Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/20395
Título: Calibration of MR-images for accurate dose calculations
Autor: Guerreiro, Filipa Borges Ferreira
Orientador: Oelfke, Uwe
Peralta, Luís Filipe dos Santos Garcia,1961-
Palavras-chave: Procedimento de tratamento de radioterapia baseado em RM
TC sintética
Método de atribuição de densidade
Método Atlas
MR-LINAC
Teses de mestrado - 2015
Data de Defesa: 2015
Resumo: A Radioterapia é uma especialidade médica que resulta da utilização controlada de fontes de radiação ionizantes de alta energia com o principal objetivo de danificar o maior número de células tumorais e de preservar ao máximo os órgãos de risco adjacentes ao tecido tumoral. A prática clínica de radioterapia é planeada com base em imagens de Tomografia Computorizada (TC) do paciente. A modalidade de TC é assim escolhida visto oferecer uma elevada resolução espacial e também o mapa de distribuição da densidade electrónica dos tecidos. A primeira possibilita o posicionamento adequado do paciente durante as sessões de imagiologia e posteriormente de tratamento enquanto a segunda oferece as informações necessárias para o cálculo da estimativa de dose a ser entregue ao paciente. A principal razão para a substituição da TC pela modalidade de Ressonância Magnética (RM) é que a RM oferece um elevado contraste dos tecidos moles possibilitando assim uma maior precisão na delineação do tumor. Esta oferece também uma redução da dose total dada ao paciente visto que a dose durante as sessões de imagiologia é assim evitada. Atualmente, clinicamente recorre-se ao uso de uma modalidade TC-RM, a fim de se combinar os contornos dos volumes definidos usando imagens de RM com a informação necessária para o planeamento fornecida pelas imagens de TC. No entanto, esta prática, assim como o uso individual de TC para o planeamento radioterapêutico, é também não considerada ideal. Para o seu procedimento, o registo das duas modalidades de imagem é um requisito. Erros de magnitude desconhecida resultantes do alinhamento das duas imagens propagam-se sistematicamente ao longo de todo o tratamento comprometendo a eficácia do mesmo. Um seguimento natural seria a implementação de um procedimento de radioterapia apenas baseado no uso de RM. Para o mesmo, a obtenção de informação equivalente à dada por uma TC mas através dos dados fornecidos pela RM é necessária. A esta dá-se o nome de TC sintética (sTC), que não é mais do que uma falsa imagem de TC que servirá como input para o cálculo de dose como se de uma verdadeira TC se trata-se. Também a ter em conta está a obtenção de uma sTC geometricamente precisa afim de se proceder ao posicionamento correto do paciente durante o tratamento. Nesta tese dois tipos de metodologias para a obtenção de imagens sTC foram avaliadas para pacientes com cancro na cabeça e pescoço e na próstata: A primeira foi o método de atribuição de densidade (sTCad) e a segunda foi o método atlas (sTCa). O método de atribuição de densidade é baseado na segmentação de classes de tecido às quais os valores de densidade eletrónica específicos são posteriormente atribuídos, numa tentativa de representar a distribuição heterogénea da densidade eletrónica do corpo humano. Dois tipos de sTCad foram obtidos diferindo apenas no modo de segmentação das classes. O primeiro foi derivado a partir da informação proveniente da TC (sCTad TCinfo), mantendo-se assim a geometria do paciente constante. Este foi utilizado de modo a avaliar unicamente a exactidão das estimativas das densidades eletrónicas atribuídas aos tecidos do paciente. O segundo foi obtido a partir da informação proveniente da RM (sCTad RMinfo) e assim todas as estruturas foram delineadas diretamente utilizando essa modalidade. Esta metodologia foi aplicada afim de se estudar as incertezas introduzidas no planeamento aquando a delineação realizada na RM. Visto que a delineação de classes como a estrutura óssea não pode ser efetuada automaticamente utilizando imagens de RM espera-se que este método esteja sujeito a erros introduzidos pela variabilidade inter-observador. As imagens sTCa foram obtidas através da utilização de um atlas que compreende um conjunto de imagens TC e RM alinhadas. A imagem de RM do paciente foi então interligada a todas as imagens RM-TC existentes no atlas através da utilização de medidas de semelhança imagiológica específicas e de processos de registo deformáveis de imagens. O valor de cada voxel da imagem sTCa final foi então obtido usando uma média ponderada dos valores dos voxels na mesma posição em todas as imagens TC incluídas no atlas. Doses foram então recalculadas em cada sTC usando o plano clínico inicial e ambos os métodos foram avaliados dosimetricamente e geometricamente. A avaliação dosimétrica foi realizada usando mapas da diferença de dose, análise gama e histogramas de dose-volume recorrendo ao uso dos contornos clínicos para todos os métodos. A avaliação geométrica foi realizada com intuito de comparar contornos (estrutura óssea, contorno externo do paciente e órgãos de risco) delineados usando RM (e utilizados para o método sTCad RMinfo) e sTCa comparativamente com os contornos clínicos originais delineados na TC(e utilizados para o método sTCad TCinfo). Os contornos foram comparados em termos de forma, posição e volume. A implementa_c~ao de um procedimento de tratamento de radioterapia unicamente baseado na informação proveniente de imagens RM estará intrinsecamente ligado à utilização do MRLINAC que é uma máquina que compreende um scanner de RM acoplado a um acelerador de partículas possibilitando assim a obtenção de imagens simultaneamente à ocorrência do tratamento e a entrega de radiação com milímetros de precisão. No entanto, a presença de um campo magnético durante a entrega de dose leva à ocorrência de fenómenos dosimétricos que irão alterar a distribuição de dose prevista. Este efeito é geralmente conhecido como o efeito de retorno dos eletrões. Apesar do campo magnético não afetar diretamente os raios-x emitidos pelo acelerador, este irá causar alterações na trajetória percorrida pelos eletrões secundários gerados pela interação do feixe de radiação com a matéria. Estes ao chegarem à superfície e ao interagirem com o ar irão virar para trás, descrevendo uma trajetória em forma de hélice, e irão voltar a reentrar no corpo do paciente levando a um aumento da dose dada ao mesmo. Tendo isto em conta, nesta tese a capacidade de ambos sTC serem capazes de reproduzir estes efeitos dosimétricos, tanto na superfície do paciente como também na presença de cavidades de ar no interior do mesmo, foi também estudada. O método sTCa foi o método que apresentou os resultados mais robustos em termos de semelhança dosimétrica e geométrica com os resultados clínicos oferecidos pela TC real. Ambos sTCad e sTCa mostraram ser adequados para a realização de cálculos de dose visto que diferenças significativas comparativamente com a distribuição de dose oferecida pela TC original não foram encontradas. Contudo, uma melhor precisão na cobertura da região que inclui o volume alvo foi obtida para sTCa para ambos os pacientes. De acordo com a análise geométrica, a estrutura óssea e o contorno externo definidos usando sTCa apresentaram um maior grau de semelhança em termos de forma, posição e volume com a TC real. Não foram tiradas conclusões significativas sobre os órgãos de risco, visto estes apresentarem desvios significativos na forma e no volume face aos contornos definidos na TC real. É no entanto do conhecimento comum que a delineação de estruturas de tecido mole é feita com maior precisão quando utilizando imagens de RM. Também, ambos sTC foram capazes de reproduzir o aumento de dose na superfície do paciente numa situação em que o campo magnético estivesse presente durante uma sessão de tratamento. No entanto, na presença de cavidades de ar no interior do paciente, ambos sTC mostraram-se insuficientes na simulação dos efeitos dosimétricos presentes. Apesar de ambos sTC demonstrarem serem precisos o suficiente para o planeamento de dose, a estrutura óssea não pode ser delineada automaticamente usando sTCad e o tempo necessário para que o contorno esteja definido faz com que a sua implementação clínica seja pouco viável. Apesar de uma melhor precisão de distribuição de dose ser obtida para sTCa, exatamente devido à estimativa dos valores de densidade ser feita de voxel para voxel em vez de assumir que cada classe tem um valor único de densidade eletrónica, a imagem final aparece mais desfocada do que uma imagem de TC real. Desta forma, este método não fornece informação suficiente para a delineação tanto das estruturas de risco como do volume alvo. Como proposta, nós sugerimos a utilização conjunta dos contornos dos órgãos de risco e do volume alvo delineados usando imagens de RM e a distribuição de densidade eletrónica fornecida por sTCa para a implementação de um procedimento de tratamento radioterapêutico tendo unicamente como base a informação proveniente de imagens de RM para possivelmente ser usado no futuro com máquinas MRLINAC. No entanto, melhorias na precisão e na obtenção de sTCa devem ser ainda levadas em conta. Uma melhor definição de fronteiras entre classes de tecidos deve ser adquirida bem como uma maior rapidez na aquisição destas imagens deve ser implementada a fim de se considerar o seu uso em âmbito clínico.
The gold standard for radiotherapy treatment planning is CT imaging, as it provides high spatial resolution and electron density values. The main arguments for substituting CT for MRI are the superior soft-tissue contrast of MR images and the avoidance of imaging dose. An MRIonly workow relies on a method to derive CT-equivalent information from MR data enabling the performance of dose calculations. In this thesis, Bulk Density Assignments (sCTbda) and Atlas-based (sCTa) approaches were used to generate sCTs for H&N and prostate patients. sCTbda methods using only CT or MR information for tissue classes delineation were obtained separately. sCTa methods were generated from an anatomical atlas based on aligned CT-MR images. Local similarity measures and deformable image registration were used to match the patient's MRI with the atlas database. The final sCTa was obtained using a voxelwise weighting scheme. Clinical plans were re-calculated on sCTbda and sCTa and both were evaluated dosimetric and geometrically. The dosimetric evaluation including gamma and DVH analysis was performed using the original planning contours. In the geometric evaluation the original contours and sCTa and MRI delineations were assessed in terms of shape, position and volume. In the future, MRI-only external radiotherapy treatments are foreseen to be performed at MR-LINAC machines. The evaluation of the reproducibility of the dosimetric effects generated by the presence of a magnetic field during treatment delivery when using both sCTs for treatment planning was also investigated. Dose re-calculations on sCTs showed no clinically relevant dose differences to the original dose distribution on the planning CT. Hence, both sCT are suitable to perform dose calculations. Contours based on MRI and sCTa were found to be similar to the original clinical contours. However, bone segmentation on the MRI cannot be performed fully automatically and the sCTa cannot provide information for the delineation of both target volume and organs at risk. Also, the electron return effect generated by the presence of a magnetic field was similarly represented for CT and both sCTa and sCTbda at the patient's boundary. We therefore suggest combining soft tissue contours based on MRI with bone contours and electron density values obtained from the sCTa in order to establish a MRI-only workow for future MR-LINAC machines.
Descrição: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015
URI: http://hdl.handle.net/10451/20395
Designação: Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica
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