Ottimizzazione del posizionamento di un dispositivo di eye tracking dedicato alla protonterapia oculare

Intraocular cancer is a rare and aggressive disease, which represents about 5% of the diagnosed neoplasms. Whilst in the past decades a standard approach was represented by enucleation, the current approach is to maintain, if possible, the visual capabilities of the eye bulb. Among the most recent therapies brachytherapy, stereotactic radiotherapy and proton therapy were found to be the most effective. Brachytherapy is a particular form of radiotherapy that consist in the placement of radioactive sources directly into the eye bulb, in corrispondence of the lesion. A peculiar feature of brachyteherapy is that it only affects organs and cells located around the source, preserving healthy tissues placed farther away from the source. In stereotactic radiotherapy, high energy x-ray beams are conformed in order to concentrate the dose deposition in the target. Ocular Proton therapy (OPT) is the newest and the gold standard nowadays, because it combines the benefits of external radiotherapy with higher doses and better geometrical selectivity. A standard image guided radiation therapy approach is foreseen in the clinical workflow of the OPT, Since the segmentation of the eye bulb is challenging due to the soft tissue of the organ, radiopaque fiducials are sutured in correspondence of the lesion according with medical indications. These clips, made of tantalum (an inert and radiopaque material) are used both during the planning phases and the treatment delivery. Clips are implanted on the outer surface of the sclera around the tumor mass. A dedicated software (Treatment Planning System, TPS) proposes an optimal solution to prevent unwanted deposition of dose in the ealty tissue in the proximity of the target. The treatment plan returned also the deviation of the sight view to align the tumor mass to the room isocenter through a pair of angles (polar and azimuthal). To guarantee the repeatibility of the setup and a correct outcome of the treatment, patients are required to mainteined the direction of the predetermined gaze so that the mass is correctly aligned to the beam. This approach implicitly required a collaboration and an active partecipation of the patient during all the pahses. The "Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica" of Pavia (CNAO) has activated a tratment protocol for intraocular lesions since August 2016 and the present thesis work is part of a larger development project dedicated to it. An ETS (Eye Tracker System) device has been developed and used with the dual purpose of aiding patient fixation and eye monitoring during treatment. Tue fixation point is provided to the patient via a red LED which is reflected on a mirror mounted at 45° on the distal part of the device. Through the same mirror the eye is monitored in real time thanks to the presence of a stereocamera placed at the base of the ETS connected to a display where the images of the treated eye are projected. This solution allows the radiotherapist, , to monitor the eye during treatment and to interrupt the irradiation in case of misalignment or involuntary movements. It is therefore necessary to correctly positioning the fixation point, and consequently the whole device, in order to provide the patient with a gaze as the direction prescribed by the treatment plan. In order to check and measure the right device position, it has been provided by a set of radiopaque markers with a particular geometry that, after an accurate calibration, allows the univocal determination of the 3D coordinates of the fixation point inside the device. This is possible becouse the device is desiged so that radiopaque markers, the fixation light and the mirror presents a fix geometry ans so the fixation point behaves as an element of a rigid body represented by the ETS. This is the way the device is able to operate clearly, LED fixation light and mirror is a fixed geometry and, therefore, the fixation point is involves an ’ETS body’ element. The verification of the correct positioning takes place through an optical system (OTS - Optical Tracking System) that monitors in real time the position of markers configuration installed on the device and consequently the position of fixation light provided to the patient. During the treatment in room the patient is seated in front of the collimator on a robotic chair (PPS - Patient Positionig System) with six degrees of freedom that allows correct positioning. The chair is predisposed to fix the patient’s head through a thermoplastic mask realized on the patient’s physiognomy. The patient’s position is monitored by a radiographic imaging system (PVS - Patient Verification System) consisting of two sources and two panels which, by acquiring images of the eye and detecting the position of the tantalum clips, is able to determine the necessary corrections to reach the planned position of the patient. To determine the correct configuration of the markers to be tracked with the OTS in the treatment room to provide the planned fixation point, a simulation environment called CNAO_ETS is used in CNAO. This dedicated software takes advantage of the planning information to provide the configuration of markers that ensures correct alignment of the fixation point to the planned gaze direction. Moreover, this application provides the possibility to make manual changes to the device configuration in order to optimize its positioning. This means avoiding collisions with the collimator and making sure that it does not obstruct the passage of protons towards the tumor. These positioning changes are made manually by the operator, through transformations that maintain the fixation point unaltered. This procedure presents some limitations in the clinical routine. Firstly, CNAO_ETS application does not present any feedback or information regarding the patients’ disposition. The collimator opening is generic, while collimators with openings based on the shape and size of the tumor to be treated are used in the clinic. Furthermore, any modification made to the position of the device requires a regeneration of the model with subsequent verification in the treatment room. All this greatly slows the process of preparing the treatment setup, also causing an additional use of the room that could be used for other purposes. The present thesis project aims to make improvements to the CNAO_ETS application so that the software provides and avoids any collision in to automatic way, thus significantly simplifying the procedures for the preparation of the treatment setup. In particular, the target of the thesis project is automate the optimization phase of the ETS positioning by providing a configuration of markers that: 1) avoid collisions both with the patient and with the collimator; 2) avoid obstruction of the proton beam; 3) maximise the distances between the device and the space occupied in the treatment room. To achieve these objectives, it was first necessary to implement a collision calculation software between two or more objects modelled in a virtual environment, so as to be able to exclude the configurations of the markers that lead the ETS to collide with the encumbrances in room. In order to have a reference to the position of the patient in room, a further algorithm was implemented to reconstruct the profile of the thermoplastic mask used to immobilize the head, starting from the CT volume acquired during the treatment procedure. The cylinder representing the proton beam has been replaced by a structure that consider the shape and size of the tumor. The information necessary for defining this structure is extrapolated directly from the treatment plan. Finally, through a simulation that includes about 620 different positions of the device, the algorithm chooses to configure markers that avoid collisions with encumbrances, which does not obstruct the passage of protons and that maximises the distances between the mask, the collimator and the device. During the thesis work, CNAO designed and implemented a new ETS device to be replaced with the one currently used in the clinic. To avoid checking the reliability of the new algorithm on a device that will not be used in the short term, it was decided to carry out validation measures using the new ETS. To make this possible, it was necessary to carry out procedures to verify the conformity of the device, of geometric modeling in software and calibration environment, aimed at a correct management and positioning both in the TAC room and in the treatment room. In order to validate the model, a campaign of acquisitions was carried out starting from the data of 11 patients treated in CNAO between October 2017 and July 2018, with the purpose of quantifying the reliability of the new algorithm in view of a future implementation in the clinic. The validation can be divided into: 1) verify that the configuration generated by the algorithm does not cause unexpected collisions in the treatment room; 2) quantify the difference between the ETS positioning and the mask obtained in the treatment room and that predicted by the application. Regarding the first objective, it was sufficient to reconstruct the treatment setup in room, bringing the chair in position with the PPS, in which the coordinates of each patient are registered, and the ETS, tracking with the OTS the configuration of the markers generated by the algorithm. Once in position, mask and collimator were inserted, having the possibility of detecting the presence or absence of collisions with the device. Of the 11 configurations studied, 10 did not present collisions, while one reported a collision between the device and the collimator. Considering the fact that, during the preparation of the treatment, all the models of the 11 patients had needed more than a manual modification of the positioning, we can see a reduction in the percentage of further checks in the room from 100% at 9%. The critically patient has a particular physiognomy that amplifies a limit of the collision detection software that will be described in the paragraph 2.1.1. It consists in the ability to manage only convex structures, which causes a closure of the thermoplastic mask region between the cheekbones and the nose. In this particular case the region discarded by the algorithm is too large, leading to an excessive approach of the device to the collimator. For the second target, the acquisitions for validation consist of images obtained through the radiographic system installed in the treatment room (PVS) corresponding to that used in the clinic to verify the correct positioning of the patient in room. The PVS consists of two sources and two panels, whose geometry in the room is carefully calibrated; this allows, starting from a pair of X-ray images, to reconstruct the three-dimensional coordinates of two corresponding points in the two panels through a triangulation. In order to make the best use of this imaging tool, it was decided to insert fiducial points both on the surface of the mask and on the distal part of the ETS (part that is more easily at risk of collision) with lead spheres with diameters of 1 mm, to obtain references on both objects that are clearly visible to the PVS. By inserting the position of these reputative points in the algorithm, in addition to determining the configuration of radiopaque markers for positioning in the treatment room, the application is also able to provide 3D coordinates of the lead spheres relative to this position. Two sets of coordinates are obtained in this way, the first relative to the position of the markers predicted by the algorithm and the second to the configuration obtained in the room, acquired through PVS. From these two sets of points it’s possible to evaluate the deviations between corresponding markers that quantifies the goodness of the positioning prediction performed by the algorithm, both of the ETS and of the mask. Having inserted a high number of fiducal points on both objects it was possible to obtain more measurements relating to their positioning in the room, thus facilitating the comparison between the two configurations. Also in this case, a positioning has shown some critical iusses. In fact, there are particular treatment angles that cause the interposition of the robotic arm dedicated to the positioning of the ETS between the source and the relative PVS panel. This causes the partial or total obscuring of the X-ray images not allowing recognition of fiducials to be reconstruct. For the remaining 9 patients, there were discrepancies between the three-dimensional points on average of 1,3 mm for the ETS and 1,5 mm for the mask that were considered satisfactory pondering the uncertainties introduced by imaging systems used. In particular, he best TAC volume reconstruction resolution uses voxel of (0,98 x 0,98 x 0,6) mm^3 while the PVS introduces a calibration error of approximately 0,4 mm and X-ray images have a resolution of (0,25 x 0,25) mm^2. To verify that these results are clinically acceptable, the deviations detected by mask and ETS have been translated into angular deviations from the planned treatment look, in order to understand how much these residues modify the direction of the patient’s gaze. Usually deviations less then one degree from the planned direction are considered acceptable in the clinic. The deviations obtained during the validation lead to deviations abundantly below the degree with an average of 0,26° and the maximum peaks of 0,6°. There are many future implications related to this thesis work that will engage the research activities in CNAO. It should be specified that this thesis work follows a purely geometric approach, without considering any information on the visibility of the eye by the ETS internal camers dedicated to eye monitoring. The setting up of a new experimental setup has already begun, which allows obtaining feedback on the visibility of the eye by the cameras following the positioning proposed by the algorithm. The cameras and the necessary electronics have been installed in the new device with which measures similar to those shown in the thesis validation will be carried out. Furthermore, to study a more significant sample of patients, 9 other thermoplastic masks have already been collected, so as to reach 20 units. If this new experimental activity will bring good results, it will be possible to insert in the algorithm a further constraint on the positioning of the device that imposes the visibility of the operator by defining a structure representing the field of view of the ETS. During treatment it is essential that the tantalum clips applied to the patient’s eye are visible from the PVS, so that the correct positioning of the patient is monitored. As mentioned, the presence of the robotic arm can be problematic if it is interposed between the elements of the radiographic system, preventing the visibility of the clips. For this reason, the insertion of a model that represents the robotic arm could allow the algorithm to predict for which configurations the obscuration of the X-ray images corresponds to the clips. This is possible by knowing both the PVS geometry in the room and the isocentric coordinates of the tantalum clips. By making the changes just described, the algorithm would be able to provide the user with all means, hardware and software, to avoid intervention in every phase of the process, making a final check sufficient. The output of the algorithm would consist of a device configuration that: 1) provides a fixation point in accordance with the direction of the planned gaze; 2) avoids collisions with the collimator and the specific mask for the patient being treated; 3) avoids obstructing the proton beam, whose opening is specific to the tumor to be treated; 4) maximizes distances with room encumbrances; 5) does not cause the interposition of the robotic arm between PVS sources and panels, allowing the visibility of all clips implanted in the patient’s eye; 6) allows the chambers inside to monitor the eye during treatment. Finally, a CNAO project is to improve eye monitoring by implementing an eye tracking algorithm that can assist the radiotherapist during the treatment with an automathic control of the eye in real time. The ETS device in use in CNAO has been designed to work as an eye tracker needing no hardware modifications to make it suitable for this purpose. In conclusion, the row positioning, described previously, through manual modifications of the device has been replaced by an automatic optimization algorithm that estimates the distances between the ETS and the room encumbrances and consequently is able to detect any collisions. The modeling application has become specific patient, considering both the characteristics of the patient’s physiognomy and the form of the tumor of interest. These advantages, together with the developments expected in the short term, will lead to a greater uniformity of the clinical workflow related to the treatment of ocular tumors in CNAO, excluding as much as possible the need to make changes to the setup, resulting in the occupation of room for the verification of the correctness of the model.

Il tumore intraoculare è una patologia rara, che rappresenta circa il 5% delle neoplasie diagnosticate, ma altamente maligna. Lo standard di terapia per il melanoma oculare è stato per molti anni l’enucleazione, successivamente sostituito da terapie che si propongono di distruggere la massa tumorale preservando integre le capacità visive dell’occhio. Tra queste le terapie più efficaci sono la brachiterapia, la radioterapia stereotassica e la protonterapia. La brachiterapia è una particolare forma di radioterapia che consiste nel posizionamento di sorgenti radioattive direttamente sulla zona interessata al trattamento. Una caratteristica peculiare della brachiterapia è che colpisce solo organi e cellule situati intorno alla sorgente, preservando i tessuti sani posti più lontano dalla fonte. Nella radioterapia stereotassica il tumore viene investito da un fascio di fotoni provenienti da diverse direzioni, in modo da ottenere una maggior deposizione della dose (intersezione dei fasci) in corrispondenza della lesione. In protonterapia, invece, il tumore viene irradiato con fasci di protoni capaci di una maggiore selettività rispetto ai fotoni: i fasci presentano infatti un picco di energia ad una profondità di penetrazione specifica, determinata dall’energia del fascio, e da una bassa deposizione di dose in ingresso. La protonterapia permette, quindi, una distribuzione del dosaggio più conforme alla massa tumorale rispetto ai trattamenti con fotoni ed è per questo considerata la terapia più adatta al trattamento di lesioni oculari. Per determinare la posizione della lesione vengono impiantate delle clip sulla superficie esterna della sclera dell’occhio malato a contorno della massa tumorale. Queste clip sono realizzate in tantalio, un materiale inerte e radiopaco, visibile quindi su immagini radiografiche. L’acquisizione di tali immagini e il riconoscimento delle clip in tantalio permette di identificare la geometria ottimale di trattamento allo scopo di irradiare in maniera completa il volume del tumore, risparmiando il più possibile i tessuti sani circostanti. Questo è effettuatotramite un software dedicato (TPS - Treatment Planning System) che contiene un modello geometrico dell’occhio del paziente e della posizione della lesione al suo interno. Il TPS è in grado di fornire la deviazione da apportare all’occhio per allineare la massa al fascio espressa tramite una coppia di angoli (polare e azimutale). In fase di trattamento questo si traduce in una partecipazione attiva del paziente che deve mantenere quella direzione dello sguardo predeterminata affinchè la massa sia correttamente allineata al fascio. Il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica di Pavia (CNAO) ha attivato un protocollo di trattamento di lesioni intraoculari dall’Agosto del 2016 ed il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno di un più ampio progetto di sviluppo ad esso dedicato. In CNAO è utlizzato un dispositvo ETS (Eye Tracker System) al duplice scopo di ausilio alla fissazione del paziente e di monitoraggio dell’occhio durante il trattamento. Il punto di fissazione viene fornito al paziente tramite un LED rosso che si riflette su uno specchio montato a 45° sulla parte distale del dispositivo. Attraverso lo stesso specchio l’occhio viene monitorato in tempo reale grazie alla presenza di una stereocamera posta alla base dell’ETS collegata ad un display su cui vengono proiettate le immagini dell’occhio trattato che permettono al radioterapista, da remoto, di monitorare l’occhio durante il trattamento ed interrompere l’irradiamento nel caso di movimenti involontari ritenuti eccessivi. È necessario, dunque, posizionare accuratamente il punto di fissazione (immagine virtuale generata dalla riflessione del LED sullo specchio dell’ETS), e di onseguenza tutto il dispositivo, in modo da fornire al paziente un ausilio allo sguardo conforme con la prescrizione di direzione del piano di trattamento. Allo scopo di controllare e verificare il corretto posizionamento del dispositivo, esso è stato munito di un set di marcatori radiopachi con una particolare geometria che, dopo un’accurata calibrazione, consente la determinazione univoca delle coordinate 3D del punto di fissazione interno al dispositivo. Questo è possibile poichè il dispositivo è progettato in modo tale che marcatori radiopachi, luce LED di fissazione e specchio presentino una geometria fissa e, quindi, il punto di fissazione si comporta come un elemento del corpo rigido rappresentato dall’ETS. La verifica del corretto posizionamento del dispositivo avviene tramite un sistema ottico (OTS - Optical Tracking System) che monitora in tempo reale la posizione della configurazione dei marcatori installata sul dispositivo e conseguentemente la posizione della luce di fissazione fornita al paziente. Durante il trattamento in sala il paziente è seduto di fronte al collimatore su una sedia robotica (PPS - Patient Positionig System) a sei gradi di libertà che ne consente il corretto posizionamento. La sedia è predisposta al fissaggio della testa del paziente tramite una maschera termoplastica realizzata sulla fisionomia del paziente. La posizione del paziente è monitorata da un sistema di imaging radiografico (PVS - Patient Verification System) costituito da due sorgenti e due pannelli che, acquisendo immagini del’occhio e rilevando la posizione delle clip in tantalio è in grado di determinare le correzioni da apportare alla sedia per raggiungere la posizione pianificata per il trattamento. Per determinare la corretta configurazione dei marcatori da inseguire con l’OTS in sala di trattamento per fornire il punto di fissazione pianificato, viene utilizzato in CNAO un ambiante di simulazione chiamato CNAO_ETS. Questo software dedicato sfrutta le informazioni di pianificazione per fornire la configurazione dei marcatori che garantisce un corretto allineamento del punto di fissazione alla direzione dello sguardo pianificato. Inoltre, tale applicazione fornisce la possibilità di apportare modifiche manuali sulla configurazione del dispositivo allo scopo di ottimizzarne il posizionamento. Con ciò si intende evitarne collisioni con il collimatore e fare in modo che non ostruisca il passaggio di protoni verso il tumore. Queste modifiche di posizionamento vengono apportate manualmente dall’operatore, tramite delle trasformazioni che mantengono il punto di fissazione inalterato. Questa procedura presenta dei limiti su diversi fronti. Il primo luogo l’applicazione CNAO_ETS non presenta alcun riferimento alla presenza del paziente in sala, non permettendo all’utente di evitare che il dispostitivo collida con la maschera, ma considerando come ingombro solamente il collimatore. L’apertura del collimatore è generica mentre in clinica vengono utilizzati collimatori con aperture basate sulla forma e dimensione del tumore da trattare. Inoltre, ogni modifica apportata alla posizione del dispositivo necessita di una rigenerazione del modello con conseguente verifica in sala di trattamento. Tutto ciò rallenta molto la processo di preparazione del setup di trattamento, causando inoltre un impiego aggiuntivo della sala che potrebbe essere invece utilizzata per altri scopi. Il presente progetto di tesi ha come obiettivo di apportare delle migliorie all’applicazione CNAO_ETS in modo che il software preveda ed eviti eventuali collisioni in maniera automatica alleggerendo quindi in modo significativo le procedure di preparazione del setup di trattamento. In particolare, l’obiettivo si traduce nell’automatizzare la fase di ottimizzazione del posizionamento dell’ETS fornendo in uscita una configurazione di marcatori che: 1) eviti collisioni sia con il collimatore che con il paziente; 2) eviti l’ostruzione del fascio di protoni; 3) massimizzi le distanze tra il dispositivo e gli ingombri in sala. Per il raggiungimento di tali obiettivi è stata innanzitutto necessaria l’implementazione di un software di calcolo delle collisioni tra due o più oggetti modellizzati in ambiente virtuale, in modo da poter escludere le configurazioni dei marcatori che portano l’ETS ad urtare contro gli ingombri di sala. Inoltre, per avere un riferimento sulla posizione del paziente in sala, si è implementato un ulteriore algoritmo in grado di ricostruire il profilo della maschera termoplastica adibita al bloccaggio della testa, a partire dal volume TAC acquisito durante l’iter di trattamento. Il cilindro che rappresenta il fascio di protoni è stato sostituito da una struttura che tiene conto della forma e della dimensione del tumore. Le informazioni necessarie alla definizione di tale struttura vengono estrapolate direttamente dal piano di trattamento. Infine, tramite una simulazione che comprende circa 620 diversi posizionamenti del dispositivo, viene scelta dall’algorimo la configurazione di marcatori che evita collisioni con ingombri, che non ostruisce il passaggio di protoni e che massimizza le distanze tra maschera, collimatore e dispositivo. Inoltre, in concomitanza con il lavoro di tesi CNAO ha progettato e realizzato un nuovo dispositivo ETS da sostituire a quello attualmente utilizzato in clinica. Per evitare di verificare l’affidabilità del nuovo algoritmo su un dispositivo che a breve non verrà più utilizzato, si è optato per effettuare delle misure di validazione usufruendo del nuovo ETS. Per rendere possibile ciò è stato necessario effettuare delle procedure di verifica della conformità realizzativa del dispositivo, di modellizzazione geometrica in ambiente software e di calibrazione, volta ad una corretta gestione e posizionamento sia in sala TAC che in sala di trattamento. Per la validazione del modello si è proceduto ad una campagna di acquisizioni a partire dai dati di 11 pazienti trattati in CNAO tra Ottobre 2017 e Luglio 2018, con lo scopo di quantificare l’affidabilità del nuovo algoritmo in vista di una futura implementazione in clinica. La validazione si può suddividere in: 1) verificare che la configurazione generata dall’applicazione non causi in sala di trattamento collisioni non previste; 2) quantificare la differenza tra il posizionamento di ETS e maschera ottenuto in sala di trattamento e quello predetto dall’applicazione. Per quanto riguarda il primo obiettivo è stato sufficiente ricostruire il setup di trattamento in sala, portando in posizione la sedia con il PPS, nel quale sono registrate le coordinate di ogni paziente, e l’ETS, inseguendo con l’OTS la configurazione dei marcatori generata dall’algoritmo. Una volta in posizione si inseriscono maschera e collimatore avendo la possibilità di rilevare la presenza o meno di collisioni con il dispositivo. Delle 11 configurazioni studiate 10 non hanno presentato collisioni, mentre una ha riportato un urto tra dispositivo e collimatore. Considerando il fatto che, in fase di preparazione del trattamento, tutti modelli degli 11 pazienti avevano necessitato di più di una modifica manuale del posizionamento, si può constatare un abbattimento della percentuale di verifiche ulteriori in sala dal 100% al 9%. Il paziente che ha riportato la criticità presenta una fisionomia particolare che amplifica un limite del software di rilevamento delle collisioni. Esso consiste nella capacità di gestire solamente strutture convesse, il che causa una chiusura della regione della maschera termoplastica tra gli zigomi e il naso. In questo caso particolare la regione scartata dall’algoritmo è troppo estesa, portando il dispositivo troppo a ridosso del collimatore. Passando al secondo obiettivo, le acquisizioni per la validazione consistono in delle immagini ottenute tramite il sistema radiografico installato in sala di trattamento (PVS) corrispondente a quello utilizzato in clinica per verificare il corretto posizionamento del paziente in sala. Il PVS è costituito da due sorgenti e due pannelli, la cui geometria in sala è accuratamente calibrata; questo permette, a partire da una coppia di immagini radiografiche, di ricostruire le coordinate tridimensionali di due punti corrispondenti nei due pannelli attraverso una triangolazione. Per usufruire al meglio di questo strumento di imaging si è optato per l’inserimento di punti di repere sia sulla superficie della maschera che sulla parte distale dell’ETS (parte che più facilmente è a rischio di collisione) con delle sferette di piombo di diametro di 1 mm, per ottenere dei riferimenti su entrambi gli oggetti che siano ben visibili al PVS. Inserendo la posizione di tali punti di repere nell’algoritmo, oltre a determinare la configurazione dei marcatori radiopachi per il posizionamento in sala di trattamento, l’applicazione è in grado di fornire anche coordinate 3D delle sferette in piombo relative a tale posizione. Si ottengono così due set di coordinate, il primo relativo alla posizione dei marcatori predetta dall’algoritmo e il secondo alla configurazione ottenuta in sala, acquisita tramite PVS. Da questi due set di punti è possibile determinare degli scostamenti tra marcatori corrispondenti che quantifica la bontà della predizione del posizionamento da parte dell’applicazione, sia dell’ETS che della maschera. Avendo inserito un alto numero di punti di repere su entrambi gli oggetti è stato possibile ottenere più misure relative al loro posizionamento in sala, facilitando dunque il confronto tra le due configurazioni. Anche in questo caso un posizionamento ha riportato delle criticità. Vi sono infatti dei particolari angoli di trattamento che causano l’interposizione del braccio robotico dedicato al posizionamento dell’ETS tra sorgente e relativo pannello del PVS. Ciò causa l’oscuramento parziale o totale delle immagini radiografiche non consentendo il riconoscimento dei punti di repere da ricostruire. Per i 9 pazienti restanti sono stati ottenuti degli scostamenti tra i punti tridimensionali in media di 1,3 mm per l’ETS e di 1,5 mm per la maschera che sono stati ritenuti soffisfacenti considerando le incertezze introdotte dai sistemi di imaging utilizzati. In particolare, la migliore risoluzione di ricostruzione del volume TAC utilizza voxel di (0,98 x 0,98 x 0,6) mm^3 mentre il PVS introduce un errore di calibrazione di circa 0,4 mm e le immagini radiografiche hanno una risoluzione di (0,25 x 0,25) mm^2. Per verificare che questi risultati siano clinicamente accettabili sono stati tradotti gli scostamenti rilevati per maschera ed ETS in deviazioni angolari dallo sguardo di trattamento pianificato, in modo da capire quanto tali residui vadano a modificare la direzione dello sguardo del paziente. Abitualmente in clinica si considerano accettabili deviazioni dalla direzione pianificata inferiori ad un grado. Gli scostamenti ottenuti durante la validazione portano a deviazioni abbondantemente sotto il grado con una media di 0,26° e dei picchi massimi di 0,6°. Vi sono molteplici risvolti futuri legati a questo lavoro di tesi che impegneranno le attivitià di ricerca in CNAO. Va specificato che il presente lavoro di tesi segue un approccio prettamente geometrico, senza considerare alcuna informazione sulla visibilità dell’occhio da parte delle camere interne all’ETS dedicate al monitoraggio dell’occhio. A tale scopo è già dato inizio alla messa a punto di un nuovo setup perimentale, che permetta di ottenere dei feedback sulla visibilità dell’occhio da parte delle camere a seguito del posizionamento proposto dall’algoritmo. Si è dunque proceduto nell’istallazione delle camere e dell’elettronica necessaria all’interno del nuovo dispositvo con il quale si effettueranno delle misure analoghe a quelle riportate per la validazione del modello. Inoltre, per studiare un campione di pazienti più significativo sono già state collezionate altre 9 maschere termoplastiche, così da raggiungere le 20 unità. Se questa nuova attività sperimentale porterà buoni risultati sarà possibile inserire nell’algoritmo un ulteriore vincolo sul posizionamento del dispositivo che imponga la visibilità dell’occhiio tramite la definizione di una struttura rappresentante il field of view dell’ETS. Durante il trattamento è fondamentale che le clip in tantalio applicate all’occhio del paziente siano visibili dal PVS, così da monitorare il corretto posizionamento del paziente. Come accennato, la presenza del braccio robotico può essere problematica nel caso in cui si interponga tra gli elementi del sistema radiografico impedendo la visibilità delle clip. Per questo motivo l’inserimento di un modello che rappresenti il braccio robotico potrebbe permettere all’algoritmo di prevedere per quali configurazioni si presenta l’oscuramento delle immagini radiografiche in corrispondenza delle clip. Ciò è possibile conoscendo sia la geometria del PVS in sala che le coordinate isocentreche delle clip in tantalio. Apportando le modifiche appena descritte l’algoritmo sarebbe in grado di fornire all’utente tutti gli strumenti, hardware e software, per evitarne l’intervento in ogni fase dell’iter, rendendo sufficiente un controllo finale. L’output dell’algoritmo consisterebbe in una configurazione del dispositivo che: 1) fornisce un punto di fissazione conforme alla direzione dello sguardo pianificata; 2) evita collisioni con il collimatore e la maschera specifica per il paziente in trattamento; 3) evita di ostruire il fascio di protoni, la cui apertura è specifica per il tumore da trattare; 4) massimizza le distanze con gli ingombri in sala; 5) non causa l’interposizione del braccio robotico tra sorgenti e pannelli del PVS, consentendo la visibilità di tutte le clip impiantate nell’occhio del paziente; 6) permette alle camere al suo interno il monitoraggio dell’occhio durante il trattamento. Infine, un progetto di CNAO è quello di rendere automatico il monitoraggio dell’occhio tramite l’implementazione di un algoritmo di eye tracking che possa essere di ausilio al radioterapista durante il trattamento. Il dispositivo ETS in uso in CNAO è stato realizzato con lo scopo di funzionare da eye tracker non rendendo necessarie modifiche all’hardware che lo rendino più adatto a questo scopo. In conclusione il posizionamento approssimativo, descritto in precedenza, tramite modifiche manuali del dispositivo è stato sostituito da un algoritmo di ottimizzazione automatico che stima le distanze tra l’ETS e gli ingombri di sala e di conseguenza è in grado di rilevarne eventuali collisioni. L’applicazione di generazione dei modelli è divenuta paziente specifica, considerando sia le caratteristiche della fisionomia del paziente che la forma del tumore d’interesse. Tali vantaggi, assieme agli sviluppi previsti nel breve termine , porteranno ad una maggiore uniformità del workflow clinico relativo al trattamento di tumori oculari in CNAO, escludendo il più possibile la necessità di apportare modifiche al setup, con conseguente occupazione di sala per la verifica della correttezza del modello.