Use of the Microsoft Kinect for applications of patient surface data to radiotherapy

The object of this thesis is to present the development of a novel technique to acquire 3D surface data of patients undergoing external beam radiotherapy treatments. Commercially available techniques to acquire patient surface data are often very expensive and lack flexibility. Here, the use of the Microsoft Kinect to reliably acquire 3D scans of patient surface is investigated. First, the device itself is introduced, as well as the system used to create 3D models. Next, a study designed to test the applicability of the technique is presented. The reproducibility of the meshes created by the system is investigated, as well as their capability to accurately represent the surface scanned. A design is then presented to make the system easily applicable to the clinic by using concurrently two fixed Kinects to acquire a 3D model in a quick and stable way instead of a single hand-held device. This approach reduces potential user variabilities in scan quality, removes the risk of accident and negates the need of personnel training. Potential applications of the device to external beam radiotherapy are also demonstrated. Its use to detect local patient positioning errors is presented, where small local variations difficult to see with the naked eye become clearly visible. The system is also used to predict collisions using gantry and patient scans and thus ensure the safety of unconventional treatment trajectories.L'objet de cette thèse est de présenter le développement d'une nouvelle technique permettant l'acquisition de la représentation 3D externe de la surface corporelle des patients suivant des traitement de radiothérapie. Les techniques actuelles d'acquisition de surface 3D sont généralement très coûteuses et peu flexibles quant au développement de nouvelles applications. Cette recherche étudie la possibilité d'utiliser la Kinect de Microsoft pour acquérir de façon fiable la surface 3D de patients. Tout d'abord, la Kinect elle-même est introduite, de même que le logiciel utilisé pour créer les modèles 3D. Puis, une étude visant à tester les capacités ainsi que l'applicabilité du système est présentée. La reproducibilité des modèles 3D produits par le système est examinée, ainsi que sa capacité à reproduire avec exactitude la surface scannée. Ensuite, un design permettant de rendre le système plus facilement applicable à l'environnement clinique est présenté. Ce design utilise deux Kinects fixes utilisées simultanément plutôt qu'un scan manuel fait par un utilisateur, ce qui permet l'acquisition de modèles 3D de façon stable et rapide. Ceci réduit également de potentielles variations dans la qualité des scans causées par l'utilisateur, élimine le danger d'accidents endommageant la Kinect, et annule le besoin de former le personnel à bien exécuter le scan. Des applications potentielles du système en radiothérapie externe sont finalement démontrées. Son utilisation pour la détection d'erreurs de positionnement du patient est présentée. De petites variations de positions localisées difficiles à détecter à l'oeil nu sont facilement visibles en utilisant le système présenté. Finalement, son utilisation pour prédire les collisions entre le gantry et le patient est démontrée. Des scans du gantry et du patient dans la position de traitement sont utilisés afin de s'assurer de la faisabilité de traitements comportant des trajectoires non-conventionelles