Integration of magnetic resonance imaging and fundus photography for a personalized eye model in proton therapy of ocular tumours

Uveal melanomas are relatively rare (representing the 3-5% of all the melanomas), but highly malignant disease, for which until the 1970s the primary therapeutic choice was organ enucleation. In the last decades however, treatment modalities have moved towards more conservative approaches and nowadays Ocular Proton Therapy (OPT) is considered the clinical standard. Several institutions reported a local tumor control of 90%. However, OPT requires an invasive surgical procedure in which tantalum markers (clips) are implanted on the sclera surface. they have different tasks: (i) they serve as landmarks for delineating the tumor and for the creation of the geometrical patient eye model through the treatment planning system EYEPLAN. (ii) They are used as a geometrical reference for patient positioning before the treatment. This work of thesis is part of an ongoing research project between Politecnico di Milano and Paul Scherrer Institut (Villigen, Switzerland) aiming at the realization of a complete ocular melanoma treatment workflow without the use of clips. This work wants to investigate the possibility of realizing a complete eye model based on the patient specific anatomy starting from the MRI scans. Due to its high soft tissue contrast, a lot of different structures inside the eye are distinguishable, potentially enabling the creation of a patient specific model. In particular, the aim of this work is to improve MRI-based target volume definition within the MRI model by including additional information that come from another imaging modality, the fundus photography. The fundus image is a high resolution photograph of the inner surface of the eye (retina), acquired through the pupil aperture with a dedicated camera, able to capture the tumor and the notable eye structures such as macula, optic disk and blood vessels. The MRI fundus fusion is performed through a two corresponding points registration: macula and optic disk. Despite they are clearly visible in the fundus photography (if acquired), unfortunately, they are not directly visible in the MRI volumes. Although, the optic disk can be easily found at the intersection between two structures both visible in the MR scans and the macula, being differently positioned in every patient, can be identify according to two anatomical constraints which present a high variability. This work proposes an innovative method for the identification of the macula through an ‘Image-based’ approach and through a novel registration process, that will be implemented on EYEPLAN, able to consider the fundus acquisition geometry. This allow the creation of an enhanced MRI model in which the tumor volume is generated by including the tumor information that comes from the fundus photography and which could provide a patient-specific eye model, obtained without the use of the clips, that one day could be adopted in a clipless workflow.

I melanomi uveali sono relativamente rari (rappresentano il 3-5% di tutti i melanomi), ma altamente maligni, per i quali, fino al 1970, la scelta terapeutica primaria era l'enucleazione, ovvero la completa rimozione dell'occhio. Negli ultimi decenni, tuttavia, le modalità di trattamento si sono spostate verso approcci più conservativi e oggigiorno la protonterapia oculare (OPT) è considerata lo standard clinico. Diverse istituzioni riportano un controllo locale del tumore del 90%. Tuttavia, l'OPT richiede una procedura chirurgica invasiva in cui dei marcatori al tantalio (clip) vengono impiantati sulla superficie della sclera. Essi hanno diversi compiti: (i) vengono utilizzati per la delineazione della base del tumore e per la creazione di un modello geometrico dell'occhio del paziente attraverso il sistema di pianificazione del trattamento EYEPLAN. (ii) Vengono utilizzati come riferimento geometrico per il posizionamento del paziente prima del trattamento. Questo lavoro di tesi fa parte di un progetto di ricerca in corso tra il Politecnico di Milano e il Paul Scherrer Institut (Villigen, Svizzera) che ha l'obiettivo di realizzare un workflow nel quale non sia necessario l’utilizzo delle clip. L’obiettivo di questo lavoro consiste nell’investigare la possibilità di realizzare un modello oculare completo e paziente specifico a partire dai volumi generati tramite risonanza magnetica (RM). Grazie all'elevato contrasto dei tessuti molli, è possibile distinguere la maggior parte delle strutture dell'occhio, che potenzialmente permettono la realizzazione di un modello oculare paziente specifico. In particolare, questo lavoro si pone l’obiettivo di migliorare la definizione del volume tumorale ottenuto in RM andando a includere informazioni aggiuntive che provengono da un'altra modalità di imaging, la fotografia del fundus (fundus photography). L'immagine del fundus è una fotografia ad alta risoluzione della superficie interna dell'occhio (retina), acquisita attraverso l'apertura della pupilla con una fotocamera dedicata, in grado di catturare il tumore e altre strutture oculari come macula, disco ottico e vasi sanguigni. La fusione tra fundus e RM viene eseguita attraverso un processo di registrazione tra due punti corrispondenti: macula e disco ottico. Nonostante essi siano chiaramente visibili nella fotografia del fundus (se presenti nel field of view), sfortunatamente, non sono direttamente visibili nei volumi di RM. Tuttavia, il disco ottico può essere facilmente trovato all'intersezione tra due strutture entrambe visibili nelle scansioni RM e la macula, essendo posizionata diversamente in ogni paziente, può essere identificata in base a due vincoli anatomici che presentano un'alta variabilità. Questo lavoro propone un metodo innovativo per l'identificazione della macula attraverso un approccio "Image based" e attraverso un innovativo processo di registrazione, che verrà implementato sul modello EYEPLAN, in grado di tenere in considerazione la geometria di acquisizione dell’immagine del fundus. Ciò consente la creazione di un modello dell’occhio basato su risonanza magnetica nel quale il volume tumorale è generato includendo le informazioni che provengono dall’immagine del fundus. Il nostro metodo permette la realizzazione di un modello oculare completo, paziente specifico e senza l’utilizzo delle clip, il quale, un giorno, potrebbe essere adottato in un workflow ’clipless’.