera en precisión a otros algoritmos de registro establecidos y estudiados en la literatura. En la tercera parte de esta tesis, integramos un transductor de ultrasonido comercial de bajo coste, un arco en C de rayos X con haz cónico y un sistema de posicionamiento óptico para intervenciones guiadas por imagen que permite la navegación quirúrgica y exploramos técnicas de registro de imagen para ambas modalidades. En la cuarta parte de esta tesis se evalúa un navegador basado en el sistema de posicionamiento óptico para el acoplamiento del acelerador lineal móvil con aplicador de radiación, mejorando la seguridad y reduciendo el tiempo del propio acoplamiento. El sistema es capaz de localizar el colimador en el espacio y proporcionar los movimientos que el acelerador lineal debe realizar para alcanzar la posición de acoplamiento. El sistema propuesto es capaz de advertir al usuario de aquellos casos donde la posición de acoplamiento sea inalcanzable. El sistema propuesto de ayuda para el acoplamiento se integró en una aplicación software que fue evaluada para su uso final en quirófano demostrando su viabilidad y la reducción de tiempo de acoplamiento mediante su uso. Por último, presentamos y evaluamos la instalación de un sistema de navegación en un quirófano RIO dedicado, determinamos las necesidades desde el punto de vista procedimental, identificamos las limitaciones en el flujo de trabajo y evaluamos la viabilidad de la integración del sistema en un entorno quirúrgico real. El sistema propuesto demuestra ser apto para el entorno RIO manteniendo las condiciones de esterilidad y dejando despejado el campo quirúrgico además de ser adaptable a cualquier quirófano similar.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Raúl San José Estépar.- Secretario: María Arrate Muñoz Barrutia.- Vocal: Carlos Ferrer Albiac

Recalage déformable à base de graphes : mise en correspondance coupe-vers-volume et méthodes contextuelles

Image registration methods, which aim at aligning two or more images into one coordinate system, are among the oldest and most widely used algorithms in computer vision. Registration methods serve to establish correspondence relationships among images (captured at different times, from different sensors or from different viewpoints) which are not obvious for the human eye. A particular type of registration algorithm, known as graph-based deformable registration methods, has become popular during the last decade given its robustness, scalability, efficiency and theoretical simplicity. The range of problems to which it can be adapted is particularly broad. In this thesis, we propose several extensions to the graph-based deformable registration theory, by exploring new application scenarios and developing novel methodological contributions.Our first contribution is an extension of the graph-based deformable registration framework, dealing with the challenging slice-to-volume registration problem. Slice-to-volume registration aims at registering a 2D image within a 3D volume, i.e. we seek a mapping function which optimally maps a tomographic slice to the 3D coordinate space of a given volume. We introduce a scalable, modular and flexible formulation accommodating low-rank and high order terms, which simultaneously selects the plane and estimates the in-plane deformation through a single shot optimization approach. The proposed framework is instantiated into different variants based on different graph topology, label space definition and energy construction. Simulated and real-data in the context of ultrasound and magnetic resonance registration (where both framework instantiations as well as different optimization strategies are considered) demonstrate the potentials of our method.The other two contributions included in this thesis are related to how semantic information can be encompassed within the registration process (independently of the dimensionality of the images). Currently, most of the methods rely on a single metric function explaining the similarity between the source and target images. We argue that incorporating semantic information to guide the registration process will further improve the accuracy of the results, particularly in the presence of semantic labels making the registration a domain specific problem.We consider a first scenario where we are given a classifier inferring probability maps for different anatomical structures in the input images. Our method seeks to simultaneously register and segment a set of input images, incorporating this information within the energy formulation. The main idea is to use these estimated maps of semantic labels (provided by an arbitrary classifier) as a surrogate for unlabeled data, and combine them with population deformable registration to improve both alignment and segmentation.Our last contribution also aims at incorporating semantic information to the registration process, but in a different scenario. In this case, instead of supposing that we have pre-trained arbitrary classifiers at our disposal, we are given a set of accurate ground truth annotations for a variety of anatomical structures. We present a methodological contribution that aims at learning context specific matching criteria as an aggregation of standard similarity measures from the aforementioned annotated data, using an adapted version of the latent structured support vector machine (LSSVM) framework.Les méthodes de recalage d’images, qui ont pour but l’alignement de deux ou plusieurs images dans un même système de coordonnées, sont parmi les algorithmes les plus anciens et les plus utilisés en vision par ordinateur. Les méthodes de recalage servent à établir des correspondances entre des images (prises à des moments différents, par différents senseurs ou avec différentes perspectives), lesquelles ne sont pas évidentes pour l’œil humain. Un type particulier d’algorithme de recalage, connu comme « les méthodes de recalage déformables à l’aide de modèles graphiques » est devenu de plus en plus populaire ces dernières années, grâce à sa robustesse, sa scalabilité, son efficacité et sa simplicité théorique. La gamme des problèmes auxquels ce type d’algorithme peut être adapté est particulièrement vaste. Dans ce travail de thèse, nous proposons plusieurs extensions à la théorie de recalage déformable à l’aide de modèles graphiques, en explorant de nouvelles applications et en développant des contributions méthodologiques originales.Notre première contribution est une extension du cadre du recalage à l’aide de graphes, en abordant le problème très complexe du recalage d’une tranche avec un volume. Le recalage d’une tranche avec un volume est le recalage 2D dans un volume 3D, comme par exemple le mapping d’une tranche tomographique dans un système de coordonnées 3D d’un volume en particulier. Nos avons proposé une formulation scalable, modulaire et flexible pour accommoder des termes d'ordre élevé et de rang bas, qui peut sélectionner le plan et estimer la déformation dans le plan de manière simultanée par une seule approche d'optimisation. Le cadre proposé est instancié en différentes variantes, basés sur différentes topologies du graph, définitions de l'espace des étiquettes et constructions de l'énergie. Le potentiel de notre méthode a été démontré sur des données réelles ainsi que des données simulées dans le cadre d’une résonance magnétique d’ultrason (où le cadre d’installation et les stratégies d’optimisation ont été considérés).Les deux autres contributions inclues dans ce travail de thèse, sont liées au problème de l’intégration de l’information sémantique dans la procédure de recalage (indépendamment de la dimensionnalité des images). Actuellement, la plupart des méthodes comprennent une seule fonction métrique pour expliquer la similarité entre l’image source et l’image cible. Nous soutenons que l'intégration des informations sémantiques pour guider la procédure de recalage pourra encore améliorer la précision des résultats, en particulier en présence d'étiquettes sémantiques faisant du recalage un problème spécifique adapté à chaque domaine.Nous considérons un premier scénario en proposant un classificateur pour inférer des cartes de probabilité pour les différentes structures anatomiques dans les images d'entrée. Notre méthode vise à recaler et segmenter un ensemble d'images d'entrée simultanément, en intégrant cette information dans la formulation de l'énergie. L'idée principale est d'utiliser ces cartes estimées des étiquettes sémantiques (fournie par un classificateur arbitraire) comme un substitut pour les données non-étiquettées, et les combiner avec le recalage déformable pour améliorer l'alignement ainsi que la segmentation.Notre dernière contribution vise également à intégrer l'information sémantique pour la procédure de recalage, mais dans un scénario différent. Dans ce cas, au lieu de supposer que nous avons des classificateurs arbitraires pré-entraînés à notre disposition, nous considérons un ensemble d’annotations précis (vérité terrain) pour une variété de structures anatomiques. Nous présentons une contribution méthodologique qui vise à l'apprentissage des critères correspondants au contexte spécifique comme une agrégation des mesures de similarité standard à partir des données annotées, en utilisant une adaptation de l’algorithme « Latent Structured Support Vector Machine »