Institut FEMTO-ST – UMR 6174 Equipe IRMA (ENISYS/FEMTO-ST) Pôle Universitaire, 4 Place Lucien Tharradin BP 71427 25211 MONTBELIARD cedex Tél. 03.81.99.46.74 Fax 03.81.99.46.73 http://www.femto-st.fr Equipe irma Interaction Rayonnement - Matière Simulation des mouvements pulmonaires par morphing en vue de son exploitation en radiothérapie externe LAURENT Rémy remy.laurent@pu-pm.univ-fcomte.fr 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Introduction (1) Rappel sur les volumes cibles Volume irradié Volume traité Volume-cible planifié (PTV) Mouvements des organes (Internal Target Volume ou ITV) Incertitudes de repositionnement Organe à risque Tumeur Volume tumoral macroscopique (GTV) Volume-cible clinique (CTV) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Introduction (2) En RT, les techniques pour améliorer la balistique sont : La radiothérapie guidée par l’image (IGRT) La radiothérapie asservie à la respiration (RAR) Systèmes spirométriques Système RPM (Real-time Position Management) Scanner 4D Détermination d’une fenêtre temporelle d’irradiation (« gating ») Mais… Contrainte pour le patient : Blocage de la respiration Pose de capteurs Dose délivrée supplémentaire Incertitudes Précision du « gating » Artefacts cinétiques 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Introduction (3) Technique étudiée : le morphing Image source image cible Outil informatique appliqué à l’usage médical Objectifs : Décrire le mouvement des organes par simulation avec le minimum d’artefacts Améliorer la radioprotection du patient Améliorer la balistique de l’irradiation Assurer que le maximum de dose est délivré dans la tumeur Epargner le tissu sain 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Plan Présentation générale du morphing Définition et localisations Les algorithmes Le morphing 2D Description du premier algorithme Résultats Description du second algorithme Le morphing 3D Contraintes liées à la 3D Descriptions des algorithmes Présentation générale du morphing Définition et localisations Les algorithmes Le morphing 2D Description du premier algorithme Résultats Description du second algorithme Le morphing 3D Contraintes liées à la 3D Descriptions des algorithmes 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Présentation : le morphing Connaissance de l’image source et cible Déformation progressive d’une image Différentes transformations : Rigides : translations et rotations Affines : + facteur d’échelle anisotropique Projectives : + effet de perspective Non-linéaires : nombre infini de degrés de liberté 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Présentation : le morphing Connaissance de l’image source et cible Déformation progressive d’une image Différentes transformations : J. B. A. Maintz, M. A. Viergever. A survey of medical image registration. Medical Image Analysis. Vol. 2, issue 1, pp. 1-36. 1998. 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Les algorithmes Différents algorithmes Méthodes géométriques + : rapidité - : perte d’informations Méthodes denses + : aucune réduction d’information - : complexité, temps de calcul Méthodes hybrides (peu utilisées) Choix de l’équipe IRMA : Méthode géométrique Régularisation 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Plan Présentation générale du morphing Définition et localisations Les algorithmes Le morphing 2D Description du premier algorithme Résultats Description du second algorithme Le morphing 3D Contraintes liées à la 3D Description des algorithmes 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing : Acquisition des données Schéma d’un signal RPM Exemple pour l’acquisition d’une coupe phase théorique 0% 10% 20% 30% 40% 50% phase réelle 14% 22% 38% 53% Problème d’incertitudes Phase 0% = phase 10% 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing : Différences En 2D : Différence surfacique = [(Nb pxl)morph – (Nb pxl)4D-CT] / (Nb pxl)4D-CT ~ 7000 à 9000 pixels En 3D : Différence volumique = [(Nb vxl)morph – (Nb vxl)4D-CT] / (Nb vxl)4D-CT ~ 600 000 à 700 000 voxels 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D (1) : 1er algorithme Données DICOM Algorithme de départ + gestion des contours 2D x y Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D : pixel de départ Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D après 1 itération Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D après 2 itérations 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

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 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D : Résultats (1) Phase 10% Phase 20% 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) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D : Résultats (1) 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) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D : Résultats (2) D’après les travaux d’H. Masset (IRMA / FEMTO-ST) Tolérance élevée (33% max) pour la mesure de la phase Différence surfacique inférieure à 11% pour l’ensemble du poumon 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Morphing 2D : Problème ? Pertinence physiologique de la déformation ? Pour chaque itération Transformation de la coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) de P0 à P50 (512x512 pxl) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D : Problème ? Pertinence physiologique de la déformation ? Pour chaque itération Pour le champ de déformation Coupe du poumon droit avec le premier algorithme Même coupe du poumon droit avec le nouvel algorithme

Journées des LARD - Octobre 2008 Morphing 2D : Solutions Complexification de l’algorithme : Régularisation cinétique du champ de déformation Modification de la déformation assurer une déformation biologiquement possible 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D (2) : 2nd algorithme Calcul de l’itération i+1 : Calcul de la « distance » (en pixel) entre le contour i et le contour final Calcul de la moyenne des distances Régularisation cinétique du champ de déformation P = (distance lue)/moyenne Si P > 1 : Paramètre = contrainte x P Si (contrainte x P) > N : Param = N Si P < 1 : Paramètre = contrainte ( = 1 ) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Morphing 2D : schéma 1 2 3 1 2 3 4 1 2 2 1 3 4 1 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 A B Illustration du calcul de la pondération du paramètre de déformation pour une coupe 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D : 2nd algorithme Modification de la déformation : carrée circulaire x y Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 2D : pixel de départ 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) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D : Application 2nd algorithme : Calcul de la pondération Nouvelle déformation Paramètre par défaut = 1 12 itérations 30 pour le premier algorithme => plus rapide transformation de la coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) de P0 à P50 (512x512 pxl) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 2D : Résultats Coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) Différence surfacique de 10,3% par rapport à P10 Différence de 10,7% par rapport à P20 Différence surfacique de 7,9% par rapport à P40 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Morphing 2D : Résultats Phase 10% Phase 20% 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) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Morphing 2D : Résultats 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) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Journées des LARD - Octobre 2008 Plan Présentation générale du morphing Définition et localisations Les algorithmes Le morphing 2D Description du premier algorithme Résultats Description du second algorithme Le morphing 3D Contraintes liées à la 3D Description des algorithmes 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 3D : problématique 2D 3D : Détection des contours sur la 3ème dimension Traitement en 3D : Pondération ? (2nd algorithme) Déformation ? Voxels non cubiques 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Forme initiale d’une coupe de poumon droit (z = -35 mm) Morphing 3D : solutions Détection des contours en 3D : Obligatoire sinon topologie incorrecte 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

Journées des LARD - Octobre 2008 Morphing 3D : solutions Détection des contours en 3D : Obligatoire sinon topologie incorrecte Calcul de la pondération : Même ordre qu’en 2D + ajout de la 3ème dimension Étude à effectuer : privilégier cette dernière dimension Pour les contours uniquement verticaux : D’abord mesure sur l’axe vertical Si aucune valeur, détection en 2D (dans la coupe) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 3D (3) : déformation 1er algorithme : Critère d’influence (vxl) Fonction de la vélocité Fonction de l’élasticité x y z Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 3D : forme générale des voxels traités Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 3D : voxel de départ Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 3D pour un critère d’influence de 2 vxl Représentation simplifiée de l’algorithme de morphing 3D pour un critère d’influence de 1 vxl 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 3D (3) : déformation 1er algorithme : Critère d’influence (vxl) Fonction de la vélocité Fonction de l’élasticité 2nd algorithme : Forme sphérique Régularisation cinétique x y z Représentation simplifiée du nouvel algorithme 3D : forme générale des voxels traités 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 3D : Résultats (1er algo.) Différence volumique de 9% par rapport à P20 Différence volumique de 7,7% par rapport à P40 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 3D : Résultats (1er algo.) Phase 20% Phase 40% Superposition de la coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) à la phase 20% et 40% (en blanc) à l’itération présentant le moins de différence avec elle (en rouge) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 3D : Résultats (2nd algo.) Différence volumique de 10,94% par rapport à P20 Différence volumique de 11,94% par rapport à P40 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Morphing 3D : Résultats (2nd algo.) Phase 20% Phase 40% Superposition de la coupe du poumon droit (z = -37,5 mm) à la phase 20% et 40% (en blanc) à l’itération présentant le moins de différence avec elle (en rouge) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Bilan pour les algorithmes Problèmes de cinétique : Différences surfaciques négatives (à z=-37,5 mm) Différences volumiques positives Solutions ? Description de la cinétique du poumon en plusieurs parties Discrétisation des matrices Contrôle du facteur de pondération 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Conclusion et perspectives Objectif 1 : Le patient 6 fois moins de dose par morphing par rapport au 4D-CT Favorise la respiration libre Objectif 2 : Balistique des traitements Morphing personnalisé Nécessité d’un algorithme précis Meilleur contrôle de la cinétique de l’algorithme Meilleure simulation à élaborer Passage à la 4D Prise en compte du signal RPM réel Prise en compte des autres organes Travail avec plusieurs niveaux de gris Nouvelles techniques d’acquisitions des données (segmentation, seuillage) 30/03/2017 Journées des LARD - Octobre 2008

Merci de votre attention