RT Dissertation/Thesis
T1 Advanced tracking and image registration techniques for intraoperative radiation therapy
A1 Marinetto Carrillo, Eugenio Daniel
AB Intraoperative electron radiation therapy (IOERT) is a technique used todeliver radiation to the surgically opened tumor bed without irradiating healthytissue. Treatment planning systems and mobile linear accelerators enableclinicians 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 validationmethodology to ensure correct delivery of the dose prescribed in the treatmentplanning system. In this dissertation, we address three well-known limitations ofIOERT: applicator positioning over the tumor bed, docking of the mobile linearaccelerator gantry with the applicator and validation of the dose deliveryprescribed. This thesis demonstrates that these limitations can be overcome bypositioning the applicator appropriately with respect to the patient’s anatomy.The main objective of the study was to assess technological and proceduralalternatives for improvement of IOERT performance and resolution ofproblems of uncertainty. Image-to-world registration, multicamera opticaltrackers, multimodal imaging techniques and mobile linear accelerator dockingare addressed in the context of IOERT.IOERT is carried out by a multidisciplinary team in a highly complexenvironment that has special tracking needs owing to the characteristics of itsworking volume (i.e., large and prone to occlusions), in addition to the requisitesof accuracy. The first part of this dissertation presents the validation of acommercial multicamera optical tracker in terms of accuracy, sensitivity tomiscalibration, camera occlusions and detection of tools using a feasible surgicalsetup. It also proposes an automatic miscalibration detection protocol thatsatisfies the IOERT requirements of automaticity and speed. We show that themulticamera tracker is suitable for IOERT navigation and demonstrate thefeasibility of the miscalibration detection protocol in clinical setups.Image-to-world registration is one of the main issues during image-guidedapplications where the field of interest and/or the number of possibleanatomical localizations is large, such as IOERT. In the second part of thisdissertation, a registration algorithm for image-guided surgery based on lineshapedfiducials (line-based registration) is proposed and validated. Line-based registration decreases acquisition time during surgery and enables betterregistration accuracy than other published algorithms.In the third part of this dissertation, we integrate a commercial low-costultrasound transducer and a cone beam CT C-arm with an optical tracker forimage-guided interventions to enable surgical navigation and explore image basedregistration techniques for both modalities.In the fourth part of the dissertation, a navigation system based on opticaltracking for the docking of the mobile linear accelerator to the radiationapplicator is assessed. This system improves safety and reduces procedure time.The system tracks the prescribed collimator location to solve the movementsthat the linear accelerator should perform to reach the docking position andwarns the user about potentially unachievable arrangements before the actualprocedure. A software application was implemented to use this system in theOR, where it was also evaluated to assess the improvement in docking speed.Finally, in the last part of the dissertation, we present and assess theinstallation setup for a navigation system in a dedicated IOERT OR, determinethe steps necessary for the IOERT process, identify workflow limitations andevaluate the feasibility of the integration of the system in a real OR. Thenavigation system safeguards the sterile conditions of the OR, clears the spaceavailable for surgeons and is suitable for any similar dedicated IOERT OR.
AB La Radioterapia Intraoperatoria por electrones (RIO) consiste en laaplicación de radiación de alta energía directamente sobre el lecho tumoral,accesible durante la cirugía, evitando radiar los tejidos sanos. Hoy en día, avancescomo los sistemas de planificación (TPS) y la aparición de aceleradores linealesmóviles permiten optimizar el procedimiento, minimizar el estrés clínico en elentorno quirúrgico y evitar el desplazamiento del paciente durante la cirugía aotra sala para ser radiado. La aplicación de la radiación se realiza mediante uncolimador del haz de radiación (aplicador) que se coloca sobre el lecho tumoralde forma manual por el oncólogo radioterápico. Sin embargo, para asegurar unacorrecta deposición de la dosis prescrita y planificada en el TPS, es necesaria unaadecuada validación de la colocación del colimador. En esta Tesis se abordantres limitaciones conocidas del procedimiento RIO: el correcto posicionamientodel aplicador sobre el lecho tumoral, acoplamiento del acelerador lineal con elaplicador y validación de la dosis de radiación prescrita. Esta Tesis demuestraque estas limitaciones pueden ser abordadas mediante el posicionamiento delaplicador de radiación en relación con la anatomía del paciente.El objetivo principal de este trabajo es la evaluación de alternativastecnológicas y procedimentales para la mejora de la práctica de la RIO y resolverlos problemas de incertidumbre descritos anteriormente. Concretamente serevisan en el contexto de la radioterapia intraoperatoria los siguientes temas: elregistro 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 necesidadesespeciales para el empleo de sistemas de posicionamiento como una altaprecisión y un volumen de trabajo grande y propenso a las oclusiones de lossensores de posición. La primera parte de esta Tesis presenta una exhaustivaevaluación de un sistema de posicionamiento óptico multicámara comercial.Estudiamos la precisión del sistema, su sensibilidad a errores cometidos en lacalibración, robustez frente a posibles oclusiones de las cámaras y precisión enel 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 RIOdemostrando la viabilidad del empleo de este sistema para la navegación en RIO.Uno de los problemas principales de la cirugía guiada por imagen es elcorrecto 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 esbastante amplio, así como el campo de trabajo es grande se hace necesarioabordar este problema para una correcta navegación. Por ello, en la segundaparte de esta Tesis, proponemos y validamos un nuevo algoritmo de registro(LBR) para la cirugía guiada por imagen basado en marcadores lineales. Elmétodo propuesto reduce el tiempo de la adquisición de la posición de losmarcadores durante la cirugía y supera en precisión a otros algoritmos de registroestablecidos y estudiados en la literatura.En la tercera parte de esta tesis, integramos un transductor de ultrasonidocomercial de bajo coste, un arco en C de rayos X con haz cónico y un sistemade posicionamiento óptico para intervenciones guiadas por imagen que permitela navegación quirúrgica y exploramos técnicas de registro de imagen para ambasmodalidades.En la cuarta parte de esta tesis se evalúa un navegador basado en el sistemade posicionamiento óptico para el acoplamiento del acelerador lineal móvil conaplicador de radiación, mejorando la seguridad y reduciendo el tiempo del propioacoplamiento. El sistema es capaz de localizar el colimador en el espacio yproporcionar los movimientos que el acelerador lineal debe realizar para alcanzarla posición de acoplamiento. El sistema propuesto es capaz de advertir al usuariode aquellos casos donde la posición de acoplamiento sea inalcanzable. El sistemapropuesto de ayuda para el acoplamiento se integró en una aplicación softwareque fue evaluada para su uso final en quirófano demostrando su viabilidad y lareducción de tiempo de acoplamiento mediante su uso.Por último, presentamos y evaluamos la instalación de un sistema denavegación en un quirófano RIO dedicado, determinamos las necesidades desdeel punto de vista procedimental, identificamos las limitaciones en el flujo detrabajo y evaluamos la viabilidad de la integración del sistema en un entornoquirúrgico real. El sistema propuesto demuestra ser apto para el entorno RIOmanteniendo las condiciones de esterilidad y dejando despejado el campoquirúrgico además de ser adaptable a cualquier quirófano similar.
YR 2017
FD 2017-05-12
LK https://hdl.handle.net/10016/25140
UL https://hdl.handle.net/10016/25140
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
DS e-Archivo
RD 1 sept. 2024