Comparative analysis of CBCT reconstruction methods : evaluation of clinical practice at CNAO and investigations on image quality improvement

Radiation therapy is a clinical practice that uses ionizing radiation to treat cancer lesions, exploiting the ability of such radiation to damage the DNA of the target cells irreparably and thus prevent it from proliferating. The efficacy of this technique lies in the ability to release the radiation dose sufficient to guarantee local control of the tumor tissue, without damaging the healthy tissues and surrounding organs at risk. An advanced radiotherapy technique that is gaining more and more importance in recent years is hadrontherapy, a treatment that uses charged particles - also called hadrons - instead of photons. This technique has a greater precision, but arouses the need for greater accuracy in the alignment between the beam and the target, since a positioning error in this case causes greater damage to the patient. To meet this need, it is common to use in-room imaging systems for daily verification of correct patient positioning, such as the Cone-Beam CT (CBCT). In this thesis, the reconstruction method implemented at the National Center of Oncological Hadrontherapy (CNAO) in Pavia is evaluated, alternative reconstructions are tested, and a preliminary evaluation is made of a CBCT projection correction method present in the literature on CNAO data. The method currently implemented is the best among those proposed, but suggestions are given for the use of alternative algorithms, for example for the evaluation of soft tissues. Preliminary results on the correction method suggest that, properly optimized, it could play an important role in improving image quality.

La radioterapia è una pratica clinica che utilizza radiazioni ionizzanti per il trattamento di lesioni tumorali, sfruttando la capacità di tali radiazioni di danneggiare il DNA delle cellule bersaglio in maniera irreparabile e impedire così che proliferino. L’efficacia di questa tecnica risiede nella capacità di rilasciare la dose di radiazione sufficiente a garantire un controllo locale del tessuto tumorale, senza danneggiare i tessuti sani e gli organi a rischio circostanti. Una tecnica di radioterapia avanzata che negli ultimi anni sta acquistando sempre più importanza è l’adroterapia, una forma di trattamento che impiega particelle cariche – anche dette adroni – al posto dei fotoni. Tale tecnica ha una maggiore precisione, ma comporta la necessità di una maggiore attenzione nell’allineamento tra il fascio e il bersaglio, poiché un errore di posizionamento in questo caso provoca un danno maggiore al paziente. Per rispondere a tale necessità, è uso comune l’adozione di sistemi di imaging in-room per la verifica quotidiana del corretto posizionamento del paziente, come la Cone-Beam CT (CBCT). In questa tesi viene valutato il metodo di ricostruzione implementato al Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) di Pavia, vengono testate delle ricostruzioni alternative, e viene fatta una valutazione preliminare di un metodo di correzione delle proiezioni CBCT a posteriori presente in letteratura su dati CNAO. Il metodo attualmente implementato in clinica risulta essere il migliore tra quelli proposti, ma vengono forniti spunti per l'utilizzo di algoritmi alternativi, ad esempio per la valutazione dei tessuti molli. I risultati preliminari sul metodo di correzione suggeriscono che, opportunamente ottimizzato, potrebbe avere un ruolo importante nel miglioramento della qualità dell'immagine.