Mejoras en el procesamiento de imágenes de TC para el tratamiento con radioterapia adaptativa del cáncer de próstata

El cáncer de próstata es el tipo de cáncer con mayor prevalencia entre los hombres del mundo occidental y, pese a tener una alta tasa de supervivencia relativa, es la segunda mayor causa de muerte por cáncer en este sector de la población. El tratamiento de elección frente al cáncer de próstata es, en la mayoría de los casos, la radioterapia externa. Las técnicas más modernas de radioterapia externa, como la radioterapia modulada en intensidad, permiten incrementar la dosis en el tumor mientras se reduce la dosis en el tejido sano. Sin embargo, la localización del volumen objetivo varía con el día de tratamiento, y se requieren movimientos muy pequeños de los órganos para sacar partes del volumen objetivo fuera de la región terapéutica, o para introducir tejidos sanos críticos dentro. Para evitar esto se han desarrollado técnicas más avanzadas, como la radioterapia guiada por imagen, que se define por un manejo más preciso de los movimientos internos mediante una adaptación de la planificación del tratamiento basada en la información anatómica obtenida de imágenes de tomografía computarizada (TC) previas a la sesión terapéutica. Además, la radioterapia adaptativa añade la información dosimétrica de las fracciones previas a la información anatómica. Uno de los fundamentos de la radioterapia adaptativa es el registro deformable de imágenes, de gran utilidad a la hora de modelar los desplazamientos y deformaciones de los órganos internos. Sin embargo, su utilización conlleva nuevos retos científico-tecnológicos en el procesamiento de imágenes, principalmente asociados a la variabilidad de los órganos, tanto en localización como en apariencia. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar los procesos clínicos de delineación automática de contornos y de cálculo de dosis acumulada para la planificación y monitorización de tratamientos con radioterapia adaptativa, a partir de nuevos métodos de procesamiento de imágenes de TC (1) en presencia de contrastes variables, y (2) cambios de apariencia del recto. Además, se pretende (3) proveer de herramientas para la evaluación de la calidad de los contornos obtenidos en el caso del gross tumor volumen (GTV). Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son las siguientes: _ 1. La adaptación, implementación y evaluación de un algoritmo de registro basado en el flujo óptico de la fase de la imagen como herramienta para el cálculo de transformaciones no-rígidas en presencia de cambios de intensidad, y su aplicabilidad a tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata con uso de agentes de contraste radiológico. Los resultados demuestran que el algoritmo seleccionado presenta mejores resultados cualitativos en presencia de contraste radiológico en la vejiga, y no distorsiona la imagen forzando deformaciones poco realistas. 2. La definición, desarrollo y validación de un nuevo método de enmascaramiento de los contenidos del recto (MER), y la evaluación de su influencia en el procedimiento de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Las segmentaciones obtenidas mediante el MER para la creación de máscaras homogéneas en las imágenes de sesión permiten mejorar sensiblemente los resultados de los algoritmos de registro en la región rectal. Así, el uso de la metodología propuesta incrementa el índice de volumen solapado entre los contornos manuales y automáticos del recto hasta un valor del 89%, cercano a los resultados obtenidos usando máscaras manuales para el registro de las dos imágenes. De esta manera se pueden corregir tanto el cálculo de los nuevos contornos como el cálculo de la dosis acumulada. 3. La definición de una metodología de evaluación de la calidad de los contornos del GTV, que permite la representación de la distribución espacial del error, adaptándola a volúmenes no-convexos como el formado por la próstata y las vesículas seminales. Dicha metodología de evaluación, basada en un nuevo algoritmo de reconstrucción tridimensional y una nueva métrica de cuantificación, presenta resultados precisos con una gran resolución espacial en un tiempo despreciable frente al tiempo de registro. Esta nueva metodología puede ser una herramienta útil para la comparación de distintos algoritmos de registro deformable orientados a la radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como cimiento de futuros avances en el procesamiento de imagen médica en los tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Asimismo, se siguen abriendo nuevas líneas de aplicación futura de métodos de procesamiento de imágenes médicas con el fin de mejorar los procesos de radioterapia adaptativa en presencia de cambios de apariencia de los órganos, e incrementar la seguridad del paciente. I.2 Inglés Prostate cancer is the most prevalent cancer amongst men in the Western world and, despite having a relatively high survival rate, is the second leading cause of cancer death in this sector of the population. The treatment of choice against prostate cancer is, in most cases, external beam radiation therapy. The most modern techniques of external radiotherapy, as intensity modulated radiotherapy, allow increasing the dose to the tumor whilst reducing the dose to healthy tissue. However, the location of the target volume varies with the day of treatment, and very small movements of the organs are required to pull out parts of the target volume outside the therapeutic region, or to introduce critical healthy tissues inside. Advanced techniques, such as the image-guided radiotherapy (IGRT), have been developed to avoid this. IGRT is defined by more precise handling of internal movements by adapting treatment planning based on the anatomical information obtained from computed tomography (CT) images prior to the therapy session. Moreover, the adaptive radiotherapy adds dosimetric information of previous fractions to the anatomical information. One of the fundamentals of adaptive radiotherapy is deformable image registration, very useful when modeling the displacements and deformations of the internal organs. However, its use brings new scientific and technological challenges in image processing, mainly associated to the variability of the organs, both in location and appearance. The aim of this thesis is to improve clinical processes of automatic contour delineation and cumulative dose calculation for planning and monitoring of adaptive radiotherapy treatments, based on new methods of CT image processing (1) in the presence of varying contrasts, and (2) rectum appearance changes. It also aims (3) to provide tools for assessing the quality of contours obtained in the case of gross tumor volume (GTV). The main contributions of this PhD thesis are as follows: 1. The adaptation, implementation and evaluation of a registration algorithm based on the optical flow of the image phase as a tool for the calculation of non-rigid transformations in the presence of intensity changes, and its applicability to adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer with use of radiological contrast agents. The results demonstrate that the selected algorithm shows better qualitative results in the presence of radiological contrast agents in the urinary bladder, and does not distort the image forcing unrealistic deformations. 2. The definition, development and validation of a new method for masking the contents of the rectum (MER, Spanish acronym), and assessing their impact on the process of adaptive radiotherapy in prostate cancer. The segmentations obtained by the MER for the creation of homogenous masks in the session CT images can improve significantly the results of registration algorithms in the rectal region. Thus, the use of the proposed methodology increases the volume overlap index between manual and automatic contours of the rectum to a value of 89%, close to the results obtained using manual masks for both images. In this way, both the calculation of new contours and the calculation of the accumulated dose can be corrected. 3. The definition of a methodology for assessing the quality of the contours of the GTV, which allows the representation of the spatial distribution of the error, adapting it to non-convex volumes such as that formed by the prostate and seminal vesicles. Said evaluation methodology, based on a new three-dimensional reconstruction algorithm and a new quantification metric, presents accurate results with high spatial resolution in a time negligible compared to the registration time. This new approach may be a useful tool to compare different deformable registration algorithms oriented to adaptive radiotherapy in prostate cancer In conclusion, this PhD thesis corroborates the postulated research hypotheses, and is intended to serve as a foundation for future advances in medical image processing in adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer. In addition, it opens new future applications for medical image processing methods aimed at improving the adaptive radiotherapy processes in the presence of organ’s appearance changes, and increase the patient safety

Segmentación automática de aneurismas aórticos abdominales a partir de imágenes de resonancia magnética basada en modelos activos de forma y modelos de textura

Se presenta un algoritmo semiautomático de segmentación de aneurismas aórticos abdominales (AAA) basado en modelos activos de forma (ASM) y modelos de textura. La información de textura viene dada por un conjunto de cuatro imágenes 3D de resonancia magnética (RM) compuestas por cortes axiales de la zona abdominal. En estas imágenes son visibles la luz aórtica, la pared aórtica y el trombo intraluminal (ILT). Dado el tamaño limitado del conjunto de imágenes de RM, se han implementado un ASM que capture las características específicas del conjunto de entrenamiento compuesto por 35 imágenes de tomografía axial computarizada (CTA), de modo que la variación de forma pueda ser adecuadamente caracterizada. La textura se caracteriza a partir de las imágenes de RM. Para la evaluación del algoritmo se ha llevado a cabo una validación cruzada dejando uno fuera sobre el conjunto de imágenes de RM

Automatic segmentation of abdominal aortic aneurysm from medical images based on active shape models and texture models

A semi-automatic segmentation algorithm for abdominal aortic aneurysms (AAA), and based on Active Shape Models (ASM) and texture models, is presented in this work. The texture information is provided by a set of four 3D magnetic resonance (MR) images, composed of axial slices of the abdomen, where lumen, wall and intraluminal thrombus (ILT) are visible. Due to the reduced number of images in the MRI training set, an ASM and a custom texture model based on border intensity statistics are constructed. For the same reason the shape is characterized from 35-computed tomography angiography (CTA) images set so the shape variations are better represented. For the evaluation, leave-one-out experiments have been held over the four MRI set

A new geometrical method for 3D evaluation of non-rigid registration methods for radiotherapy in prostate cancer

Three-dimensional conformal radiotherapy aims at delivering a high dose of radiation to the tumour, while sparing the surrounding normal tissue to a maximum extent. Image registration is an essential tool for monitoring radiation therapies, since allows morphological comparisons in presence of anatomic variations. The evaluation of non-rigid registration methods is very complicated owe to the absence of a known pointwise correspondence. The use of analysis of variations in target volume delineations has been proposed in the past for the evaluation of non-rigid registration methods. Delineation of the target volume is usually accomplished by outlining the contour of the volume in each separate tomographic slice. In the studies of reference, the 3D surface is rendered from the contours by means of a Delauney triangulation. This geometrical method only works correctly for convex structures. However the volumes involved on pelvic anatomy, such as bladder or prostate including the seminal vesicles, have relevant concavities that introduce a huge error in the evaluation. A new geometrical method for the evaluation of convex-concave target volumes delineation is proposed

Segmentación de la Luz Aórtica en Imágenes de Resonancia Magnética para Guiado de Catéteres Aórticos

Los procedimientos de cateterismo se han convertido en una herramienta fundamental para las intervenciones cardiovasculares. El proyecto SCATh pretende facilitar el guiado del catéter a partir de un modelo preoperatorio del paciente basado en imágenes 3D, para lo que se requiere la segmentación de la luz y la pared aórtica. Aunque la mayoría de los centros hacen uso de CTA, está estudiándose el uso de imágenes de RM para este fin, puesto que puede permitir la segmentación de la luz y la pared aórtica sin el uso de agentes de contraste nefrotóxicos. Se ha implementado un método de segmentación de la luz de la aorta en imágenes de RM sin agentes de contraste basado en el uso de un algoritmo de realzado de estructuras vasculare

Extracción Automática de la Línea Central de Estructuras Tubulares: Implementación Matricial

Se propone una nueva implementación matricial de un algoritmo para la extracción automática de la línea central de estructuras tubulares. El algoritmo seleccionado calcula la línea central de estructuras complejas sin la necesidad de interacción con el usuario. En el trabajo se explica detalladamente cómo llevar a cabo la implementación matricial utilizando el lenguaje de computación de Matlab. La implementación matricial permite el cálculo de la línea central en pocos segundos, mejorando en varios grados de magnitud la implementación disponible en ITK

Estación de trabajo para registro 3D y fusión de imágenes para la planificación de radioterapia

Este trabajo presenta una estación de trabajo para registro tridimensional y fusión de imágenes orientada a la ayuda en la planificación y monitorización de terapias de radiación externa. El concepto de radioterapia adaptativa propone la realización de una planificación del tratamiento en cada una de las sesiones a las que acude el paciente, lo que supondría un decremento importante en la radiación que afecta a los tejidos sanos circundantes al tumor y por tanto, una mejora significativa en la evolución de estos pacientes. Para reducir el tiempo que conlleva la delineación manual de los volúmenes de interés en la realización de una nueva planificación en cada sesión, la herramienta en la que se debe basar la radioterapia adaptativa es el registro tridimensional deformable de estudios CT para radioterapia. El prototipo que se presenta en este artículo permite el registro de imágenes DICOM mediante algoritmos no rígidos, su visualización, la comparación cualitativa de los resultados mediante fusión de imágenes, selección de regiones de interés en las imágenes y el almacenamiento de resultados en formato DICOM, visualizables por cualquier otro lector. El empleo de esta estación de trabajo, en combinación con algoritmos de reconstrucción tridimensional y segmentación automática desarrollados dentro del grupo, supone una gran ayuda en los procesos previos de la planificación radioterápica

Quantitative evaluation of patient-specific conforming hexahedral meshes of abdominal aortic aneurysms and intraluminal thrombus generated from MRI

A novel method for generating patient-specific high quality conforming hexahedral meshes is presented. The meshes are directly obtained from the segmentation of patient magnetic resonance (MR) images of abdominal aortic aneu-rysms (AAA). The MRI permits distinguishing between struc-tures of interest in soft tissue. Being so, the contours of the lumen, the aortic wall and the intraluminal thrombus (ILT) are available and thus the meshes represent the actual anato-my of the patient?s aneurysm, including the layered morpholo-gies of these structures. Most AAAs are located in the lower part of the aorta and the upper section of the iliac arteries, where the inherent tortuosity of the anatomy and the presence of the ILT makes the generation of high-quality elements at the bifurcation is a challenging task. In this work we propose a novel approach for building quadrilateral meshes for each surface of the sectioned geometry, and generating conforming hexahedral meshes by combining the quadrilateral meshes. Conforming hexahedral meshes are created for the wall and the ILT. The resulting elements are evaluated on four patients? datasets using the Scaled Jacobian metric. Hexahedral meshes of 25,000 elements with 94.8% of elements well-suited for FE analysis are generated

A method for incorporating residual stresses into patient-specific finite element simulations of arteries with an example on AAAs

Through progress in medical imaging, image analysis and finite element (FE) meshing tools it is now possible to extract patient-specific geometries from medical images of abdominal aortic aneurysms(AAAs), and thus to study clinically-relevant problems via FE simulations. Such simulations allow additional insight into human physiology in both healthy and diseased states. Medical imaging is most often performed in vivo, and hence the reconstructed model geometry in the problem of interest will represent the in vivo state, e.g., the AAA at physiological blood pressure. However, classical continuum mechanics and FE methods assume that constitutive models and the corresponding simulations begin from an unloaded, stress-free reference condition

A new method for quantitative evaluation of target volume variations in radiotherapy planning

A new method for three-dimensional quantitative evaluation of target volume delineation is presented. It is composed by a new 3D reconstruction method called Origami, based on the combination of two bidimensional analysis of the volume of each organ instead of one 3D analysis, and a 3D description of the error distribution in the space. The Origami method avoid external errors introduced by a 3D rendering and has shown to work correctly in both convex and convex-concave volumes, accurately fitting the contours of the planning study. Its performance has been evaluated comparing it with the Convex Hull algorithm using Delaunay triangulation, resulting in a much more adjusted evaluation. Moreover, Origami computes thousands of control points in less than one second in a common PC