2D-3D Image Registration for Image Guided Intraoperative Radiotherapy

La radioterapia intraoperatoria con haces de electrones acelerados (IOERT) es una técnica que combina la resección quirúrgica de un tumor con la irradiación terapéutica del lecho tumoral o de un tumor no resecado evitando la irradiación del tejido sano. Para evitar el traslado del paciente del quirófano a la sala de radiación se utiliza un acelerador lineal móvil (LINAC). La radiación se administra a través de un aplicador específico acoplado al colimador y la dosimetría se planifica previamente con la ayuda de un sistema de planificación del tratamiento. La planificación dosimétrica debe actualizarse antes de la administración de la radiación para tener en cuenta las modificaciones anatómicas debidas al proceso de resección del tumor o a los movimientos del paciente. Una de las principales preocupaciones es la colocación del aplicador sobre el lecho tumoral en una posición y orientación precisas (pose), lo que puede realizarse con la ayuda de imágenes intraoperatorias del escenario real durante el tratamiento. Por lo tanto, se necesita un protocolo de adquisición y un flujo de trabajo de procesamiento de imágenes para actualizar la planificación espacial de la IOERT durante la cirugía para garantizar una estimación precisa de la distribución de la dosis y la verificación del tratamiento. Para lograr este objetivo, proponemos un protocolo de adquisición específico de adquisición y un flujo de trabajo de procesamiento de imágenes que actualiza la planificación de la IOERT actualizando la posición de un aplicador virtual con respecto a la imagen de tomografía computarizada preoperatoria con la pose real antes de la de la radiación. El flujo de trabajo de procesamiento de imágenes se basa en un registro robusto de la imagen de tomografía computarizada preoperatoria y las radiografías de proyección intraoperatorias adquiridas con un sistema de arco en C. El flujo de trabajo realiza inicialmente una calibración geométrica del arco en C utilizando marcadores fiduciales colocados en el aplicador. En el siguiente paso, se realiza un registro 2D-3D basado en marcadores fiduciales colocados en la piel del paciente, cuyo resultado se refina mediante un registro basado en la intensidad. Para evaluar la viabilidad, se realizó un estudio preliminar con un maniquí basado en un hueso de plástico. El rendimiento del flujo de trabajo se evaluó utilizando un maniquí físico realista que consiste en una extremidad inferior de cerdo. La precisión se midió con respecto al origen y el eje del aplicador antes y después del proceso de refinamiento del registro. Los resultados mostraron una precisión angular de 0,9 ± 0,7 grados y una precisión en traslación de 1,9 ± 1 mm. Nuestro experimento demostró que el flujo de trabajo propuesto puede lograr una precisión angular de subgrados en la localización del aplicador con respecto a la imagen de tomografía computarizada preoperatoria para actualizar y supervisar la planificación IOERT justo antes de la administración de la radiación. También se realizó un experimento con datos de pacientes como prueba de concepto del flujo de trabajo propuesto en el escenario clínico, que dio como resultado un error medio final de traslación de 1,2 ± 1 mm y de rotación de 0,5 ± 0,7 grados. El flujo de trabajo propuesto podría implementarse fácilmente en la rutina clínica para mejorar el control de calidad durante los procedimientos de IOERT. ----------ABSTRACT---------- Intraoperative electron radiotherapy (IOERT) is a technique that combines the surgical resection of a tumour with the therapeutic radiation of the surgically opened tumour bed or of an unresected tumour avoiding irradiating healthy tissue. To avoid transferring the patient from the operating room to the radiation room, a mobile linear accelerator (LINAC) is used. The radiation is delivered through a specific applicator docked to the collimator and the dosimetry is pre-planned with the help of a treatment planning system. As anatomical modifications occur due to the tumour resection process or movements of patient, dosimetry planning needs to be updated prior to radiation delivery. A major concern is the placement of the applicator over the tumour bed in accurate position and orientation (pose), which can be done with the help of intraoperative imaging of the actual scenario during the treatment. Thus, an acquisition protocol and image processing workflow are needed to update the IOERT spatial planning during surgery to ensure an accurate estimation of dose distribution and treatment verification. To achieve this goal, we propose a specific acquisition protocol and an image processing workflow that updates the IOERT planning refreshing the pose of a virtual applicator with respect to the preoperative CT with the actual pose prior to radiation delivery. The image processing workflow relies on a robust registration of the preoperative computed tomography (CT) and intraoperative projection radiographs acquired with a C-arm system. The workflow initially performs a geometric calibration of the C-arm using fiducials placed on the applicator. In the next step, a point-based 2D-3D registration based on fiducials positioned on the patient’s skin is performed, followed by an intensitybased registration that refines the point-based registration result. To assess the feasibility, we performed a preliminary study with a physical plastic bone phantom. The performance of the workflow has been evaluated using a realistic physical phantom consisting of a pig lower limb. The accuracy has been measured with respect to the applicator origin and axis before and after the registration refinement process. Error analysis revealed angular accuracy of 0.9 ± 0.7 degrees and translational accuracy of 1.9 ± 1 mm. Our experiment demonstrated that the proposed workflow can achieve subdegree angular accuracy in locating the applicator with respect to the preoperative CT to update and supervise the IOERT planning right before radiation delivery. An experiment conducted using patient data has also been performed as a proof of concept of the proposed workflow in the clinical scenario, that resulted in a mean final error in translation of 1.2 ± 1 mm and in rotation of 0.5 ± 0.7 degree. The proposed workflow could be easily implementable in clinical routine to improve the quality assurance during IOERT procedures