Fusión afín de imágenes: aplicación y control de calidad en un sistema de planificación de tratamientos.

Transcripción

1 Fusión afín de imágenes: aplicación y control de calidad en un sistema de planificación de tratamientos. Pablo Ortega Pardina, A. García Romero, Silvia Fernández Cerezo, Fernando Pizarro Trigo Servicio de física y protección radiológica. Hospital Clínico Universitario "Lozano Blesa". Zaragoza Ana Paula Millán Armengol, Dolores Lardíes Fleta. Técnicas Radiofísicas S.L. Introducción La fusión de imágenes en el ámbito hospitalario consiste en unir en el mismo soporte la información que nos proporcionan diferentes imágenes de un paciente. Los estudios que se pueden fusionar son CT, RMN, PET, US, SPECT,.., todos ellos en formato DICOM. Esta técnica tiene múltiples aplicaciones en medicina. En el servicio de radioterapia del Hospital Clínico de Zaragoza se utiliza como apoyo al radioterapeuta en la delimitación de los volúmenes de tumores activos y órganos de riesgo en las planificaciones de tratamientos, principalmente para patologías de próstata y cerebro. Éstos se planifican sobre un estudio CT que nos da información de las densidades electrónicas de los tejidos del paciente, y así se posibilita una corrección por heterogeneidades en el cálculo dosimétrico. Pero en ocasiones la información que nos aporta otro tipo de estudios puede ayudar sobremanera a delimitar volúmenes. Así pues, para la fusión se elige un estudio CT y se "encaja" sobre él un segundo estudio que es modificado mediante algoritmos. Los algoritmos de fusión pueden clasificarse en dos tipos: los de cuerpo rígido y los que compensan por deformación de tejido [1]. Los primeros son los utilizados en estudios de cráneo principalmente. El segundo tipo de algoritmos tienen en cuenta las posibles variaciones del paciente entre los estudios así como una diferente colocación de éste a la hora de realizarlos. Al transformar una imagen se puede modificar tanto espacialmente como en intensidad. Es decir, los puntos de la imagen pueden trasladarse o se les puede asignar una intensidad diferente de la que tenían. Dado que la información que tenemos del paciente no es completa será necesaria una interpolación. Los algoritmos de interpolación rápida son imperfectos e introducen borrosidad y anillos en la imagen. Las transformaciones espaciales más sencillas son las aplicadas al cuerpo rígido, puesto que son simplemente traslaciones y rotaciones. Una mejora de las prestaciones que ofrecen las transformaciones rígidas son las transformaciones afines (aquellas que mantienen paralelas Fig.1 Fusión CT-CT para próstata. En la parte izda CT sin contraste, en la derecha CT con contraste para delimitación de vejiga. las rectas paralelas) y no afines (que modelan la deformación local). Las transformaciones afines incluyen traslación, rotación, cizalla y escalado en las tres direcciones del espacio. En el hospital clínico de Zaragoza el programa utilizado para esta transformación es una aplicación del sistema de planificación de tratamientos de radioterapia PCRT3D v4.2, que está basado en la información mutua normalizada [1][2] de las imágenes que se desean fusionar. El parámetro información mutua normalizada está relacionado con las entropías de las imágenes y es el parámetro utilizado en el proceso iterativo para la optimización, ya que se trata de encontrar su máximo. De este modo, cada iteración usa una transformación distinta modificada con el objeto de maximizar la información mutua. Las transformaciones utilizadas en el proceso son afines, por lo que es de esperar que conjuntos de imágenes que presenten considerables deformaciones locales entre sí no

2 sean correctamente fusionados. Debido a la complejidad del proceso y a la cantidad de parámetros que en él intervienen es necesaria una verificación. Pretendemos evaluar los resultados de esta fusión. Material y método Se utilizaron dos maniquíes diferentes dependiendo del tipo de fusión, uno de metacrilato para fusión intramodal (Fig. 1), es decir CT-CT y otro maniquí de metacrilato relleno de cloruro de níquel y agua para la fusión intermodal CT-RM, que es el utilizado para control de calidad en resonancia por General Electric (GE) y que consta de una serie de objetos test en su interior. El motivo de utilizar agua es que el maniquí sea visible en resonancia magnética. La unidad de TAC utilizada es un escáner dedicado para radioterapia GE Hi-Speed y la unidad de resonancia magnética es un equipo GE de 1T ubicado en el servicio de rayos del Hospital Clínico de Zaragoza. En el caso de la fusión CT-CT intramodal se realizaron dos experiencias: una rotando el maniquí en torno a su eje antero-posterior (CT2) y otra rotándolo en torno a su eje cabeza-pies (CT3) y fusionándolas con la imagen del maniquí sin rotar (). Dentro del maniquí se introdujeron unos tubos de ensayo llenos de sal en una exploración y de agua en la otra para simular estudios con y sin contraste tal como se hace en las exploraciones de próstata. Para el estudio de la fusión intermodal CT-RM se tomaron las imágenes correspondientes del maniquí considerando posibles variaciones en el posicionamiento en los aparatos de diagnóstico, es decir, centrando el maniquí de la misma manera en ambas exploraciones. Para realizar la fusión se utilizan los parámetros de fusión afín que se muestran en la figura 2. Las imágenes CT de ambos maniquíes y la de RM del segundo se importaron en el sistema de planificación de tratamientos PCRT v4.2. Para la fusión se realizó una transformación afín que llevó el segundo conjunto de imágenes (CT2, CT3 o RM) sobre el primero ( o CT), de tal modo que ambos estudios quedaron con el mismo sistema de coordenadas una vez realizada la fusión. Una vez fusionados los estudios tal como se ha descrito (-CT2, -CT3, CT-RM), se trazaron los contornos externos, unos volúmenes internos y una serie de puntos fácilmente reconocibles. Se compararon las coordenadas en 3 dimensiones de los centros de masas de los volúmenes y las coordenadas de dichos puntos. Los centros de masas son fácilmente evaluables a partir del contorneo de los volúmenes visibles, y las coordenadas en el maniquí de resonancia corresponden a los vértices de los objetos test visibles. Las distancias entre puntos indican la bondad de la fusión. Cuanto mayores sean estas diferencias peor será dicha fusión. Fig.1 Maniquí de metacrilato para fusión CT-CT. Fig 2.- Parámetros utilizados en la fusión afín de las tres experiencias

3 Resultados Fusión CT-CT Se seleccionaron tres cortes de las imágenes del primer estudio para situar los puntos de interés y tras la fusión, sobre la imagen fusionada los puntos homólogos. Presentamos las coordenadas de dichos puntos en las dos experiencias una vez realizadas las fusiones y las diferencias entre ellas. A. Rotación en torno al eje antero-posterior. CT2 Contorno x y z x y z Dist. (mm) Externo ,00 Cilindro 1 z= ,00 Cilindro 1 z= ,41 Cilindro 1 z= ,00 Cilindro 1 centro masas ,24 Cilindro 2 z= ,00 Cilindro 2 z= ,00 Cilindro 2 z= ,00 Cilindro 2 centro masas ,00 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,00 Media de las distancias: 0.9 mm Desviación estándar: 0.6 mm. Se presenta la media y desviación estándar de las distancias encontradas. Las distancias entre las coordenadas de los centros de masas y las marcas en ambos conjuntos de imágenes son en todos los casos inferiores a 2.24 mm. En las imágenes giradas de CT2 se observa una borrosidad ocasionada por la interpolación La diferencia en los volúmenes de los maniquíes resultó del 1,1%. CT2

4 B. Rotación en torno al eje cabeza-pies. + = CT 1 CT3 Fusión -CT3 Contorno x y z x y z Dist (mm) Externo ,00 Cilindro 1 z= ,00 Cilindro 1 z= ,00 Cilindro 1 z= ,00 Cilindro 1 centro masas ,24 Cilindro 2 z= ,00 Cilindro 2 z= ,00 Cilindro 2 z= ,24 Cilindro 2 centro masas ,41 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,00 Media de las distancias: 1 mm Desviación estándar: 1 mm. Se presenta la media y desviación estándar de las distancias encontradas. Las mayores diferencias encontradas entre las coordenadas de los centros de masas y las marcas en ambas imágenes son de 2,24mm. El resto son menores o iguales a 1mm. La diferencia entre los volúmenes externos se encontró además inferior al 0,5%. Fusión CT-RM CT3 + = Imagen de CT. Imagen RM. Imagen de la fusión CT-RM. Los puntos (marcas) seleccionados corresponden a puntos identificables en el maniquí.

5 CT Contorno x y z x y z Dist. (mm) Externo ,00 Marca GE ,00 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,41 Marca ,00 Marca ,00 Marca ,00 Media de las distancias: 0.7 mm Desviación estándar: 0.7 mm. RM La media de las distancias en todos los casos no supera 1 mm y la desviación estándar de las mismas siempre es inferior al milímetro. Teniendo en cuenta que la precisión de nuestra medida es 1mm, y que es también la precisión con la que el planificador nos enseña las imágenes, podemos afirmar que la fusión realizada en todos los casos es correcta. Conclusiones Todas las pruebas muestran la correcta fusión de las imágenes de manera intermodal e intramodal. Aunque estos estudios se han realizado utilizado con maniquíes rígidos y por tanto sea de esperar una fusión más exacta, creemos que estos resultados pueden trasladarse a la fusión de estudios con pacientes reales siempre que entre ambos conjuntos de imágenes sea razonable aplicar una transformación afín. Esto excluye las deformaciones locales entre estudios que no son modeladas por la fusión que realiza actualmente el planificador. Por tanto la fiabilidad de la fusión está especialmente comprobada en casos de cráneo y próstata. Esta forma de verificación del proceso de fusión resulta sencilla y muestra el correcto funcionamiento de los algoritmos y proceso de fusión utilizado. Bibliografía. [1] Medical Image Registration DLG Hill, PG Batchelor, M Holden, DJ Hawkes. Phys Med Biol 46 (2001) R1-R45. [2] Manual PCRT v4.2 Técnicas Radiofísicas SL.