Titelaufnahme

Titel
Validation of 2D/3D registration methods for image-guided radiotherapy / Supriyanto Ardjo Pawiro
Verfasser / VerfasserinArdjo Pawiro, Supriyanto
Begutachter / BegutachterinBirkfellner Wolfgang
Erschienen2011
Umfang134 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Strahlentherapie / Validierung / Bildgebung / Registration
Schlagwörter (EN)Radiotherapy / Validation / Imaging / Registration
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-6201 Persistent Identifier (URN)
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Validation of 2D/3D registration methods for image-guided radiotherapy [4.43 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die externe Strahlentherapie ist eine der wichtigsten Methoden in der klinischen Onkologie. Hier werden Krebszellen mit Hilfe von extern eingebrachter ionisierender Strahlung zerstört. Die Applikation erfolgt auf Basis der Planungsdaten, die neben der Dosis auch die zeitliche Abfolge und die Form des Therapiestrahls umfasst. Um die Genauigkeit der Patientenpositionierung vor und wä}hrend der Behandlung zu optimieren wurde die bildgestützte Strahlentherapie (image-guided radiotherapy -- IGRT) entwickelt.

Die Fusion oder Registration von Bilddaten ist ein in der IGRT seit langem bekanntes Werkzeug, um dieses Ziel der verbesserten Patientenpositionierung zu erreichen. Viele Forschergruppen haben verschiedene 2D/3D -- wo mit Hilfe von 'digitally rendered radiographs (DRRs) eine Übereinstimmung zwischen Projektions- und Tomographiebilddaten gesucht wird -- und 3D/3D Registrationsalgorithmen entwickelt. Jedoch ist die Überführung dieser computerbasierten Methoden vom Labor in die klinische Praxis nach wie vor eine bedeutende Herausforderung. Um derlei Vorhaben zu erleichtern wurde im Zuge dieser Dissertation ein Phantom entwickelt, dass zur Validierung von 2D/3D und 3D/3D Registrationsverfahren mit besonderer BerÜcksichtigung der IGRT dient. Ebenso wurde obengenanntes Phantom im Rahmen umfangreicher Validierungsversuche getestet.

Der erste Teil dieser Dissertation beschreibt die Entwicklung eines Phantoms, das auf Basis eines Schweineschädels die typischen Dimensionen und die heterogene Radioopazität eines Menschen mit Knochengewebe, beweglichen Weichteilen und luftgefüllten Hohlräumen simuliert und so ein realistisches Modell für die Registration multimodaler Bilddatensätze darstellt. Das Akquisition der Bilddaten erfolgte, indem das Phantom mit eigens entwickelten multimodalen Markern ausgestattet wurde. Die Aufnahme der Bilddaten erfolgte unter Zuhilfenahme klinischer Standardprotokolle. Um Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Korrektheit der 2D/3D und 3D/3D Registrationsalgorithmen zu testen wurden die korrekten Parameter mit Hilfe der Marker bestimmt.

Der zweite Teil der Dissertation zeigt die Anwendung des Datensatzes in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Wien und Ljubljana auf etablierte und neue Registrationsverfahren. Hierbei wurde vor allem Wert auf den Vergleich von bildintensitätsbasierten und gradientenbasierten Verfahren gelegt. Des weiteren wurde eine neue und effiziente Kostenfunktion -- die Rangkorrelation -- für die 2D/3D Registration mit Hilfe dieses Datensatzes validiert. Die Resultate zeigen, daß durch den Einfluss der Deformierung von Weichteilgewebe die Genauigkeit des Registrationsverfahrens beeinflusst wird, und daß die Genauigkeit der gradientenbasierten Verfahren hier höher ist. Des weiteren konnte im Rahmen der Evaluierung mit dem Phantom gezeigt werden, das Kostenfunktionen, die auf dem Rangkorrelationskoeffizienten beruhen die genauesten Resultate liefern, wenn große Intensitätsunterschiede zwischen einer DRR und der zu vergleichenden Röntgenaufnahme vorliegen.

Abschliessend kann man sage, daß im Rahmen der vorliegenden Dissertation gezeigt wurde, daß das neue Registrationsphantom mit variablem Kontrast und mobilem Weichteilgewebe eine realitätsnähere Validierung von Registrationsverfahren für die IGRT erlaubt. Die Tauglichkeit des Phantoms für die 2D/3D Registration wurde somit erwiesen.

Zusammenfassung (Englisch)

External beam radiation therapy is one of the standard treatments where cancer cells are destroyed with radiation applied from outside the body. Radiation therapy is delivered based on the treatment planning which includes the dose calculation, time delivery and beam arrangement. In order to improve the accuracy of patient position prior to and during the treatment, image-guided radiation therapy (IGRT) has been developed.

Image registration in radiation therapy was proposed as a tool for improving the accuracy of patient positioning in IGRT for decades. Many research groups have developed several 2D/3D and 3D/3D image registration algorithms. A vital part of a 2D/3D registration method is the computation of digitally rendered radiographs (DRR) from computed tomography (CT) data. However, the translation from computer-based methods in laboratory to clinical studies of the image registration algorithms is still a major challenge. In order to fill this gap, a validation methodology and platform for 2D/3D and 3D/3D image registration for IGRT was established in the course of this thesis.

The first part of this thesis describes the construction of the cadaveric phantom to represent the dimensions and heterogeneous radio-opacity of human patients with bone, deformable soft tissue, and cavities in a manner suitable for the validation of image registration in IGRT. The experiment was designed by using the phantom equipped with multi-modality fiducial markers and utilized the workflow and data acquisition protocol in a clinical IGRT setting. To assess the accuracy, robustness and validity of 2D/3D and 3D/3D image registration algorithms, the ground truth based on fiducial marker-based point registration was determined.

The second part of this thesis is the evaluation of the new gold standard dataset when using several merit function developed by two groups. This part describes the comparison between image intensity- and gradient-based registrations using this gold-standard dataset and an efficient implementation of the rank correlation merit function for 2D/3D registration. The result shows that due to the influence of soft tissue deformation on the accuracy of the registration algorithm, the gradient-based methods are more accurate than the intensity-based methods. Moreover, the evaluation of a well-calibrated cadaveric phantom also confirms that rank correlation-type merit functions give the most accurate result if large differences in the histogram content for the DRR and the x-ray image are present.

In conclusion, the thesis proved that the new phantom with variable contrast and mobility of soft tissue is more reliable than previous ones for assessment of the impact of patient positioning in IGRT.