Deformable image registration for radiotherapy monomodal applicarions

Modern approaches in oncology are based on the use of different imaging modalities in order to better define the morphological and biological characteristics of the tumors. Moreover, imaging can be used in radiotherapy (RT) to better control irradiation, monitoring the therapy and preserving organs at risk (OAR). This approach requires the use of registration techniques able to correctly remap the patient anatomy in the same spatial reference system, possibly taking into account organ deformations often occurring in patients undergoing a RT treatment plan. The aim of this work is to propose and evaluate an innovative elastic registration method capable to recover complex deformations in specific thoracic RT images, like those presented in 4D CT lung images. The proposed approach consists in two steps: first, a global affine registration using the Particle Filter (PF) is performed; second, the transformation is locally refined using a discrete implementation of the Horn-Schunck Optical Flow (OF) method with four control parameters. This two-step elastic registration method is referred in the thesis as the Particle Filter + Optical Flow (PF+OF) approach. This novel registration technique was evaluated in particular with two 4D CT medical images datasets: first, a set of 4D CT lung images from a controlled model; second, a dataset of 4D CT lung clinical images from five patients treated with RT. In addition, performance comparison between the PF+OF method and other fluid like non-parametric registration algorithms already proposed in RT for the registration in the thoracic district, Demons and Diffeomorphic Demons, was performed analyzing anatomical structures of clinical interest.

Approcci moderni in oncologia sono basati sull'impiego di diverse modalità di imaging per definire meglio le caratteristiche morfologiche e biologiche dei tumori. Inoltre, l'imaging può essere utilizzato in radioterapia (RT) per un migliore controllo della irradiazione, monitoraggio della terapia e la conservazione degli organi a rischio (OAR). Questo approccio richiede l'utilizzo di tecniche di registrazione che siano in grado di rimappare correttamente l'anatomia del paziente nello stesso sistema di riferimento spaziale, possibilmente tenendo conto le deformazioni degli organi che spesso accadono in pazienti sottoposti a un trattamento di RT. Lo scopo di questo lavoro è quello di proporre e valutare un metodo innovativo di registrazione elastica in grado di recuperare delle complesse deformazioni presenti in immagini specifiche di RT del distretto toracico, come quelle presentate in immagini polmonari 4D CT. L'approccio proposto consiste in due fasi: in primo luogo, viene eseguita una registrazione affine globale utilizzando il particle filter (PF); secondo, la trasformazione è raffinata localmente utilizzando una implementazione discreta del approccio Horn-Schunck di flusso ottico (OF) con quattro parametri di controllo. In questa tesi, questo metodo di registrazione elastico a due fasi viene definito il PF + OF. Questa nuova tecnica di registrazione è stata valutata particolarmente con due dataset di immagini mediche 4D CT; il primo, una serie di immagini 4D CT polmonari da un modello di controllo; il secondo, un set di dati di immagini 4D CT cliniche di polmone acquistato da cinque pazienti trattati con RT. Inoltre, un confronto in termini di prestazioni basato su un’analisi delle strutture anatomiche di interesse clinico, tra il metodo proposto PF+OF e altri algoritmi non-parametrici basati anche su un modello di flusso, gli algoritmi Demons e Diffeomorphic Demons, che sono stati usati in RT per la registrazione nel distretto toracico, è stata eseguita.