Prostate cancer is the most common type of cancer afflicting Canadian men. Image-guided external radiation therapy of prostate cancer requires the accurate positioning of the patient in the treatment field. The alignment process is done using three fiducial markers implanted in the prostate. The current clinical practice involves the manual localization of these markers on pre-treatment, low-resolution electronic portal images (EPI). We propose an algorithm for the automatic detection of these markers. Our approach first enhances the quality of the EPI images using a fully automatic image enhancement approach. Next, fiducial markers are detected using template matching and a novel way of integrating information across multiple views. Experimental results show a significant improvement in the detection of fiducial markers in the left lateral view with respect to state-of-the-art results in related work. One should note that the left lateral view is the most challenging view due to the low resolution and the presence of occluding bony structures. / Graduate

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<p>The image-guided radiation therapy (IGRT) protocol used at Juravinski Cancer Center for post-prostatectomy patients involves acquiring a kV cone beam computed tomography (CBCT) image at each fraction and shifting the treatment couch to align surgical clips. This IGRT strategy is promising but its dosimetric impact is unknown, it requires significant resources, and delivers non-negligible doses to normal tissues. The objective of this work is to evaluate this IGRT protocol and investigate possible alternatives.</p> <p>IGRT delivered dose is reconstructed by deforming the planning CT to the CBCT images acquired at each fraction, computing dose on the deformed images, and inversely transforming the dose back to the original geometry. The treatments of six patients were evaluated under four scenarios: no guidance (Non-IGRT), daily guidance as performed clinically (IGRT), guidance on alternating days (Alt-IGRT), and daily automated guidance (Auto-IGRT). For one patient, the impact of reducing the planning target volume (PTV) margin to five (IGRT-5) and eight (IGRT-8) mm isotropic was also evaluated.</p> <p>With the standard clinical PTV margin of ten/seven mm, the evaluated alternatives produced similar results. The minimum dose to the CTV was decreased by 1.6±1.0, 1.2±0.7, and 0.8±0.8 Gy for Non-IGRT, Alt-IGRT, and IGRT, respectively. IGRT with manual shifting did not appear to significantly improve the delivered treatment dose compared to Auto-IGRT (difference in CTV minimum dose was 1.2±2.1Gy). Doses to the organs at risk varied but in general, an increased volume of the bladder and rectum received low doses while smaller portions received high doses. The IGRT-5 and -8 analyses showed the same CTV dose can be delivered with significant reduction in normal tissue exposure. Overall, the desired doses are delivered during IGRT although much of this may be attributed to the large PTV margins currently employed clinically.</p> / Master of Science (MSc)

Das entwickelte Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (engl. Small Animal Image-Guided Radiation Therapy – SAIGRT) dient der schnellen, hochauflösenden Röntgenbildgebung und präzisen, konformalen Bestrahlung von Kleintieren im Rahmen präklinischer in-vivo Experimente für die translationale Krebsforschung. Speziell programmierte Softwares zur Gerätesteuerung sowie zur Bildkorrektur- und Bildrekonstruktion auf dem zentralen leistungsfähigen Arbeitsplatz-PC stellen alle Gerätefunktionen zur Verfügung und ermöglichen durch automatisierte Abläufe und intuitive grafische Nutzeroberflächen eine einfache, sichere Bedienung. Für die Bestrahlungsplanung wird eine vollwertige, aus der humanen klinischen Strahlentherapie adaptierte 3D-Bestrahlungsplanungssoftware eingesetzt, die etablierte Werkzeuge für den Transfer und die Koregistrierung multimodaler Bilddaten, die Konturierung und Segmentierung von Zielvolumina und Risikoorganen sowie die Erstellung und Validierung von Bestrahlungsplänen enthält. Die resultierende Dosisverteilung wird darin basierend auf dem individuellen CT-Datensatz des Versuchstieres und einem auf das SAIGRT angepassten Maschinenmodell mittels eines Monte-Carlo-Algorithmus exakt und realitätsnah simuliert. Durch geometrische Kalibrierungen und vielfältige Basisdatenmessungen für die Bildgebung und Bestrahlung im Rahmen der Gerätekommissionierung ist eine Zielgenauigkeit von ca. ±0,1 mm mit hoher geometrischer Abbildungstreue und guter Bildqualität bei Bildgebungsdosen vergleichbar denen klinischer Radiografie- und CT-Geräte möglich. Die Dosisverteilung zur Bestrahlung der Versuchstiere spiegelt bei der definierten Strahlungsqualität größenskaliert die humane Strahlentherapie mit hochenergetischer Photonenstrahlung von klinischen Linearbeschleunigern wider. Ein umfassendes Qualitätssicherungsprogramm bestehend aus regelmäßiger Wartung und wiederkehrenden Konstanzprüfungen der Bildgebung und Bestrahlung sichert dauerhaft den technisch einwandfreien Zustand und die ordnungsgemäße Verfügbarkeit aller Gerätefunktionen in gleichbleibender Güte. Das SAIGRT ist somit nachweislich geeignet, bildgeführte Bestrahlungen mit einem Ablauf analog dem einer modernen klinischen Strahlentherapie am Menschen in präklinischen in-vivo Experimenten präzise an Kleintieren zu applizieren. Es leistet dadurch einen essentiellen Beitrag zur translationalen Krebsforschung in Dresden, indem die klinische Situation realistischer modelliert und so potenziell die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Krebspatienten verbessert werden kann. / The Small Animal Image-Guided Radiation Therapy (SAIGRT) platform facilitates fast, high resolution X-ray imaging and precise, conformal irradiation of small animals in preclinical in-vivo experiments for translational cancer research. Dedicated software for device control as well as image correction and reconstruction on a central high performance PC provide all device functions and allow simple and safe operation by automated procedures and intuitive graphical user interfaces. A fully 3D treatment planning software adapted from human clinical radiation therapy is used for treatment planning, containing established tools and methods for the transfer and registration of multimodality imaging data, contouring and segmentation of target volumes and organs at risk as well as creation and evaluation of treatment plans. Based on an individual CT scan of the small animal and a machine model adapted for the SAIGRT, the resulting dose distribution is simulated by a Monte-Carlo algorithm in a precise and realistic manner. Geometrical calibrations as well as manifold basic data measurements for X-ray imaging and irradiation during commissioning resulted in a targeting and imaging accuracy of about ±0.1 mm, a correct representation of imaging geometry and a good image quality with imaging doses comparable with those of clinical radiography and CT systems. Dose distribution of the defined beam quality used for irradiation of small animals reflects a downsized human radiation therapy using high energy photon beams of clinical linear accelerators. A comprehensive quality assurance program comprising regular maintenance and periodic constancy tests of X-ray imaging and irradiation ensures permanent technically perfect condition and proper availability of all implemented functions in a stable high quality. The SAIGRT platform is feasible for image-guided irradiations precisely applied to small animals in preclinical in-vivo experiments using a workflow of modern human radiation oncology. Thus, it significantly contributes to translational cancer research by more realistic modelling the clinical situation and potentially brings the results closer to their clinical implementation.

Les changements anatomiques des patients au cours du traitement de radiothérapie peuvent engendrer des conséquences dosimétriques significatives sur les volumes cibles (VC) ou les organes à risques (OARs). Le processus de radiothérapie adaptative peut compenser ces variations, cependant son déploiement en clinique est ralentit par une charge de travail supplémentaire considérable pour les équipes médicales et aucun logiciel n'est disponible pour une utilisation en clinique. Nous avons développé un outil d'alerte dosimétrique in vivo simple permettant d'identifier rapidement les situations où une adaptation de traitement est requise pour un patient. L'évaluation dosimétrique des traitements délivrés a été réalisée sur l'imagerie embarquée 3D (CBCT) dont la précision des calculs de dose a dû être évaluée. L'outil d'alerte permet de s'affranchir d'une nouvelle délinéation de volumes d'intérêt et est basé sur des critères objectifs et quantifiables constitués par le dépassement des limites dosimétriques définies pour chacun des volumes considérés. La précision et la détectabilité de l'outil ont été validées puis il a été appliqué dans une étude rétrospective de 10 patients ORL afin de surveiller l'administration du traitement et d'identifier les patients pour lesquels une adaptation du traitement aurait pu être envisagée. Dans son implémentation clinique, le processus de radiothérapie adaptative requiert des algorithmes de recalage déformable capable de suivre les déformations locales d'un patient se produisant au cours du traitement, seulement leur utilisation n'est pas encore validée. Nous avons procédé à l'évaluation de la précision d'un algorithme de recalage déformable, de type Block Matching présentant l'avantage d'être adapté à l'imagerie multimodale CT/CBCT, en comparaison par rapport à un algorithme de recalage rigide. Une étude a été menée pour 10 patients ORL en se basant sur la comparaison de contours de volumes d'intérêt pour 76 CBCT. Les paramètres de similarité utilisés consistaient en l'Indice de Similarité Dice, la distance de Hausdorff robuste (en mm) et la différence de volume absolu (en cm3).

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第14579号 / 工博第3047号 / 新制||工||1454(附属図書館) / 26931 / UT51-2009-D291 / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 石川 順三, 教授 髙岡 義寛, 教授 小林 哲生 / 学位規則第4条第1項該当

Dans le contexte du traitement du cancer de la prostate, l’utilisation de la tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT) pour la radiothérapie guidée par l’image, éventuellement adaptative, présente certaines difficultés en raison du faible contraste et du bruit important dans les images pelviennes. L’objectif principal de cette thèse est d’apporter des contributions méthodologiques pour le recalage automatique entre l’image scanner CT de référence et l’image CBCT acquise le jour du traitement. La première partie de nos contributions concerne le développement d’une stratégie de correction du positionnement du patient à l’aide du recalage rigide (RR) CT/CBCT. Nous avons comparé plusieurs algorithmes entre eux : (a) RR osseux, (b) RR osseux suivi d’un RR local dans une région qui correspond au clinical target volume (CTV) de la prostate dans l’image CT élargie d’une marge allant de 1 à 20 mm. Une analyse statistique complète des résultats quantitatifs et qualitatifs utilisant toute la base de données, composée de 115 images cone beam computed tomography (CBCT) et de 10 images computed tomography (CT) de 10 patients atteints du cancer de la prostate, a été réalisée. Nous avons également défini une nouvelle méthode pratique et automatique pour estimer la distension rectale produite dans le voisinage de la prostate entre l’image CT et l’image CBCT. A l’aide de notre mesure de distension rectale, nous avons évalué l’impact de la distension rectale sur la qualité du RR local et nous avons fourni un moyen de prédire les échecs de recalage. Sur cette base, nous avons élaboré des recommandations concernant l’utilisation du RR automatique pour la localisation de la prostate sur les images CBCT en pratique clinique. La seconde partie de la thèse concerne le développement méthodologique d’une nouvelle méthode combinant le recalage déformable et la segmentation. Pour contourner le problème du faible rapport qualité/bruit dans les images CBCT qui peut induire le processus de recalage en erreur, nous avons imaginé une nouvelle énergie composée de deux termes : un terme de similarité globale (la corrélation croisée normalisée (NCC) a été utilisée, mais tout autre mesure de similarité pourrait être utilisée à la place) et un terme de segmentation qui repose sur une adaptation locale du modèle de l’image homogène par morceaux de Chan-Vese utilisant un contour actif dans l’image CBCT. Notre but principal était d’améliorer la précision du recalage comparé à une énergie constituée de la NCC seule. Notre algorithme de recalage est complètement automatique et accepte comme entrées (1) l’image CT de planification, (2) l’image CBCT du jour et (3) l’image binaire associée à l’image CT et correspondant à l’organe d’intérêt que l’on cherche à segmenter dans l’image CBCT au cours du recalage. / The use of CBCT imaging for image-guided radiation therapy (IGRT), and beyond that, image-guided adaptive radiation therapy (IGART), in the context of prostate cancer is challenging due to the poor contrast and high noise in pelvic CBCT images. The principal aim of the thesis is to provide methodological contributions for automatic intra-patient image registration between the planning CT scan and the treatment CBCT scan. The first part of our contributions concerns the development of a CBCT-based prostate setup correction strategy using CT-to-CBCT rigid registration (RR). We established a comparison between different RR algorithms: (a) global RR, (b) bony RR, and (c) bony RR refined by a local RR using the prostate CTV in the CT scan expanded with 1- to-20-mm varying margins. A comprehensive statistical analysis of the quantitative and qualitative results was carried out using the whole dataset composed of 115 daily CBCT scans and 10 planning CT scans from 10 prostate cancer patients. We also defined a novel practical method to automatically estimate rectal distension occurred in the vicinity of the prostate between the CT and the CBCT scans. Using our measure of rectal distension, we evaluated the impact of rectal distension on the quality of local RR and we provided a way to predict registration failure. On this basis, we derived recommendations for clinical practice for the use of automatic RR for prostate localization on CBCT scans. The second part of the thesis provides a methodological development of a new joint segmentation and deformable registration framework. To deal with the poor contrast-to-noise ratio in CBCT images likely to misguide registration, we conceived a new metric (or enery) which included two terms: a global similarity term (the normalized cross correlation (NCC) was used, but any other one could be used instead) and a segmentation term based on a localized adaptation of the piecewise-constant region-based model of Chan-Vese using an evolving contour in the CBCT image. Our principal aim was to improve the accuracy of the registration compared with an ordinary NCC metric. Our registration algorithm is fully automatic and takes as inputs (1) the planning CT image, (2) the daily CBCT image and (3) the binary image associated with the CT image and corresponding to the organ of interest we want to segment in the CBCT image in the course of the registration process.