Técnicas de coste reducido para el posicionamiento del paciente en radioterapia percutánea utilizando un sistema de imágenes ópticas

Patient positioning is an important part of radiation therapy which is one of the main solutions for the treatment of malignant tissue in the human body. Currently, the most common patient positioning methods expose healthy tissue of the patient's body to extra dangerous radiations. Other non-invasive positioning methods are either not very accurate or are very costly for an average hospital. In this thesis, we explore the possibility of developing a system comprised of affordable hardware and advanced computer vision algorithms that facilitates patient positioning. Our algorithms are based on the usage of affordable RGB-D sensors, image features, ArUco planar markers, and other geometry registration methods. Furthermore, we take advantage of consumer-level computing hardware to make our systems widely accessible. More specifically, we avoid the usage of approaches that need to take advantage of dedicated GPU hardware for general-purpose computing since they are more costly. In different publications, we explore the usage of the mentioned tools to increase the accuracy of reconstruction/localization of the patient in its pose. We also take into account the visualization of the patient's target position with respect to their current position in order to assist the person who performs patient positioning. Furthermore, we make usage of augmented reality in conjunction with a real-time 3D tracking algorithm for better interaction between the program and the operator. We also solve more fundamental problems about ArUco markers that could be used in the future to improve our systems. These include highquality multi-camera calibration and mapping using ArUco markers plus detection of these markers in event cameras which are very useful in the presence of fast camera movement. In the end, we conclude that it is possible to increase the accuracy of 3D reconstruction and localization by combining current computer vision algorithms with fiducial planar markers with RGB-D sensors. This is reflected in the low amount of error we have achieved in our experiments for patient positioning, pushing forward the state of the art for this application.En el tratamiento de tumores malignos en el cuerpo, el posicionamiento del paciente en las sesiones de radioterapia es una cuestión crucial. Actualmente, los métodos más comunes de posicionamiento del paciente exponen tejido sano del mismo a radiaciones peligrosas debido a que no es posible asegurar que la posición del paciente siempre sea la misma que la que tuvo cuando se planificó la zona a radiar. Los métodos que se usan actualmente, o no son precisos o tienen costes que los hacen inasequibles para ser usados en hospitales con financiación limitada. En esta Tesis hemos analizado la posibilidad de desarrollar un sistema compuesto por hardware de bajo coste y métodos avanzados de visión por ordenador que ayuden a que el posicionamiento del paciente sea el mismo en las diferentes sesiones de radioterapia, con respecto a su pose cuando fue se planificó la zona a radiar. La solución propuesta como resultado de la Tesis se basa en el uso de sensores RGB-D, características extraídas de la imagen, marcadores cuadrados denominados ArUco y métodos de registro de la geometría en la imagen. Además, en la solución propuesta, se aprovecha la existencia de hardware convencional de bajo coste para hacer nuestro sistema ampliamente accesible. Más específicamente, evitamos el uso de enfoques que necesitan aprovechar GPU, de mayores costes, para computación de propósito general. Se han obtenido diferentes publicaciones para conseguir el objetivo final. Las mismas describen métodos para aumentar la precisión de la reconstrucción y la localización del paciente en su pose, teniendo en cuenta la visualización de la posición ideal del paciente con respecto a su posición actual, para ayudar al profesional que realiza la colocación del paciente. También se han propuesto métodos de realidad aumentada junto con algoritmos para seguimiento 3D en tiempo real para conseguir una mejor interacción entre el sistema ideado y el profesional que debe realizar esa labor. De forma añadida, también se han propuesto soluciones para problemas fundamentales relacionados con el uso de marcadores cuadrados que han sido utilizados para conseguir el objetivo de la Tesis. Las soluciones propuestas pueden ser empleadas en el futuro para mejorar otros sistemas. Los problemas citados incluyen la calibración y el mapeo multicámara de alta calidad utilizando los marcadores y la detección de estos marcadores en cámaras de eventos, que son muy útiles en presencia de movimientos rápidos de la cámara. Al final, concluimos que es posible aumentar la precisión de la reconstrucción y localización en 3D combinando los actuales algoritmos de visión por ordenador, que usan marcadores cuadrados de referencia, con sensores RGB-D. Los resultados obtenidos con respecto al error que el sistema obtiene al reproducir el posicionamiento del paciente suponen un importante avance en el estado del arte de este tópico