Visuo-haptic model of prostate cancer based on magnetic resonance elastography : a feasibility study

Prostate cancer (CaP) is not only a very common form of cancer, but also one of the main causes of cancer-related deaths among American men. Early detection of prostate cancer is key to increase the chances of a treatment able to preserve the healthy organs, limit side effects, and eventually improve survival rates. Magnetic Resonance Elastography (MRE) is an innovative technique that images tissue stiffness distribution and provides as output a 3D map (the "elastogram") with quantitative elasticity values of the imaged areas. Prostate cancer has demonstrated to become harder than the surrounding healthy tissues, and can be therefore easily recognized on stiffness maps. This thesis addresses the main limitations of the methods currently used for screening and early CaP diagnosis. Through the conjugation between MRE imaging and the possibilities offered by a Haptic Virtual Reality (HVR) environment we propose a non-invasive, accurate and complete tool that aims to improve the prostate cancer diagnostic process. Information obtained from MRE has been employed to create a VR simulation of prostate cancer based on both visual and haptic cues, where the user can interact with a 3D virtual model of the patient's prostate. The development of such an application has been possible thanks to the creation of a platform able to provide all the basic elements that allow to implement virtual reality-based simulations. LACE library is the result of this effort, and consists of a platform offering all the elements needed to conjugate robust graphics and haptics. Exploiting LACE library functionalities, a volumetric rendering of the color-coded tumor lesions (hard) as well as healthy (soft) tissues has been created. The surgeon can visually appreciate the whole patient anatomy from different perspectives, and recognize the lesions and their extent. The main contribution of this work has been the implementation of a force feedback that relies directly on the MRE data and that allows to feel a distinctive difference in the resistance offered by regions with different stiffness. This was obtained by taking into account both the shear modulus of the currently touched point and the elasticity of the neighboring areas. Haptic cues have been added with the purpose of enhancing visual information, based on the idea that the integration between more sensory modalities allows to increase the information content. The validity of this assumption has been tested by comparing users' performances in locating hard masses through the simulator without and with the help of haptic feedback. Results show that when forces were active, participants were able to locate stiff regions with greater accuracy and in a smaller amount of time, with respect to when they performed the task with a version of the simulator lacking the forces. Furthermore, qualitative evaluation of the visuo-haptic application has been conducted by a cohort of expert urologists. Results demonstrate an overall high satisfaction in the exploration of prostate anatomy through the simulator, and the possibility of a future introduction in the clinical practice. By complementing a 3D model of the prostate based on MRE with haptic feedback, the developed approach would eventually lead to an early, precise, and exhaustive diagnosis of prostate cancer and has the potential to allow for a more accurate biopsy targeting as well as an improvement in pre-surgical planning phase.

Il tumore alla prostata non rappresenta soltanto una forma tumorale molto diffusa, ma anche una delle principali cause di morte legate al cancro nella popolazione maschile in America. Una diagnosi precoce è di estrema importanza per poter preservare gli organi sani, limitare gli effetti collaterali, ed infine migliorare il tasso di sopravvivenza. La Risonanza Magnetica Elastografica (MRE) è una tecnica di imaging all'avanguardia che utilizza la rigidezza del tessuto come parametro di contrasto e permette di ottenere mappe 3D rappresentanti i valori quantitativi di elasticità del tessuto di interesse (chiamati "elastogrammi"). Questo lavoro di tesi si propone di affrontare i principali limiti dei metodi attualmente utilizzati per lo screening e la diagnosi precoce del tumore alla prostata. Coniugando le informazioni ottenute da immagini MRE con le possibilità offerte da un ambiente di Realtà Virtuale che incorpora feedback aptico, vorremmo proporre uno strumento non invasivo, accurato e completo, che migliori il processo diagnostico per il cancro alla prostata. Le informazioni estratte da immagini MRE sono state utilizzate per creare una simulazione in realtà virtuale della prostata basata sia su informazioni visive che aptiche, in cui l'utente ha la possibilità di interagire con un modello virtuale 3D della prostata del paziente. Lo sviluppo di questa applicazione è stato reso possibile grazie alla creazione di una piattaforma software che mette a disposizione tutti gli elementi base indispensabili per l'implementazione di simulazioni in realtà virtuale. LACE library è il risultato di questo sforzo, ed è in grado di coniugare gli elementi necessari ad ottenere allo stesso tempo una grafica robusta e un feedback aptico. Sfruttando le funzionalità di LACE library è stato ottenuto un modello grafico delle lesioni (rigide) e dei tessuti sani (molli), basato su una mappa di colore. Il chirurgo può apprezzare visivamente l'anatomia del paziente da varie prospettive, e riconoscere le lesioni e la loro estensione. Il principale contributo di questo lavoro risiede nell'implementazione di un feedback aptico che dipende direttamente dai dati estratti dalle immagini di Risonanza Magnetica Elastografica e che permette di percepire una differenza di resistenza sostanziale da parte di lesioni con diversa rigidezza. A tal fi ne, sono stati tenuti in considerazione sia il modulo elastico del punto di interazione che quello delle regioni circostanti. Il feedback aptico è stato introdotto con lo scopo di potenziare le informazioni visive, basandoci sull'idea che l'integrazione tra pi u sensi permetta di aumentare il contenuto informativo. La validità di questa assunzione è stata verificata confrontando le performance degli utenti nell'individuazione delle masse rigide utilizzando il simulatore con e senza l'aiuto del feedback aptico. I risultati dimostrano che, quando le forze sono attive, i partecipanti sono in grado di localizzare le zone rigide con maggiore accuratezza e in una quantità di tempo inferiore rispetto a quando hanno usato una versione del simulatore mancante delle forze. Inoltre, una valutazione qualitativa dell'applicazione è stata condotta da un gruppo di urologi. I risultati dimostrano un'elevato grado di soddisfacimento nell'esplorazione delle anatomie con il simulatore, e la possibilità di una sua futura introduzione nella pratica clinica. Grazie all'aggiunta del feedback aptico ad un modello 3D della prostata basato su MRE, l'approccio sviluppato potrebbe permettere una diagnosi precoce, precisa ed esaustiva del cancro alla prostata, ed ha la potenzialità di portare ad un targeting pi u accurato delle lesioni durante la biopsia, così come di un miglioramento nella fase di pianificazione pre-operatoria.