An automatic patient alignment system using 3D ultrasound

Background and purpose: Radiation-therapy methods such as dose painting and image-guided radiation-therapy (IGRT) aim to spare organs at risk by applying improved dose distributions on the tumor. For effective application of these methods, exact positioning of the patient and localization of the planning target volume are vital. We have built a new positioning system which uses tracked three dimensional ultrasound both in the computed tomography (CT) room and the intervention room. A patient study was done and the results were compared to a gold standard. Additionally we present a detailed error analysis for all system components. Methods: At the time of the planning CT scan we acquire three 3D ultrasound images while the US scanhead is tracked by an optical tracking system. Based on these images a suitable image metric is selected for each patient individually. Before each fraction another US image is taken. This image is filtered and registered to the images from the CT room. From registration results, tracking data and a calibration matrix, we calculate a translation vector for final patient repositioning. We compare the translation vectors with results from the commercial ExacTrac system. Results: The procedure succeeded for ten out of eleven patients. The overall positioning error for ten patients averaged to 4.15 1.20 mm. Conclusion: We developed a fully automatic system for patient repositioning. The accuracy is suitable for clinical application and can be improved further by optimizing system components. We performed a detailed error analysis of the overall system and its components.Hintergrund und Zweck: Methoden der Radiotherapie wie dose painting und bildgestützte Radiotherapie (IGRT) zielen darauf ab Risikoorgane zu schonen. Ein scharfer Dosisgradient garantiert die Bestrahlung des Tumors bei gleichzeitiger Schonung des umliegenden gesunden Gewebes. Für eine wirksame Anwendung dieser Methoden ist eine exakte Positionierung der Patienten und die Lokalisierung des Planungsvolumens Voraussetzung. Zu diesem Zweck entwickelten wir ein neuartiges Positionierungssystem, das dreidimensionale Ultraschallaufnahmen aus dem CT-Raum sowie aus dem Therapieraum verwendet. Eine Patientenstudie wurde durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit einem Goldstandard verglichen. Erganzend präsentieren wir eine detaillierte Fehleranalyse für alle Systemkomponenten. Methoden: Zusatzlich zum Planungs-CTs nehmen wir drei Ultraschallvolumen auf. Der Schallkopf wird dabei von einem optischen Trackingsystem getrackt. Vor jeder Behandlung wird eine weitere, ebenfalls getrackte Aufnahme erstellt. Diese wird gefiltert und mit den ursprünglichen Aufnahmen aus dem CT-Raum registriert. Aus den Registrierungsergebnissen, den Daten des Trackers und einer Kalibrationsmatrix berechnen wir einen Translationsvektor für die Repositionierung des Patienten. Wir vergleichen die Vektoren mit den Ergebnissen des kommerziell verfügbaren ExacTrac Systems. Ergebnisse: Die Positionierung war für zehn von elf Patienten erfolgreich. Der durchschnittliche Gesamtfehler für zehn Patienten betrug 4.15 1.20 mm. Schlussfolgerung: Wir entwickelten ein vollautomatisches Patientenpositionierungssystem, das eine für den klinischen Betrieb ausreichende Genauigkeit besitzt. Es besteht die Möglichkeit, die Genauigkeit durch Optimierung der Systemkomponenten weiter zu verbessern.Marcus KaarAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheWien, Med. Univ., Diss., 2015OeBB(VLID)171482