Purpose: Respiratory motion introduces substantial uncertainties in lung radiotherapy, for which traditionally large safety margins are used. Combined magnetic resonance imaging (MRI) systems and linear accelerator for radiotherapy (MR-Linacs) are currently becoming a clinical reality. The MRI-Linac systems provide the opportunity to acquire fast cine-MRI images, which can be used to perform real-time tumor tracking. However, volumetric MRI time series are not able to characterize 3D tumor and organs at risk motion with the same frequency. Several 2D tumor tracking strategies and 3D reconstruction methods have been proposed but the optimal techniques are not yet defined. This study presents a comparison between the most relevant 2D and 3D strategies for tumor tracking and motion modelling in MRI-guided radiotherapy. Method: Four 2D tumor tracking strategies were selected: template matching, SIFT, dense SIFT and optical flow. Five 3D reconstruction methods were selected: propagation, out-of-plane motion compensation, Fayad model, ROI-based model and Stemkens model. Comparisons were performed by means of a CT/MRI digital phantom, animated with signals derived from different patients, for a total of six cases. To establish the presence of a relation between the methods performance and the patients breathing features, patients were classified according to some specific respiratory parameters. Results: The analysis performed on the 2D tumor tracking strategies showed that, despite large variations in implementation complexity, the compared algorithms have similar performance and are accurate on all the patients. On the contrary, the analysis on the 3D reconstruction methods highlighted that the methods performance depend on the patients respiratory features. For this reason, a patient-specific evaluation for the selection of the best approach is suggested. Conclusions: A CT/MRI digital phantom was exploited to implement a systematic evaluation of the main 2D and 3D strategies in MRI-guided radiotherapy, providing guidelines for benchmarks definition.

Obiettivo: il movimento respiratorio introduce sostanziali incertezze nella radioterapia al polmone, per la quale sono tradizionalmente usati margini di sicurezza larghi. I sistemi di imaging a risonanza magnetica (MRI) combinati con un acceleratore lineare per la radioterapia (MRI-Linac) stanno attualmente diventando una realtà clinica. I sistemi MRI-Linac offrono l’opportunità di acquisire rapide immagini cine-MRI, che possono essere utilizzate per effettuare un tracking del tumore in tempo reale. Tuttavia, serie temporali di MRI volumetriche non sono in grado di caratterizzare il movimento 3D del tumore e degli organi a rischio con la stessa frequenza. Molte strategie 2D di tracking del tumore e molti metodi di ricostruzione 3D sono stati proposti ma le tecniche ottimali non sono state ancora definite. Questo studio presenta un confronto tra le più rilevanti strategie 2D e 3D per il tracking del tumore e la modellizzazione del movimento nella radioterapia guidata da MRI. Metodi: Quattro strategie di tracking 2D del tumore sono state selezionate: template matching, SIFT, dense SIFT e optical flow. Cinque metodi di ricostruzione 3D sono state selezionati: propagazione, compensazione del movimento fuori dal piano, modello di Fayad, modello ROI-based e modello di Stemkens. I confronti sono stati effettuati mediante un fantoccio digitale CT/MRI, animato con segnali derivati da differenti pazienti, per un totale di sei casi. Per stabilire la presenza di una relazione tra le performance dei metodi e le caratteristiche respiratorie dei pazienti, i pazienti sono stati classificati in base a specifici parametri respiratori. Risultati: L’analisi effettuata sulle strategie 2D di tracking del tumore ha mostrato che, nonostante ampie variazioni nella complessità di implementazione, gli algoritmi confrontati hanno performance simili e sono accurati su tutti i pazienti. Al contrario, l’analisi sui metodi di ricostruzione 3D ha evidenziato che le performance dei metodi dipendono dalle caratteristiche respiratorie dei pazienti. Per questa ragione, è suggerita una valutazione paziente-specifica per la selezione del miglior approccio. Conclusioni: Un fantoccio digitale CT/MRI è stato sfruttato per implementare una sistematica valutazione delle principali strategie 2D e 3D nella radioterapia guidata da MRI, fornendo linee guida per la definizione dei metodi migliori.

Tumor tracking and motion modelling in MRI-guided radiotherapy for lung cancer : a study on a digital phantom with comparative analysis and clinical guidelines

PORTOSO, SILVIA
2016/2017

Abstract

Purpose: Respiratory motion introduces substantial uncertainties in lung radiotherapy, for which traditionally large safety margins are used. Combined magnetic resonance imaging (MRI) systems and linear accelerator for radiotherapy (MR-Linacs) are currently becoming a clinical reality. The MRI-Linac systems provide the opportunity to acquire fast cine-MRI images, which can be used to perform real-time tumor tracking. However, volumetric MRI time series are not able to characterize 3D tumor and organs at risk motion with the same frequency. Several 2D tumor tracking strategies and 3D reconstruction methods have been proposed but the optimal techniques are not yet defined. This study presents a comparison between the most relevant 2D and 3D strategies for tumor tracking and motion modelling in MRI-guided radiotherapy. Method: Four 2D tumor tracking strategies were selected: template matching, SIFT, dense SIFT and optical flow. Five 3D reconstruction methods were selected: propagation, out-of-plane motion compensation, Fayad model, ROI-based model and Stemkens model. Comparisons were performed by means of a CT/MRI digital phantom, animated with signals derived from different patients, for a total of six cases. To establish the presence of a relation between the methods performance and the patients breathing features, patients were classified according to some specific respiratory parameters. Results: The analysis performed on the 2D tumor tracking strategies showed that, despite large variations in implementation complexity, the compared algorithms have similar performance and are accurate on all the patients. On the contrary, the analysis on the 3D reconstruction methods highlighted that the methods performance depend on the patients respiratory features. For this reason, a patient-specific evaluation for the selection of the best approach is suggested. Conclusions: A CT/MRI digital phantom was exploited to implement a systematic evaluation of the main 2D and 3D strategies in MRI-guided radiotherapy, providing guidelines for benchmarks definition.
PAGANELLI, CHIARA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
19-apr-2018
2016/2017
Obiettivo: il movimento respiratorio introduce sostanziali incertezze nella radioterapia al polmone, per la quale sono tradizionalmente usati margini di sicurezza larghi. I sistemi di imaging a risonanza magnetica (MRI) combinati con un acceleratore lineare per la radioterapia (MRI-Linac) stanno attualmente diventando una realtà clinica. I sistemi MRI-Linac offrono l’opportunità di acquisire rapide immagini cine-MRI, che possono essere utilizzate per effettuare un tracking del tumore in tempo reale. Tuttavia, serie temporali di MRI volumetriche non sono in grado di caratterizzare il movimento 3D del tumore e degli organi a rischio con la stessa frequenza. Molte strategie 2D di tracking del tumore e molti metodi di ricostruzione 3D sono stati proposti ma le tecniche ottimali non sono state ancora definite. Questo studio presenta un confronto tra le più rilevanti strategie 2D e 3D per il tracking del tumore e la modellizzazione del movimento nella radioterapia guidata da MRI. Metodi: Quattro strategie di tracking 2D del tumore sono state selezionate: template matching, SIFT, dense SIFT e optical flow. Cinque metodi di ricostruzione 3D sono state selezionati: propagazione, compensazione del movimento fuori dal piano, modello di Fayad, modello ROI-based e modello di Stemkens. I confronti sono stati effettuati mediante un fantoccio digitale CT/MRI, animato con segnali derivati da differenti pazienti, per un totale di sei casi. Per stabilire la presenza di una relazione tra le performance dei metodi e le caratteristiche respiratorie dei pazienti, i pazienti sono stati classificati in base a specifici parametri respiratori. Risultati: L’analisi effettuata sulle strategie 2D di tracking del tumore ha mostrato che, nonostante ampie variazioni nella complessità di implementazione, gli algoritmi confrontati hanno performance simili e sono accurati su tutti i pazienti. Al contrario, l’analisi sui metodi di ricostruzione 3D ha evidenziato che le performance dei metodi dipendono dalle caratteristiche respiratorie dei pazienti. Per questa ragione, è suggerita una valutazione paziente-specifica per la selezione del miglior approccio. Conclusioni: Un fantoccio digitale CT/MRI è stato sfruttato per implementare una sistematica valutazione delle principali strategie 2D e 3D nella radioterapia guidata da MRI, fornendo linee guida per la definizione dei metodi migliori.
Tesi di laurea Magistrale
File allegati
File Dimensione Formato  
2018_04_Portoso.pdf

accessibile in internet solo dagli utenti autorizzati

Descrizione: Testo della tesi
Dimensione 33.52 MB
Formato Adobe PDF
33.52 MB Adobe PDF   Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/140234