Recalage 2D/3D. Positionnement de patient en radiothérapie conformationnelle. David Sarrut
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- Bernadette Alain
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1 Recalage 2D/3D Positionnement de patient en radiothérapie conformationnelle David Sarrut Centre de lutte contre le cancer Léon Bérard 28 rue Laënnec, Lyon Laboratoire LIRIS, Université Lumière Lyon 2 5 Av. Pierre Mendès-France, Bron Recalage 2D/3D p.1/65
2 Léon Bérard Anti-cancer center in Lyon (France) Radiotherapy departement leaded by Doc. C. Carrie Important experience in conformal radiotherapy Important technical equipment 4 accelerators 2 multi-leaf collimators 3 EPID (2 iview and 1 iview GT) from Elekta ABC (Air Breath Control) Recalage 2D/3D p.2/65
3 Who are we? Researchers, students, physicists, physicians... Collaboration with universities Recalage 2D/3D p.3/65
4 People David Sarrut : computer science, assistant professor, full time researcher at CLB ( ) Sébastien Clippe : radiation oncologist, Phd Student Collaboration with researchers Recalage 2D/3D p.4/65
5 People 4 doctorants : Nom Encadrants Université financement Dr S. Clippe Sarrut/Miguet Lyon 1 CLB+UCB V. Boldea Sarrut/Miguet Lyon 2 CIFRE ELEKTA V. Baudet Jaillet/Shariat Lyon 1 Ligue P. Villard Beuve/Shariat Lyon 1 ETOILE 3 stagiaires S. Vienne ingénieur INSA PFE 6 mois CLB P. Blunier maitrise info. Lyon 1 3 mois LIRIS S. Vongphouthone maitrise info. Lyon 1 3 mois LIRIS Recalage 2D/3D p.5/65
6 Scientifics topics Improving therapeutic index in conformal radiotherapy by targeting optimization Computer aided patient positioning Organs and tumor motion integration Image rigid and non-rigid registration Recalage 2D/3D p.6/65
7 Introduction Cadre : radiothérapie conformationnelle Problématique : mise en correspondance d images 2D/3D Plan : 1. Un petit mot sur le radiothérapie conformationnelle 2. Recalage rigide 2D/3D 3. Génération rapide de radiographies projectives 4. Intégration des mouvements : poumon / ABC Recalage 2D/3D p.7/65
8 La radiothérapie conformationnelle Technique de traitement du cancer (avec chirurgie et chimio) ; sur nouveaux cas/an/france 2 3 aurons une irradiation But : délivrer le maximum de dose de rayons X à la tumeur... en épargnant au maximum les tissus sains environnants Recalage 2D/3D p.8/65
9 La radiothérapie conformationnelle Accélérateur Collimateur multi-lames Dosimétrie 3D (scanner) Recalage 2D/3D p.9/65
10 La radiothérapie conformationnelle Évolutions : photon(x)/électron proton (+lourd, max d energie en fin) IMRT : Intensity-Modulated Radiation Therapy Radiothérapie adaptative : optimiser le RTP à la suite de chaque séance (à l aide des IP) Hadronthérapie : ions carbones Recalage 2D/3D p.10/65
11 La radiothérapie conformationnelle Étape 1 : image 3D de référence (scanner X) Étape 2 : plan de traitement Étape 3 : positionnement sur l accélérateur Recalage 2D/3D p.11/65
12 La radiothérapie conformationnelle Étape 1 : image 3D de référence (scanner X) Étape 2 : plan de traitement Étape 3 : positionnement sur l accélérateur Recalage 2D/3D p.11/65
13 La radiothérapie conformationnelle Étape 1 : image 3D de référence (scanner X) Étape 2 : plan de traitement Étape 3 : positionnement sur l accélérateur Recalage 2D/3D p.11/65
14 La radiothérapie conformationnelle Étape 1 : image 3D de référence (scanner X) Étape 2 : plan de traitement Étape 3 : positionnement sur l accélérateur Recalage 2D/3D p.11/65
15 La radiothérapie conformationnelle Problématique : Positionnement du patient (de la tumeur) sur la table d irradiation (prévisionnel/effectif) Traitement fractionné : reproductibilité Mobilité des organes Enjeu majeur : protection locale, escalade de dose Recalage 2D/3D p.12/65
16 La radiothérapie conformationnelle Solutions actuelles : Isocentre, lasers Repères cutanés Dispositif de contention Imagerie : films, EPID Recalage 2D/3D p.13/65
17 EPID Electronic Portal Imaging Devices Images projectives 2D Réalisées sur la table de traitement Utilisant les photons X de haute énergie (5 à 20 MeV) de l accélérateur linéaire Représentent la position actuelle du patient Étymologie du mot portal = port qui désigne le champ d irradiation en anglais Recalage 2D/3D p.14/65
18 EPID Région pelvienne, vue de face et latérale. Recalage 2D/3D p.15/65
19 Scanner Recalage 2D/3D p.16/65
20 Recalage rigide 2D/3D Entre volume scanner (3D) et images portales (projections 2D) Possibilité d utiliser 2 IP (maximum) Suppose organes rigides (faux) Recalage 2D/3D p.17/65
21 IP vs DRR DRR = Digitally Reconstructed Radiographs Projection par rendu volumique Comparaison entre 2 DRR (2D) et 2 IP (2D) Recalage 2D/3D p.18/65
22 Rendu volumique Génération d une DRR = rendu volumique Recalage 2D/3D p.19/65
23 Modèle ˆT = arg min T E C(I, J T ) Recalage 2D/3D p.20/65
24 Modèle ˆT = arg min T E C(I, J T ) Transformations Recalage 2D/3D p.20/65
25 Modèle ˆT = arg min T E C(I, J T ) Transformations = rigide 3D (6 paramètres) Recalage 2D/3D p.20/65
26 Modèle ˆT = arg min T E C(I, J T ) Transformations = rigide 3D (6 paramètres) Application d une transformation Recalage 2D/3D p.20/65
27 Modèle ˆT = arg min T E C(I, J T ) Transformations = rigide 3D (6 paramètres) Application d une transformation = projection (rendu volumique) Recalage 2D/3D p.20/65
28 Modèle ˆT = arg min T E C(I, J T ) Transformations = rigide 3D (6 paramètres) Application d une transformation = projection (rendu volumique) Mesure de (di)similarité Recalage 2D/3D p.20/65
29 Modèle ˆT = arg min T E C(I, J T ) Transformations = rigide 3D (6 paramètres) Application d une transformation = projection (rendu volumique) Mesure de (di)similarité = mono/multi modal Recalage 2D/3D p.20/65
30 Modèle ˆT = arg min T E C(I, J T ) Transformations = rigide 3D (6 paramètres) Application d une transformation = projection (rendu volumique) Mesure de (di)similarité = mono/multi modal Optimisation Recalage 2D/3D p.20/65
31 Modèle ˆT = arg min T E C(I, J T ) Transformations = rigide 3D (6 paramètres) Application d une transformation = projection (rendu volumique) Mesure de (di)similarité = mono/multi modal Optimisation = classique Recalage 2D/3D p.20/65
32 Recalage rigide 2D/3D Recalage 2D/3D p.21/65
33 Difficultés Segmentation des IP réputés délicates Temps de génération d une DRR 2 secondes ; Itérations = 300 à = 2000 secondes = 1/2 heure! Quelle mesure de similarité IP/DRR? Recalage 2D/3D p.22/65
34 Génération rapide de radiographies projectives (DRR) Recalage 2D/3D p.23/65
35 Calcul préalable Calcul préalable de DRR avant le traitement Utilisation de DR précalculée lors du traitement Mais 6 dimensions : 10 points par dimensions = 10 6 (un million) d images! impossible... Recalage 2D/3D p.24/65
36 Calcul préalable Calcul préalable de DRR rotation hors-plan 1. Trouver la plus proche déjà calculée 2. La déformer en 2D Recalage 2D/3D p.25/65
37 Calcul préalable Calcul préalable de DRR rotation hors-plan Recalage 2D/3D p.26/65
38 Calcul préalable Calcul préalable de DRR rotation hors-plan Recalage 2D/3D p.27/65
39 Calcul préalable Calcul préalable de DRR rotation hors-plan Recalage 2D/3D p.28/65
40 Approximation Approximation 2D : trouver l image de l ensemble la plus proche (2 paramètres de rotations hors-plan) Trouver la rotation dans le plan Trouver les translations dans le plan Redresser l image, rectification Recalage 2D/3D p.29/65
41 Transformation 2D Une (matrice de) projection P = A[G d] A = paramètre intrinsèque fκ u 0 u 0 A = 0 fκ v v f est la focale, (κ u, κ v ) la taille des pixels, (u 0, v 0 ) le point principal [G d] est une matrice 3 4 de transfo rigide Le centre optique est c = G 1 A 1 d. Recalage 2D/3D p.30/65
42 Transformation 2D c 0 P 0 isocenter (tumor) Recalage 2D/3D p.31/65
43 Transformation 2D c 1 c 0 isocenter (tumor) P 0 P 1 Recalage 2D/3D p.32/65
44 Transformation 2D c 1 = c 2 R c 0 isocenter (tumor) P 0 P 1 P 2 P 3 F Recalage 2D/3D p.33/65
45 Transformation 2D c 3 c 1 = c 2 R c 0 isocenter (tumor) P 0 P 1 P 2 P 3 F K Recalage 2D/3D p.34/65
46 Transformation 2D c 3 c 1 = c 2 R c 0 isocenter (tumor) P 0 P 1 H P 2 P 3 F K Recalage 2D/3D p.35/65
47 Projections Projection initiale : P 0 = A[G d][id s] = A[G d Gs] c 0 = G 1 d + s Projection objectif : P 1 = P 0 [T T s + s + t] P 1 = A [GT d GT s + Gt] c 1 = T 1 G 1 d + T 1 s T 1 t Recalage 2D/3D p.36/65
48 Projections intermédiaires Pour passer de P 1 à P 2 Corrective rotation P 2 = A [R 0] [GT d GT s + Gt] c 2 = c 1 Rectification matrix F = (AGT ) 1 (ARGT ) 1 Thus, we have: P 1 = F P 2. Recalage 2D/3D p.37/65
49 Projections intermédiaires Pour passer de P 2 à P 3 P 3 = A[RGT RGT (c 3 )] P 3 = A[RGT RGT QG 1 d RGT s] Scaling matrix K = S κ l + l S κ = [ ] κ 0 0 κ κ = c b s c a s (-4) Thus, we have: KP 3 P 2 Recalage 2D/3D p.38/65
50 Projections intermédiaires Pour passer de P 3 à P h In-plane/out-of-plane rotation decomposition (quaternions)... too much equations... out-of-plane = P h in-plane = C Thus, we have: P 3 = C P h Recalage 2D/3D p.39/65
51 Projections P 2 is build from P 1 by an in-plane rectification matrix F : P 1 = F P 2 P 3 is build from P 2 by an in-plane scaling matrix K : P 2 KP 3 P h is build from P 3 by the decomposition : P 3 = C P h Thus : P 1 F KI P h = LP h (-5) Recalage 2D/3D p.40/65
52 Précision La seule approximation concerne le passage de P 2 à P 3 par la matrice de changement d échelle K Toutes les autres décompositions matricielles sont exactes. Série de 6 tests pour vérifier nos hypothèses... Recalage 2D/3D p.41/65
53 Test random rigid transformations U i, with translations lower than 20mm and rotation lower than 6 initial RMS errors between 10mm and 30mm (observed displacements) compare P 0 U i and LP h with the RMS error The mean RMS error is 0.04 mm. Recalage 2D/3D p.42/65
54 Test 2 Error due to the scaling matrix 1000 other random rigid transformations U i, with translations lower than 100mm We measure RMS error according to the scaling factor κ. Recalage 2D/3D p.43/65
55 Test 2 Scaling ratio according to RMS error 0.45 Scale versus RMS RMS (in mm) Scaling (ratio) Recalage 2D/3D p.44/65
56 Test 3 Compares volume-rendering computed DRR with the corresponding approximated DRR CT scan of a pelvis (52 5 mm-thick, mm 2 ) 1000 reference DRR (with 1000 random U i ) We generate approximated DRR No sampling here Mean intensity absolute difference and maximum intensity difference between pixels Nearest neighbors and bilinear interpolations. Recalage 2D/3D p.45/65
57 Test 3 MIAD Max Linear interpolation Nearest neighbors Recalage 2D/3D p.46/65
58 Test 4 Sampling step of the precomputed set of DRR Out-of-plane rotations sampling : from 0 to 3 every 0.25 (for both out-of-plane angles). Recalage 2D/3D p.47/65
59 Test 4 Each point = mean RMS error of 1000 random transformations 1.8 mean RMS for 1000 random transformation RMS error (in mm) Recalage 2D/3D p.48/65
60 Test 5 Optimization (DRR instead of PI) 100 random rigid transformations U i, two DRR : front and lateral view The starting point is vector null, The similarity measure is correlation ratio, The interpolation is nearest neighborhood, The sampling step is 1, This set contains (for each view) 225 DRR (from 7 to 7 ) For each run, RMS error is computed Recalage 2D/3D p.49/65
61 Tests 5 Results : 6% RMS > 3 mm 94% RMS < 1.8mm, 89% RMS < 1mm 56% RMS < 0.5mm median is 0.45mm Recalage 2D/3D p.50/65
62 Mesure de similarité Recalage 2D/3D p.51/65
63 Test 6 Compares several similarity measures PI = acquired with the iview GT (asi) from Elekta. Irradiation field is mm ( pixels). U ref = manual We simulate 30 known patient displacements Random starting point Nearest neighborhood interpolation S MI, S P I, S CC and S CR Recalage 2D/3D p.52/65
64 Test 6 Recalage 2D/3D p.53/65
65 Test 6 Measure Mean Median #F #I Iter. T S CC S MI S CR S P I Recalage 2D/3D p.54/65
66 Conclusion Précision espérée : < 2 mm Temps de génération d une DRR : 20 milli-sec. Nombre d itération : autour de 500/700 Temps total de la procédure : 30 sec. Recalage 2D/3D p.55/65
67 Intégration du mouvement (projet) Recalage 2D/3D p.56/65
68 Second part Organs and tumor motion integration First region of interest : lung (thorax) Goal is : synchronize irradiation with lung motion Recalage 2D/3D p.57/65
69 Second part First step : ABC (Air Breath Control) Patient immobilization (breath holding) Recalage 2D/3D p.58/65
70 ABC Recalage 2D/3D p.59/65
71 ABC Recalage 2D/3D p.60/65
72 ABC Recalage 2D/3D p.61/65
73 ABC Several CT scan 1 without ABC (reference) 3 with ABC : 2 with ±0.2 litre (normal breathing), 1 with 80% of total breathing capacity Recalage 2D/3D p.62/65
74 Scanner Recalage 2D/3D p.63/65
75 Non-rigid registration Estimate 3D lung deformation field Recalage 2D/3D p.64/65
76 Conclusion Computer aided patient positionning 2D/3D rigid images registration (short term) 3D/3D non rigid image registration Irradiation synchronization (long term) Recalage 2D/3D p.65/65
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