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Fusión de Imágenes en Radioterapia

IAEA Regional Training Course “ Transition from 2D to 3D Conformal Radiotherapy : Medical Physics Aspects “ IAEA PROYECT RLA/6/061, 7 TO 11 May 2011 Training and Updating Knowledge in Medical Physics ( ARCAL CVII )

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Fusión de Imágenes en Radioterapia

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Presentation Transcript

  1. IAEA Regional Training Course “ Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy : MedicalPhysicsAspects “ IAEA PROYECT RLA/6/061, 7 TO 11 May 2011 Training and UpdatingKnowledge in MedicalPhysics ( ARCAL CVII ) Instituto Privado de Radioterapia – Fundación Marie Curie, Córdoba, ARGENTINA Fusión de Imágenes en Radioterapia Lic. Leopoldo Mazzucco Centro Privado de Radioterapia Río Cuarto S.A. IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  2. Fusión de Imágenes en Radioterapia • Qué es Fusión de Imágenes, conceptos • Etapas Previas • Problemas involucrados en relacionar imágenes • TRANSFORMACION - REGISTRO • Concepto Básico • Tipos de transformaciones • Métodos de Registro • Intrínsecos • Extrínsecos • Controles de Módulos de Fusión • Ejemplos y Utilidades Información Mutua IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  3. QUE ES FUSION DE IMÁGENES Existen algoritmos que permiten combinar diferentes tipos de imágenes médicas de un mismo pacientes, que brindan información específica del tipo de estudio, y a la vez complementaria, con el objeto de integrar la información brindada por cada modalidad. Fusión TAC PET IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  4. Etapas previas al proceso de combinación de Imágenes complementarias : • Objetivo ( Complementariedad de las informaciones brindadas por cada modalidad ) • Adquisición ( Modalidades : TAC – RMN – US – PET - SPECT – RX ..) • Reordenamiento de Datos ( los datos en crudo se ordenan en forma matricial, Sinograma…) • Reconstrucción + Correcciones , Realce , Filtrado ( Ordenamiento espacial y filtrando del ruido, compensando atenuación de la señal, “aire – tejido “, Histograma ) • Registración autoconsistente de cada conjunto de imágenes de cada modalidad. • Segmentación es el proceso de identificación de Organos y estructuras , dibujo y delineación de bordes etc.. Puede hacerse en cada conjunto de Imágenes a combinar. • Fusión. IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  5. Problemas involucrados en la Fusión de Imágenes • 2) Calidad Respetable de los conjuntos de imágenes IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  6. Problemas involucrados en la Fusión de Imágenes • 2) Alineado diferente del paciente ejes XYZ ( Ejemplo: TAC estereotáxica con RMN no estereotáxica, de un mismo paciente) TAC ESTEREOTAXICA RMN NO ESTEREOTAXICA IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  7. Problemas involucrados en la Fusión de Imágenes • 3 ) Ausencia de Fiduciales , o poca precisión espacial Intra sujeto – inter modalidad Intra sujeto – inter modalidad TAC TAC RMN • 4) Diferente estado de los cuerpos en uno u otro estudio, efectuados en distintos momentos (Ejemplo: TAC inicio – TAC mitad tratamiento , en un mismo paciente) PET • 5) Movimiento de órganos y/o Deformaciones del cuerpo ( El problema Respiratorio en Tórax y Abdomen). • 6) Deformaciones de las imágenes IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  8. … Relación o combinación entre estudios …… FUSION F R T : F -> R Transformación : Encontrar una matriz de transformación “T” espacial que relacione un cuerpo 3D con otro fundiendo ambos en una base : el cuerpo de referencia : Imagen Flotante -- imagen de referencia Registración Espacial : Se llama al proceso de correlación o alineación espacio - temporal de dos o más conjuntos de imágenes médicas, se trata de ubicar a una o más IMÁGENES FLOTANTES en el contexto de otra tomada como de IMAGEN DE REFERENCIA CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN FUSION DE IMÁGENES: TIPOS DE TRANFORMACIONESMETODOS DE REGISTRO IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  9. Clasificación de las Transformaciones • Modalidades más usadas: • RMN (Resonancia Magnética Nuclear) • TAC ( Tomografía axial computada ) • US ( ultrasonido) • PET ( Tomografía por emisión de positrones) • SPECT ( Tomografía simple de emisión de positrones ) • RX ( Radiología convencional plana) • Según la Dimensionalidad: • 2D / 2D • 3D/3D • 2D/3D • Según la Modalidad y Sujeto: • A )Intra-sujeto/ Intra-modalidad • TAC inicio tratamiento, TAC mitad tratamiento • Imágenes de esfuerzo /reposo en cardiología Nuclear • B) Intra-sujeto/Inter-modalidad • TAC Simulación / RMN diagnóstica • TAC estereotáxica/ RMN no estereotáxica • C) Inter-sujeto / Intra-modalidad • Estudios estadísticos de Cartografía Anatómica , Atlas • D) Inter-sujeto/ Inter-modalidad • Imágenes funcionales con RMN de referencia modelo IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  10. Tipos de Transformaciones • Tipos de tranformaciones: • RIGIDA : La más simple es la T rígida que requiere 3 parámetros en 2D y 6 en 3D • AFIN : conserva el paralelismo entre lÍneas, pero permite cambios de escala y cizalladuras ( 6 parámetros en 2D y 12 en 3D ). • PROYECTIVA : se pierde el paralelismo entre líneas aunque siguen siendo rectas. • CURVADA : (elástica ) es una transformación deformable general tan compleja como se quiera, aunque conservando la vecindad relativa entre voxeles. Metodos de Registro Extrínsecos : basados en referenciales externos al cuerpo Intrínsecos : basados en referenciales internos del Cuerpo , o Información Mutua. IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  11. Algoritmos para el registro de Imágenes • El Registro de Imágenes es tratado como un problema de transformación de coordenadas de un sistema de referencia para otro. • Si un sistema de referencia de una modalidad es R , y el otro es F , Interesa construir una matriz de transformación T cuyos elementos son ( por ejemplo para una transformación rígida ): ( t11, t12, t13, …. T21, t22, t33….) de manera que : • X = t11 u + t12 v + t13 w + t14 • Y = t21 u + t22 v + t23 w + t24 • Z = t31 u + t32 v + t33 w + t34 • (u,v,w) son las cordenadas en F (X Y Z ) son las coordenadas en R T : F -> R IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  12. Registración Registración espacial se llama al proceso de correlación o alineación espacio - temporal de dos o más conjuntos de imágenes médicas, se trata de ubicar a una o más IMÁGENES FLOTANTES en el contexto de otra tomada como de IMAGEN DE REFERENCCIA Fusión de la RMN en la TAC de Referencia. Información (RMN TAC ) Resonancia Magnética no Estereotáxica . Información RMN Tomografía Axial computada estereotáxica. Información TAC F R T : F -> R • “…. La registración de imágenes es el proceso que determina la mejor adaptación de dos o más imágenes tal que las coordenadas en ambas imágenesse correspondan con la misma región física de la escena observada …….” • “El Proceso de Registración ayuda a identificar estructuras equivalentes en ambos conjuntos de Imágenes” • El Producto de un proceso de registro de Modalidades diferentes es brindar una INFORMACIÓN CONJUNTA más útil que la simple suma cuantitativa de las informaciones separadas IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  13. 1 ) Registro por medio de Marcadores Externos ( Métodos Extrínsecos ) • Para Obtener la Matriz T de Registración se usan marcadores externos a la anatomía • Necesita Puntos homólogos • Objetos deben ser visibles fácilmente identificables • Rapidez de cómputo • En algunos casos es Invasivo y requiere preparación previa • Pueden ser marcadores en piel removibles ( puede ser inseguro ) IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  14. 2 ) Registro por medio de marcadores anatómicos ( Métodos Intrínsecos ) Se marcan en la RMN y en la TAC los referenciales internos ( Ejemplo: los centros de los ojos, Cisterna cuadrigeminal, Fastigio 4to ventrículo Marcación de referenciales internos en la RMN IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  15. 2 ) Registro por medio de marcadores anatómicos ( Métodos Intrínsecos ) Se marcan en la RMN y en la TAC los referenciales internos ( Ejemplo: los centros de los ojos, Cisterna cuadrigeminal, Fastigio 4to ventrículo Marcación de referenciales internos en la TAC IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  16. ( Métodos Intrínsecos ) Deficiencias en una fusión Rígida basada en referenciales internos, transformación rígida IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  17. ( Métodos Intrínsecos , elástica ) Ejemplo de Transformación Elástica Fusión de atlas cerebral en RMN IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  18. Maximización de la Información Mutua( Métodos Intrínsecos ) • Entropía e información : • 1928 Hartley : Cantidad de información de una secuencia de datos H = n* log (s) • donde n= número de símbolos, s = probabilidad de ocurrencia de un´símbolo • Shannon introduce bases de la teoría de la información: para símbolos de diferente probabilidad de ocurrencia pi la Entropía sería: • La Entropía H se puede ver como una medida de la incertidumbre -> max(H) = cuando todos los símbolos tienen igual probabilidad de ocurrencia • La imágenes son portadoras de información: en lugar de probabilidad de ocurrencia de letras o palabras, tenemos distribuciones de valores de gris ( si una imagen tiene muy pocos valores de grises = seguramente posee muy poca información ) • Usar conceptos que relacionen las entropías puede servir para el registro de imágenes • Woods propuso que usar la entropía conjunta de imágenes podría servir para el registro de las mismas. La entropía conjunta de dos grupos de imágenes A y B se define como : IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  19. Hill et All propusieron definir un espacio de cartacterísticas: similares tejidos se mapean en la misma región del espacio de Características • El espacio de Características hace mención al Histograma conjunto, al cual cambia con la alineación de las imágenes • Collignon el al. (1995) , Viola e Wells establecen una medida a ser aplicada al registro rígido: la Información Mutua ( IM) • Hay 3 definiciones de IM, ( al final son equivalentes entre Si ) • IM(A,B) = H(A) + H(B) – H(A,B) • Donde H(A,B) es la entropía conjugada de A y B. Maximizar ( IM ) = Minimizar H(A,B) IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  20. IM(A,B) = H(A) + H(B) – H(A,B) Entropía conjugada de A y B Información Mutua Entropía de A Entropía de B Maximizar ( IM ) = Minimizar H(A,B) OBJETIVO: Encontrar la Transformación T que minimice la entropía conjugada El método de Max(IM) halla una transformación que es rígida El Histograma conjugado es una herramienta para calcular la distribución de probabilidad conjunta de las imágenes. El método consiste en recorrer cada imagen contando el numero de veces que un valor de gris de la imagen A se corresponde con un nivel de la imagen B; al dividir cada uno de estos valores por la cantidad total de entradas se encuentra una aproximación numérica de la distribución de probabilidad. IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  21. Fusión efectuada maximizando Inf. Mutua. ( Métodos Intrínsecos ) • TAC estereotáxica / RMN no estereotáxica. • El marco estereotáxico es para el sistema de coordenada del tratamiento de radiocirugía; • no se usa para la fusión IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  22. Controles Control de superposición de puntos anatómicos homólogos Cursor en un referencial anatómico en cada modalidad de imagen debe coincidir IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  23. Controles Control de superposición de puntos anatómicos homólogos IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  24. Controles Preparados imágenes para Lanzar Maximización de la Información Mutua. Ejemplo: cómo afecta la Limpieza de las imágenes al proceso de Maximización de la información mutua IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  25. Controles Control de Autofusión: Imagen NoClean --- Imagen Clean Se prueba la fusión del mismo conjunto de imágenes, con diferente proceso de limpieza y delimitación de contorno del cuerpo Inicio del proceso Fin del proceso. Observar el Histograma conjunto IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  26. Controles Pruebas de Autofusión : Imagen Clean --- Imagen Clean Observar los Histogramas conjuntos en cada caso IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  27. Controles Prueba de Autofusión : Axial – Sagital , Axial Coronal , Sagital – Coronal etc.. Se trata de adquisiciones independientes en un mismo estudio de RMN, axiales, coronales, sagitales . Procesar cada conjunto de imágenes y fusionar IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  28. Uso Utilidades de la Fusión : Atlas Normal -- RMN cerebral IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  29. Uso Utilidades de la Fusión : Atlas Normal -- RMN cerebral IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  30. Uso Utilidades de la Fusión : Atlas Normal -- RMN cerebral con afección geométrica

  31. Uso de RMN en simulación - Distorsiones Fuente: Fox Chase Cancer Center. Dennis Mah Fantoma Resonador IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  32. Uso ( Intra paciente – Intra modalidad ) Fusión TAC ( Cortes cada 5 mm ) – TAC (cortes cada 3 mm ). mismo paciente , intervalo = 1 semana, preparado rectal y vesical : idéntico, Posicionamiento: idéntico. Objetivo: Controlar repetibilidad posicionamiento , estado de órganos, dibujo de ROI y comparación, etc.. IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  33. Uso TAC “A” TAC “B” IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  34. Uso IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  35. Uso IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  36. Uso DOS TOMOGRAFIAS DE UN MISMO PACIENTE Se dibujan las regiones de interés en una TAC y se importan en la otra IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  37. Uso IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  38. Uso IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  39. Uso IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  40. Uso Radiocirugía IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  41. Radiocirugía IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

  42. Conclusiones: • Se debe tener en claro cual será el objetivo de plantear una fusión de imágenes. • Establecer el nivel de Completitud y Necesidad que tiene para una Planificación de Radioterapia. • Establecer las condiciones de simulación / posicionamiento del (de los) pacientes en cada modalidad y si esto afecta el registro. • Definir Parámetros de Adquisición. ( Calidad ) • Revisar cada conjunto de Imágenes y prepararlos convenientemente. • Efectuar la Fusión repetidamente, y si es posible con más de un método de Registro. • Establecer el proceso de segmentación adecuado en cada modalidad. • Comisionar cuidadosamente el módulo de fusión del TPS !! • Documentar • FIN IAEA Proyect RLA/6/061 Transitionfrom 2D to 3D ConformalRadiotherapy - 07 – 11 May 2011

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