Calibrazione di sistemi di X-ray imaging in-room dedicati al posizionamento del paziente oncologico nel trattamento di adroterapia

Hadrontherapy is a form of radiotherapy based on the use of particle beams and dedicated to the treatment of tumors that are difficult to operate or resistant to conventional therapy. The verification of the correct positioning of the patient in the treatment room is a crucial aspect for the success of hadronic therapy. An optical alignment system provides an initial correction vector to the positioning system, using information about external markers placed on the patient both during planning and pre-treatment. Increased alignment accuracy between the neoplasm and the particle beam is ensured by the use of an in-room X-ray imaging system useful for the description of the patient's soft tissue setup in the moments just before the delivery of the therapeutic dose. The numerous constraints and structural encumbrances existing in the room make most of the systems currently available on the market for this purpose unusable. The solution proposed by the National Centre for Oncological Hadrontherapy (CNAO, sited in Pavia, Italy) consists in the use of a robotic manipulator equipped with a custom C-arm, which integrates an X-ray generation tube and a Flat Panel Detector. The objective of this study is the formulation of accurate calibration methods for the kinematic and structural description of the system. The description of the robot movement with regard to an external reference frame (Robot-World calibration) is carried out focusing on the performance achieved and the applicability of the procedures involved. Three data collection approaches and three solving algorithms are proposed and compared. The results, obtained in the Simulation Room of CNAO, show that the combination of a semi-manual collection of points with the use of an algorithm that explores the volume as a whole guarantees an accuracy in the order of magnitude of the tenth of a millimeter in the positioning of the manipulator's Tool Center Point. The characterization of the geometric non-ideality of the C-arm structure during the realization of the rotation trajectory (geometric calibration) is obtained starting from a procedure of minimization of the back-projection error of a dedicated phantom. The proposed resolving approach allows a consistent and realistic estimation of the geometrical parameters involved and ensures applicability to single static projections or to acquisitions obtained with CBCT technique.

L'adroterapia è una forma di radioterapia basata sull'impiego di fasci di particelle e dedicata alla cura di tumori difficilmente operabili o resistenti alla terapia convenzionale. La verifica del corretto posizionamento del paziente in sala trattamento è un aspetto di cruciale importanza per la buona riuscita della terapia adronica. Un sistema di allineamento ottico fornisce un primo vettore di correzione al sistema di posizionamento, sfruttando informazioni relative a marker esterni, posti sul paziente sia in fase di pianificazione che in fase di pre-trattamento. L'incremento dell'accuratezza di allineamento tra la neoplasia e il fascio di particelle è garantito dall'utilizzo di un sistema di X-ray imaging in-room utile alla descrizione dell'assetto dei tessuti molli del paziente negli istanti appena antecedenti la somministrazione della dose terapeutica. I numerosi vincoli e ingombri strutturali presenti in sala rendono inutilizzabili gran parte dei sistemi attualmente disponibili in commercio preposti a tale scopo. La soluzione proposta dal Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica di Pavia risiede nell'uso di un manipolatore robotico equipaggiato con un C-arm custom, che integra un tubo di generazione di raggi X e un Flat Panel Detector. Obiettivo di questo elaborato è la formulazione di metodiche di calibrazione accurate per la descrizione cinematica e strutturale del sistema. La descrizione del movimento del robot con riferimento ad una terna esterna (calibrazione Robot-World) è effettuata ponendo particolare attenzione alle performance ottenute e all'applicabilità delle procedure coinvolte. Sono proposti e confrontati tre approcci di raccolta dati e altrettanti algoritmi risolutivi. I risultati, ottenuti in Sala Simulazione di CNAO, dimostrano che la combinazione di una collezione semi-manuale di punti con l'utilizzo di un algoritmo che esplori il volume nella sua globalità garantisce una precisione nell'ordine di grandezza del decimo di millimetro nel posizionamento del Tool Center Point del manipolatore. La caratterizzazione delle non-idealità geometriche della struttura del C-arm in fase di realizzazione della traiettoria di rotazione (calibrazione geometrica) è ottenuta a partire da una procedura di minimizzazione dell'errore di retroproiezione di un phantom dedicato. L'approccio risolutivo proposto permette una stima consistente e realistica dei parametri geometrici coinvolti e garantisce applicabilità a singole proiezioni statiche o ad acquisizioni con tecnica CBCT.