Multimodal Image Registration in Image-Guided Prostate Brachytherapy

par Iyas Hamdan

Thèse de doctorat en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication

Sous la direction de Dimitris Visvikis.

Le président du jury était Chafiaa Hamitouche-Djabou.

Le jury était composé de Dimitris Visvikis, Nacim Betrouni, Jocelyne Troccaz.

Les rapporteurs étaient Nacim Betrouni, Jocelyne Troccaz.

  • Titre traduit

    Recalage d'images multimodales en curiethérapie de la prostate


  • Résumé

    Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquent chez l'homme en France et aux pays occidentaux. Il est la troisième cause de décès liés au cancer, étant responsable d'environ 10% des morts. La curiethérapie, une technique de radiothérapie, est liée à une meilleure qualité de vie après le traitement, par rapport aux autres méthodes de traitement. La curiethérapie de la prostate consiste à insérer des sources radioactives dans la prostate afin de délivrer une dose d'irradiation localisée à la tumeur tout en protégeant les tissus sains environnants. L'imagerie multimodale est utilisée afin d'améliorer la précision du traitement. Les images Tomodensitométriques préopératoires, appelées Computed Tomography (CT), peuvent être utilisées pour calculer une distribution personnalisée et plus précise de dose. Pendant l'intervention, le chirurgien utilise un système de guidage temps-réel par l'Ultrason Transrectale, Transrectal Ultrasound (TRUS), pour placer correctement les sources radioactives dans leurs positions souhaitées. Par conséquent, si les positions des sources sont déterminées sur l'image CT, elles doivent être transférées à l'image US. Cependant, un recalage US/CT direct et robuste est difficilement envisageable parce que les tissus mous, telle que la prostate, offrent peu de contraste en CT et en US. En revanche, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) fournit un meilleur contraste et peut, potentiellement, améliorer le traitement en améliorant la visualisation. Donc, ces trois modalités (IRM, CT et US) doivent être correctement alignées. Pour compenser les déformations de la prostate, due au changement de taille et forme entre les différentes acquisitions, un recalage non-rigide est nécessaire. Une méthode de recalage entièrement automatique est nécessaire, afin de faciliter son intégration au bloc opératoire. Nous proposons dans un premier temps un recalage IRM/CT basé sur la maximisation de l'information mutuelle en combinaison avec un champ de déformation paramétré par B-Splines. Nous proposons de contraindre le recalage sur des volumes d'intérêt (VOIs) afin d'améliorer la robustesse et le temps de calcul. L'approche proposée a été validée sur des jeux de données cliniques. Une évaluation quantitative a montré que l'erreur de recalage est égale à 1.15±0.20 mm; qui répond à la précision clinique souhaitée. Ensuite, nous proposons un deuxième recalage US/IRM, où nous utilisons une approche multi-résolution pour éviter les minima locaux et améliorer le temps de calcul. Un critère de similarité, qui met en corrélation l'intensité de l'image US avec l'intensité ainsi que le gradient de l'image IRM, a été utilisé afin de trouver la transformation qui aligne les deux images. Cette méthode a été validée sur un fantôme de prostate dans un premier temps pour évaluer sa faisabilité. Ensuite, elle a été validée sur des jeux de données cliniques en utilisant des critères qualitatives et quantitatives. La distance Hausdorff a montré que l'erreur de recalage est égale à 1.44±0.06 mm. L'approche proposée dans ce travail permet d'aller vers un protocole de curiethérapie guidée par l'imagerie multimodale qui puisse améliorer la précision globale de cette procédure. Malgré ces résultats plutôt encourageants, les travaux futurs impliqueront une évaluation plus approfondie sur plus de jeux de données afin d'évaluer la fiabilité et l'efficacité de cette méthode avant de l'intégrer au bloc opératoire.


  • Résumé

    Prostate cancer is the most common cancer in men in France and western countries. It is the third leading cause of death from cancer, being responsible for around 10% of deaths. Brachytherapy, a radiotherapy technique, is associated with a better health-related quality of life after the treatment, compared to other treatment techniques. Prostate brachytherapy involves the implantation of radioactive sources inside the prostate to deliver a localized radiation dose to the tumor while sparing the surrounding healthy tissues. Multi-modal imaging is used in order to improve the overall accuracy of the treatment. The pre-operative Computed Tomography (CT) images can be used to calculate a personalized and accurate dose distribution. During the intervention, the surgeon utilizes a real-time guiding system, Trasnrectal Ultrasound (TRUS), to accurately place the radioactive sources in their desired pre-planned positions. Therefore, if the positions of the sources were determined on CT, they need to be transferred to US. However, a robust and direct US/CT registration is hardly possible since they both provide low soft tissue contrast. Magnetic Resonance Imaging (MRI), on the other hand, has a superior contrast and can potentially improve the treatment planning and delivery by providing a better visualization. Thus, these three modalities (MRI, US and CT) need to be accurately registered. To compensate for prostate deformations, caused by changes in size and form between the different acquisitions, non-rigid registration is essential. Fully automatic registration methodology is necessary in order to facilitate its integration in a clinical workflow. At first, we propose a registration between pre-operative MR and CT images based on the maximization of the mutual information in combination with a deformation field parameterized by cubic B-Splines. We propose to constrain the registration to volumes of interest (VOIs) in order to improve the robustness and the computational efficiency. The proposed approach was validated on clinical patient datasets. Quantitative evaluation indicated that the overall registration error was of 1.15±0.20 mm; which satisfies the desired clinical accuracy. Then, we propose a second intra-operative US/MRI registration, where a multi-resolution approach is implemented to reduce the probability of local minima and improve the computational efficiency. A similarity measure, which correlates intensities of the US image with intensities and gradient magnitude of the MRI, is used to determine the transformation that aligns the two images. The proposed methodology was validated on a prostate phantom at first to assess its feasibility. Subsequently, the method was validated on clinical patient datasets and evaluated using qualitative and quantitative criteria, resulting in a registration error of 1.44±0.06 mm. The approach proposed in this work allows going towards a multimodal protocol for image-guided brachytherapy which can improve the overall accuracy of this procedure. Despite such encouraging results, future work will involve further evaluation on a larger number of datasets in order to assess the reliability and the efficiency of this methodology before integrating it in a clinical workflow.


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