Sviluppo e valutazione di una tecnica di tumour tracking basata su modelli di correlazione interno esterno costruiti da acquisizioni Cone-Beam CT

The purpose of this thesis work consists in the development and experimental evaluation of a tumor tracking technique to compensate organ motion in radiotherapy treatments of extra-cranial lesions. The technique investigated is based on internal-external correlation models, to predict the current position of the lesion starting from the displacement of the patient's thoraco-abdominal surface acquired with non-invasive optical systems. The innovative aspect of the proposed approach is the use of CBCT scans, which are conventionally acquired at the beginning of each treatment session for the patient's daily setup. The surrogate respiratory signal extracted from the motion of the whole thoraco-abdominal surface of the patient is used as input of the correlation models, while the desired output is represented by the 3D trajectory of the tumour, derived from all the CBCT projections. The technique investigated was tested on a clinical dataset including 6 patients with lung cancer. The available data for each patient are made of two CBCT scans performed within the same session, synchronized with the acquisition of the optical surface. The internal-external correlations models have been initialized using data obtained from the first scan CBCT, while the accuracy of tracking was evaluated on the second CBCT, calculating the distance between the 3D position of the lesion estimated with models and the reference coordinates identified on the CBCT projections. We implemented different correlation models which include simple linear and quadratic state models, and complex neural networks and fuzzy systems. For all models tracking errors were lower than 1.1 mm for each spatial direction of tumour movement. The highest accuracy in estimating the tumour position was obtained with neural networks, which showed an averaged 3D tracking errors over all patients equal to 1.56 mm for the second CBCT. Compared to systems currently employed in tumour-tracking radiotherapy treatments, the main advantage of the proposed method consists in the use of CBCT scans already provided in the pre-treatment, without requiring additional radiographic acquisitions. Other benefits are related to the availability of a greater number of samples for the construction of the correlation models, acquired during the entire CBCT scan lasting about 2 minutes. This aspect results in a potentially greater accuracy and robustness in capturing the complex dynamics of the internal-external correlation, involving a lesser need of updating models during the entire treatment.

In questo lavoro di tesi ci siamo proposti lo sviluppo e la valutazione di una tecnica di tumour tracking per il monitoraggio e la compensazione dei movimenti intra-frazione legati prevalentemente al respiro in trattamenti radioterapici di lesioni extra-craniche. La tecnica investigata si basa su modelli di correlazione interno-esterno, per predire la posizione corrente della lesione a partire dallo spostamento della superficie toraco-addominale del paziente acquisita con sistemi ottici non invasivi. L'aspetto innovativo dell'approccio proposto per la costruzione dei modelli consiste nell'utilizzo delle informazioni provenienti da scansioni CBCT, che sono convenzionalmente acquisite all'inizio dei trattamenti ad alta precisione per il posizionamento del paziente. Come input dei modelli di correlazione viene utilizzato il segnale respiratorio surrogato estratto dallo spostamento dell'intera superficie toraco-addominale del paziente, mentre l'uscita desiderata è rappresentata dalla traiettoria 3D della lesione, ricavata dalle singole proiezioni CBCT. La tecnica investigata è stata testata su un dataset clinico comprendente 6 pazienti affetti da tumore al polmone. I dati disponibili per ciascun paziente consistono in due scansioni CBCT effettuate all'interno della stessa seduta, sincronizzate con l'acquisizione ottica della superficie esterna. I modelli di correlazioni interno-esterno sono stati inizializzati utilizzando i dati di ingresso-uscita ricavati dalla prima scansione CBCT, mentre l'accuratezza di tracking è stata valutata sulla seconda CBCT, calcolando la distanza tra la posizione 3D della lesione stimata con i modelli e le coordinate di riferimento identificate sulle proiezioni CBCT. Sono stati implementati diversi modelli di correlazione con complessità crescente, che includono modelli di stato lineari e quadratici, reti neurali e sistemi fuzzy. Per tutti i modelli, gli errori di tracking sono risultati inferiori a 1.1 mm per ogni direzione spaziale di movimento della lesione. La maggior accuratezza di stima della posizione della lesione si è ottenuta con il modello basato sulle reti neurali, che ha mostrato errori 3D mediati su tutti i pazienti di 1,56 mm. Rispetto ai sistemi di tumour tracking attualmente impiegati nei trattamenti di radioterapia, il vantaggio principale del metodo proposto consiste nell'utilizzo di scansioni CBCT già previste nella fase di pre-trattamento, senza richiedere ulteriori acquisizioni radiografiche. Altri benefici sono relativi alla disponibilità di un maggior numero di campioni per la costruzione dei modelli di correlazione, acquisiti per l'intera durata di alcuni minuti della scansione CBCT. Tale aspetto si traduce potenzialmente in una maggiore accuratezza e robustezza nel catturare la dinamica complessa della correlazione interno-esterno, lasciando ipotizzare una minore necessità di aggiornamento dei modelli durante l'intero trattamento.