Simulation des mouvements pulmonaires par morphing en vue de son exploitation en radiothérapie externe Institut FEMTO-ST – UMR 6174 Equipe IRMA (ENISYS/FEMTO-ST)

Simulation des mouvements pulmonaires Simulation des mouvements pulmonaires par morphing en vue de son exploitation par morphing en vue de son exploitation

en radiothérapie externeen radiothérapie externe

Institut FEMTO-ST – UMR 6174Institut FEMTO-ST – UMR 6174Equipe IRMA Equipe IRMA (ENISYS/FEMTO-ST)(ENISYS/FEMTO-ST)Pôle Universitaire,Pôle Universitaire,4 Place Lucien Tharradin BP 714274 Place Lucien Tharradin BP 7142725211 MONTBELIARD cedex25211 MONTBELIARD cedexTél. 03.81.99.46.74Tél. 03.81.99.46.74Fax 03.81.99.46.73Fax 03.81.99.46.73http://www.femto-st.fr

11

LAURENT Ré[email protected]

Equipe IRMA Interaction Rayonnement - Matière

Journées des LARD - Octobre 2008Journées des LARD - Octobre 200811/04/2311/04/23

Volume irradiéVolume irradié

Volume traitéVolume traité

Volume-cible planifié (PTV)Volume-cible planifié (PTV)• Mouvements des organesMouvements des organes

(Internal Target Volume ou ITV)(Internal Target Volume ou ITV)• Incertitudes de repositionnementIncertitudes de repositionnement

Volume-cible clinique (CTV)Volume-cible clinique (CTV)

Introduction (1)Introduction (1)Rappel sur les volumes ciblesRappel sur les volumes cibles

22

Organe à risque

Volume tumoral macroscopique (GTV)Volume tumoral macroscopique (GTV)


Introduction (2)Introduction (2)• En RT, les techniques pour améliorer la balistique sont : En RT, les techniques pour améliorer la balistique sont :

La radiothérapie guidée par l’image (IGRT)La radiothérapie guidée par l’image (IGRT) La radiothérapie asservie à la respiration (RAR)La radiothérapie asservie à la respiration (RAR)

• Systèmes spirométriquesSystèmes spirométriques• Système RPM (Real-time Position Management)Système RPM (Real-time Position Management)• Scanner 4DScanner 4D→Détermination d’une fenêtre temporelle d’irradiation (« gating »)Détermination d’une fenêtre temporelle d’irradiation (« gating »)

• Mais…Mais… Contrainte pour le patient :Contrainte pour le patient :

• Blocage de la respirationBlocage de la respiration• Pose de capteursPose de capteurs• Dose délivrée supplémentaireDose délivrée supplémentaire

IncertitudesIncertitudes• Précision du « gating »Précision du « gating »• Artefacts cinétiquesArtefacts cinétiques

33Journées des LARD - Octobre 2008Journées des LARD - Octobre 200811/04/2311/04/23

Introduction (3)Introduction (3)• Technique étudiée : le morphingTechnique étudiée : le morphing

Image source image cibleImage source image cible Outil informatique appliqué à l’usage médicalOutil informatique appliqué à l’usage médical

• Objectifs :Objectifs : Décrire le mouvement des organes par simulation Décrire le mouvement des organes par simulation

avec le minimum d’artefactsavec le minimum d’artefacts Améliorer la radioprotection du patientAméliorer la radioprotection du patient Améliorer la balistique de l’irradiationAméliorer la balistique de l’irradiation• Assurer que le maximum de dose est délivré dans la tumeurAssurer que le maximum de dose est délivré dans la tumeur• Epargner le tissu sainEpargner le tissu sain


PlanPlan• Présentation générale du morphingPrésentation générale du morphing

Définition et localisationsDéfinition et localisations Les algorithmesLes algorithmes

• Le morphing 2DLe morphing 2D Description du premier algorithmeDescription du premier algorithme RésultatsRésultats Description du second algorithmeDescription du second algorithme RésultatsRésultats

• Le morphing 3DLe morphing 3D Contraintes liées à la 3DContraintes liées à la 3D Descriptions des algorithmesDescriptions des algorithmes RésultatsRésultats

55Journées des LARD - Octobre 2008Journées des LARD - Octobre 2008

• Présentation générale du morphingPrésentation générale du morphing Définition et localisationsDéfinition et localisations Les algorithmesLes algorithmes


• Le morphing 3DLe morphing 3D Contraintes liées à la 3DContraintes liées à la 3D Descriptions des algorithmesDescriptions des algorithmes RésultatsRésultats

11/04/2311/04/23

Présentation : le morphingPrésentation : le morphing• Morphing : Morphing :

Connaissance de l’image source et cibleConnaissance de l’image source et cible Déformation progressive d’une imageDéformation progressive d’une image

• Différentes transformations : Différentes transformations : Rigides : translations et rotationsRigides : translations et rotations Affines : + facteur d’échelle anisotropiqueAffines : + facteur d’échelle anisotropique Projectives : + effet de perspectiveProjectives : + effet de perspective Non-linéaires : nombre infini de degrés de libertéNon-linéaires : nombre infini de degrés de liberté


Présentation : le morphingPrésentation : le morphing• Morphing : Morphing :

Connaissance de l’image source et cibleConnaissance de l’image source et cible Déformation progressive d’une imageDéformation progressive d’une image

• Différentes transformations : Différentes transformations :

77Journées des LARD - Octobre 2008Journées des LARD - Octobre 2008

J. B. A. Maintz, M. A. Viergever. A survey of medical image registration. Medical Image Analysis. Vol. 2, issue 1, pp. 1-36. 1998.

11/04/2311/04/23

Les algorithmesLes algorithmes• Différents algorithmesDifférents algorithmes

Méthodes géométriques Méthodes géométriques • + : rapidité + : rapidité • - : perte d’informations- : perte d’informations

Méthodes denses Méthodes denses • + : aucune réduction d’information+ : aucune réduction d’information• - : complexité, temps de calcul- : complexité, temps de calcul

Méthodes hybrides (peu utilisées)Méthodes hybrides (peu utilisées)

• Choix de l’équipe IRMA : Choix de l’équipe IRMA : Méthode géométrique Méthode géométrique

RégularisationRégularisation





• Le morphing 3DLe morphing 3D Contraintes liées à la 3DContraintes liées à la 3D Description des algorithmesDescription des algorithmes RésultatsRésultats


Morphing : Acquisition des donnéesMorphing : Acquisition des données

1010

Schéma d’un signal RPMSchéma d’un signal RPM

phase phase théoriquethéorique 0%0% 10%10% 20%20% 30%30% 40%40% 50%50%

phase phase réelleréelle 14%14% 14%14% 22%22% 30%30% 38%38% 53%53%

Problème d’incertitudesProblème d’incertitudesPhase 0% = phase 10%Phase 0% = phase 10%

Exemple pour l’acquisition d’une coupeExemple pour l’acquisition d’une coupe


Morphing : DifférencesMorphing : Différences

• En 2D : En 2D :

• Différence surfacique = [(Nb pxl)Différence surfacique = [(Nb pxl)morphmorph – (Nb pxl) – (Nb pxl)4D-CT4D-CT] /] / (Nb pxl)(Nb pxl)4D-CT 4D-CT

~ 7000 à 9000 pixels~ 7000 à 9000 pixels

• En 3D :En 3D :

• Différence volumique = [(Nb vxl)Différence volumique = [(Nb vxl)morphmorph – (Nb vxl) – (Nb vxl)4D-CT4D-CT] /] / (Nb vxl)(Nb vxl)4D-CT 4D-CT

~ 600 000 à 700 000 voxels~ 600 000 à 700 000 voxels


Journées des LARD - Octobre 2008Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D (1) : 1Morphing 2D (1) : 1erer algorithme algorithme

• Données DICOMDonnées DICOM

• Algorithme de départ + gestion des contours 2DAlgorithme de départ + gestion des contours 2D

1212

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D

après 1 itération

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D

après 2 itérations

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D :

pixel de départ

x

y

11/04/2311/04/23


Morphing 2D : Résultats (1)Morphing 2D : Résultats (1)Coupe du poumon droit (z = -37,5 mm)

• Différence surfacique de 9,4% par rapport à P10• Différence de 9,8% par rapport à P20

Différence surfacique de 7,9%par rapport à P40

Morphing 2D : Résultats (1)Morphing 2D : Résultats (1)

1414

Superposition de la coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) à la phase 10% et 20% (en blanc) à l’itération présentant le moins de différence avec elle (en rouge)

Phase 10% Phase 20%



1515

Phase 40%

Superposition de la coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) à la phase 40% (en blanc) à l’itération présentant le moins de différence avec elle (en rouge)



D’après les travaux d’H. Masset (IRMA / FEMTO-ST)D’après les travaux d’H. Masset (IRMA / FEMTO-ST)

• Tolérance élevée (33% max) pour la mesure de la phaseTolérance élevée (33% max) pour la mesure de la phase

• Différence surfacique inférieure à 11% pour l’ensemble Différence surfacique inférieure à 11% pour l’ensemble du poumondu poumon


Morphing 2D : Problème ?Morphing 2D : Problème ?

• Pertinence physiologique de la déformation ?Pertinence physiologique de la déformation ? Pour chaque itérationPour chaque itération

1717

Transformation de la coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) de P0 à

P50 (512x512 pxl)


Morphing 2D : Problème ?Morphing 2D : Problème ?

Pertinence physiologique de la déformation ?Pertinence physiologique de la déformation ? Pour chaque itérationPour chaque itération Pour le champ de déformationPour le champ de déformation

1818

Coupe du poumon droit avec le premier algorithme

Même coupe du poumon droit avec le nouvel algorithme

Morphing 2D : SolutionsMorphing 2D : Solutions

Complexification de l’algorithme :Complexification de l’algorithme :

Régularisation cinétique du champ de Régularisation cinétique du champ de déformationdéformation

Modification de la déformationModification de la déformation• assurer une déformation biologiquement possibleassurer une déformation biologiquement possible


Morphing 2D (2) : 2Morphing 2D (2) : 2ndnd algorithme algorithmeCalcul de l’itération i+1 :Calcul de l’itération i+1 :

Calcul de la « distance » (en pixel) entre le contour i et le Calcul de la « distance » (en pixel) entre le contour i et le contour finalcontour final

Calcul de la moyenne des distancesCalcul de la moyenne des distances

Régularisation cinétique du champ de déformationRégularisation cinétique du champ de déformation

P = (distance lue)/moyenneP = (distance lue)/moyenne

• Si P > 1 : Paramètre = contrainte x PSi P > 1 : Paramètre = contrainte x P• Si (contrainte x P) > N : Param = NSi (contrainte x P) > N : Param = N

• Si P < 1 : Paramètre = contrainte ( = 1 )Si P < 1 : Paramètre = contrainte ( = 1 )2020Journées des LARD - Octobre 2008Journées des LARD - Octobre 200811/04/2311/04/23

1 2

3

1 2

3

4

123

4

1

2

341

2

3

42

13

4

Morphing 2D : schémaMorphing 2D : schéma

2121

11 2A B

Illustration du calcul de la pondération du paramètre de déformation pour une coupe


Morphing 2D : 2Morphing 2D : 2ndnd algorithme algorithme

Modification de la déformation : carrée circulaireModification de la déformation : carrée circulaire

2222

x

y

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D pour une contrainte de 1 (pxl)

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D pour une contrainte de 2 (pxl)

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D :

pixel de départ


Morphing 2D : ApplicationMorphing 2D : Application

• 22ndnd algorithme : algorithme : Calcul de la pondérationCalcul de la pondération Nouvelle déformationNouvelle déformation

• Paramètre par défaut = 1Paramètre par défaut = 1

• 12 itérations12 itérations 30 pour le premier algorithme30 pour le premier algorithme => plus rapide=> plus rapide

2323

transformation de la coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) de P0 à P50 (512x512 pxl)



Morphing 2D : RésultatsMorphing 2D : Résultats

2424

Coupe du poumon droit (z = -37,5 mm)

• Différence surfacique de 10,3% par rapport à P10• Différence de 10,7% par rapport à P20Différence surfacique de 7,9%

par rapport à P40


2525


Phase 10% Phase 20%



2626

Phase 40%

Superposition de la coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) à la phase 40% (en blanc) à l’itération présentant le moins de différence avec elle (en rouge)





• Le morphing 3DLe morphing 3D Contraintes liées à la 3DContraintes liées à la 3D Description des algorithmesDescription des algorithmes RésultatsRésultats


Morphing 3D : problématiqueMorphing 3D : problématique

2D 2D 3D : 3D :

Détection des contours sur la 3Détection des contours sur la 3èmeème dimension dimension

Traitement en 3D :Traitement en 3D :• Pondération ? (2Pondération ? (2ndnd algorithme) algorithme)• Déformation ?Déformation ?

Voxels non cubiquesVoxels non cubiques


Morphing 3D : solutionsMorphing 3D : solutions

• Détection des contours en 3D :Détection des contours en 3D : Obligatoire sinon topologie incorrecteObligatoire sinon topologie incorrecte

2929

Forme initiale d’une coupe de poumon droit (z = -35 mm)

Forme de la coupe de poumon droit (z = -35 mm) après 1 itération avec

une détection des contours 2D

Morphing 3D : solutionsMorphing 3D : solutions

• Détection des contours en 3D :Détection des contours en 3D : Obligatoire sinon topologie incorrecteObligatoire sinon topologie incorrecte

• Calcul de la pondération :Calcul de la pondération : Même ordre qu’en 2D + ajout de la 3Même ordre qu’en 2D + ajout de la 3èmeème dimension dimension• Étude à effectuer : privilégier cette dernière dimensionÉtude à effectuer : privilégier cette dernière dimension

Pour les contours uniquement verticaux : Pour les contours uniquement verticaux : • D’abord mesure sur l’axe verticalD’abord mesure sur l’axe vertical• Si aucune valeur, détection en 2D (dans la coupe)Si aucune valeur, détection en 2D (dans la coupe)


Morphing 3D (3) : déformationMorphing 3D (3) : déformation

• 11erer algorithme : algorithme : Critère d’influence (vxl)Critère d’influence (vxl)• Fonction de la vélocitéFonction de la vélocité• Fonction de l’élasticitéFonction de l’élasticité

3131

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 3D pour un

critère d’influence de 1 vxl

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 3D pour un

critère d’influence de 2 vxl

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 3D : voxel de

départ

x

y

z

Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 3D : forme

générale des voxels traités


Morphing 3D (3) : déformationMorphing 3D (3) : déformation

• 11erer algorithme : algorithme : Critère d’influence (vxl)Critère d’influence (vxl)• Fonction de la vélocitéFonction de la vélocité• Fonction de l’élasticitéFonction de l’élasticité

• 22ndnd algorithme : algorithme : Forme sphériqueForme sphérique Régularisation cinétiqueRégularisation cinétique

3232

x

y

z

Représentation simplifiée du nouvel algorithme 3D : forme générale des

voxels traités



Morphing 3D : Résultats (1Morphing 3D : Résultats (1erer algo.) algo.)

Différence volumique de 7,7% par rapport à P40Différence volumique de 9% par rapport à P20

Morphing 3D : Résultats (1Morphing 3D : Résultats (1erer algo.) algo.)

3434


Phase 20% Phase 40%



Morphing 3D : Résultats (2Morphing 3D : Résultats (2ndnd algo.) algo.)

Différence volumique de 11,94% par rapport à P40Différence volumique de 10,94% par rapport à P20

Morphing 3D : Résultats (2Morphing 3D : Résultats (2ndnd algo.) algo.)

3636


Phase 20% Phase 40%


Bilan pour les algorithmesBilan pour les algorithmes

• Problèmes de cinétique :Problèmes de cinétique : Différences surfaciques négatives (à z=-37,5 mm)Différences surfaciques négatives (à z=-37,5 mm) Différences volumiques positivesDifférences volumiques positives

• Solutions ?Solutions ? Description de la cinétique du poumon en Description de la cinétique du poumon en

plusieurs partiesplusieurs parties Discrétisation des matrices Discrétisation des matrices Contrôle du facteur de pondérationContrôle du facteur de pondération


Conclusion et perspectivesConclusion et perspectivesObjectif 1 : Le patientObjectif 1 : Le patient

6 fois moins de dose par morphing par rapport au 4D-CT6 fois moins de dose par morphing par rapport au 4D-CT Favorise la respiration libreFavorise la respiration libre

Objectif 2 : Balistique des traitementsObjectif 2 : Balistique des traitements Morphing personnaliséMorphing personnalisé Nécessité d’un algorithme précisNécessité d’un algorithme précis

• Meilleur contrôle de la cinétique de l’algorithmeMeilleur contrôle de la cinétique de l’algorithme• Meilleure simulation à élaborerMeilleure simulation à élaborer• Passage à la 4DPassage à la 4D• Prise en compte du signal RPM réelPrise en compte du signal RPM réel

Prise en compte des autres organesPrise en compte des autres organes• Travail avec plusieurs niveaux de grisTravail avec plusieurs niveaux de gris• Nouvelles techniques d’acquisitions des données (segmentation, seuillage)Nouvelles techniques d’acquisitions des données (segmentation, seuillage)


MERCI DE VOTRE ATTENTIONMERCI DE VOTRE ATTENTION

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