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
