Utilisation d'une caméra Temps-de-vol pour la gestion des mouvements en radiothérapie externe

Use of a Time-of-light Camera for Monitoring in External Radiotherapy

• Auteur / Autrice : Thomas Wentz
• Direction : Dimitris Visvikis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Télécom Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Respiration

Radiothérapie

Imagerie médicale

Résumé

Ces travaux de thèse se focalisent sur l'amélioration de la prise en charge des mouvements physiologiques qui dégradent la qualité du traitement du cancer par radiothérapie externe. L'erreur de localisation du volume tumoral détecté par imagerie est dépendante du repositionnement du patient par rapport à l'accélérateur linéaire de traitement. Une deuxième source d'incertitude concerne les localisations pulmonaires et des seins : le mouvement respiratoire induit un déplacement de la tumeur. Des marges sont alors ajoutées au volume détecté afin de certifier la délivrance de dose prescrite à la tumeur. L'enjeu de la réduction de ces marges est important cliniquement pour limiter les risques de cancers ultérieurs pour les tissus sains et organes à risques proches de la tumeur. Cependant, l'apparition de scanners 3D capturant les surfaces de manière dynamique sans nocivité permet le développement de systèmes optimisant la gestion de ces mouvements, c'est pourquoi ce travail de thèse a cherché à évaluer une caméra Temps-de-Vol pour sa capacité à suivre une déformation surfacique dynamiquement. En effet, la prédiction du mouvement interne dû à la respiration par l'observation et l'estimation en temps réel du mouvement surfacique externe constitue le point-clef d'une irradiation compensant la respiration. De même, le recalage et la surveillance dynamique de la surface d'un patient pendant une fraction du traitement permet d'améliorer son repositionnement inter et intra-fraction. Les capacités de la Caméra Temps-de-Vol comme scanner 3D permettant un tel suivi sont démontrées dans ce travail. La compréhension de l'influence des paramètres d'observation, la réduction du bruit de mesure ainsi que la création de systèmes bi-caméras amènent à une augmentation sensible de la précision et de la robustesse des estimations. Le développement de méthodes innovantes d'extraction de la déformation à partir des nuages de points 3D permet enfin d'obtenir une estimation précise et exhaustive d'une déformation surfacique en temps réel. Au final, les méthodologies développées montrent que l'on peut connaitre le mouvement respiratoire externe dans la direction antéro-postérieure avec une précision millimétrique à l'échelle d'un seul point en temps réel. De même, la fusion des informations 2D et 3D fournies par la caméra permet d'estimer la déformation tridimensionnelle avec une précision inférieure à deux millimètres, et ceci plusieurs fois par seconde. Enfin, une étude clinique pour le repositionnement montre la bonne capacité d'un système bi-caméras à détecter et estimer une translation et semble indiquer que l'analyse par surface ne permet pas de détecter un mauvais alignement interne.

This work deals with the improvement of motion monitoring for cancer treatment with external radiotherapy. Errors in imaging-detected tumor volume localization strongly degrade the treatment quality as it limits dose delivery accuracy. Clinical management consists of the addition of fixed margins around the targeted volume in order to ensure a complete coverage, although it also leads to undesired irradiation of nearby organs-at-risk and potentially chance of secondary cancer development. An efficient monitoring of motion would allow for a reduction of these margins thereby improving overall dosimetry to both target and organs-at-risk. The first motion-related degrading factor for tumor localization concerns patient positioning at each fraction of the treatment. The second is related to lungs and breasts displacement with respiratory motion. In order to address these two issues in clinical practice, 3D scanners based on infrared light demonstrated promising efficacy for contactless, harmless and real-time 3D observation a surface: on the one hand, the prediction of internal breathing through real-time estimation of external motion allows respiratory motion compensation. On the other hand, positioning can be performed by exploiting the associated surfaces. This work investigated the Time-of-Flight camera validation for these applications. The understanding of the impact of the observation conditions, developments for measurement noise reduction, as well as the creation of a system comprising two calibrated cameras allowed to significantly improve the accuracy and robustness of motion estimations. This work led to the development of validated new methods allowing fast and exhaustive extraction of motion information from 3D points clouds. Finally, this work also demonstrated that the deformation of the patient surface during breathing in the anterior-posterior direction can be estimated at the level of a point, in real time, with an accuracy of about a millimeter. Furthermore, fusion of 2D and 3D information provided by the Time-of-Flight camera allows estimating elastic deformation with an error of up to two millimeters, several times per second. Finally, a clinical study about patient positioning for radiotherapy treatment showed the efficiency of a double-cameras observation system for the detection and quantification of patient¿s translation, although it also indicated that positioning using external surfaces does not allow for the detection of internal misalignment.