1.4.1 Potentiel d’utilisation en clinique
Cette section du projet a comme but d’évaluer le potentiel clinique de l’utilisation conjointe des diffé- rents outils de recalage déformable utilisés durant tout le projet. Leur utilisation serait dirigée par un protocole, tel que celui qui est proposé à la figure1.7. Alors que le chapitre3caractérise le segment Éval déformde ce protocole, concernant la possibilité d’utiliser les indices de similarité pour détecter les variations anatomiques, cette section discutée au chapitre 4 vise plus précisément à évaluer une méthode de déformation des doses à l’aide du recalage déformable ainsi que le cumul de ces distribu- tions de dose à chaque fraction. Cette évaluation correspond à l’option, Éval dose, ainsi que les étapes subséquentes numérotées dans l’arbre d’analyse présentée à la figure1.7.
FIGURE 1.6 – Schéma montrant l’effet du volume des organes sur l’indice de superposition. Des organes dont la surface qui ne se superpose pas (//) est la moitié de la surface qui se superpose (||) donne un ratio de superposition de 2/3. Des organes plus gros dont la surface qui ne se superpose pas est la même donne un ratio plus élevé.
Ce protocole commence à la première case par le calcul de la dose sur l’image CT lors de la plani- fication avant le début des traitements. Pour la suite de la procédure, on conserve à la seconde ligne d’une part l’image CT de planification avec ses contours et le cumul de dose planifié pour ce patient. Le cumul de dose n’est utilisé que plus tard. Lorsque l’on descend cet arbre du côté du CT planif, on obtient une image CBCT du jour plus tard lors d’une fraction du traitement. À l’étape suivante, le logiciel OnQ est utilisé pour recaler les images avec la méthode AP tel que montré au chapitre
3. À noter toutefois que tout algorithme permettant de recaler ces images et leurs contours peut être utilisé à cette étape. Cette méthode produit une image recalée, appelée CT déformé. Par la suite, deux choix sont possibles afin d’évaluer l’impact des déformations anatomiques : évaluer les déformations et évaluer les doses. L’évaluation des déformations anatomiques est couverte au chapitre 3à l’aide des indices de similarité offerts avec le logiciel OnQ rts. À l’aide des informations de déformations anatomiques ainsi que le recalcul de la dose sur l’image CT déformée à l’aide du plan de traitement, montré à l’étape Éval dose, il est possible d’effectuer une décision médicale pour le patient. Premiè- rement, si les déformations anatomiques sont négligeables et les distributions de dose sont similaires à ce qui a été planifié, le patient peut poursuivre son protocole de traitement. Si l’un ou l’autre ou ces deux aspects dépassent des tolérances, 3 choix s’offrent aux intervenants dépendamment de leur gra- vité : faire un suivi rapproché lors des prochaines séances, modifier le plan de traitement ou replanifier totalement le traitement à l’aide d’une nouvelle image CT de planification. Pour la suite, la méthode utilisée pour cette section est schématisée plus précisément à la figure1.8 et elle est décrite dans les prochaines sections. Ce schéma est tiré directement de la figure1.7. Il s’agit de la section inférieure du protocole, soit les cases possédant des chiffres.
Dose plan Cumul CT planif CBCT jour CT déform 2 - CT planif 1 - Éval dose 3, 4 - Dose déform Éval déform Décision
FIGURE 1.7 – Protocole élaboré pour une éventuelle application clinique du recalage déformable. Dose plan représente la planification du traitement, qui permet d’extraire la dose cumulée du trai- tement (Cumul) et l’image CT de planification (CT planif). Durant le traitement, un CBCT du jour est pris (CBCT jour), ce qui permet de faire un recalage déformable sur ces deux images pour créer l’image CT recalée (CT déform) et ses contours recalés. Ces contours permettent d’évaluer les défor- mations anatomiques qu’a subit le patient depuis l’image CT de planification (Éval déform) et ainsi décider si le traitement planifié devrait se poursuivre ou être modifié. À la case Éval dose, on effectue un calcul de dose sur l’image CT recalée pour aider à la décision également. À la case CT planif, on effectue un recalage inverse de l’image CT recalée sur l’image CT de planification afin d’obtenir les paramètres pour recaler la dose calculée à Éval dose dans le référentiel de l’image de planification (Dose déform). Toutes les doses déformées sont ensuite cumulées pour connaître la véritable dose cumulée et la comparer au cumul de planification.
1.4.2 Calcul des doses
Cette étape correspond à la case 1 de la figure 1.8. À cette étape, le logiciel Pinnacle3 est utilisé afin de calculer les distributions de doses pour toutes les images CBCT prises durant le traitement. La planification dosimétrique du traitement effectuée sur l’image CT de planification est appliquée sur chaque image CT recalée. Dans tous les cas, la table de traitement est ignorée pour le calcul et est considérée comme ayant la densité de l’air. Ceci permet d’ignorer les erreurs de déformation de la table après le recalage et c’est possible, car aucun plan n’est véritablement délivré, ni comparé à un plan clinique. Ce calcul de dose avec Pinnacle sur l’image recalée par le logiciel OnQ rts permet d’évaluer les indices dosimétriques pertinents au volume cible, la prostate, ainsi qu’aux organes à risque, comme le rectum et la vessie. C’est à cette section qu’une partie de la décision clinique serait prise.
CT recalé + contours 1 – Calcul de dose 2 – Recalage inverse sur CT planif. 3 – Déform. de la dose 4 – Cumul de dose Dose planifiée Comparer les doses x nombre de CBCT
FIGURE 1.8 – Méthode pour l’évaluation de la dose du jour aux organes et leur accumulation pour toutes les fractions d’un patient
Comme il est expliqué plus haut, l’avantage de procéder de cette manière est que le calcul de dose est plus exact. En effet, la qualité de l’image est du même niveau que celle de l’image CT de planification pour ce qui est des densités électroniques, un aspect important d’une bonne simulation du dépôt de la dose dans les tissus. De plus, les contours des organes tracés sur l’image de planification sont générés automatiquement sur l’image recalée, avec l’anatomie du jour. Finalement, cela évite de déformer la dose directement. Pour l’étude, on recherche plutôt à calculer la dose sur une image déformée et l’on se base sur une déformation anatomique des tissus pour déformer la grille de dose par la suite. La méthode employée ici pour des cas de cancer de la prostate est similaire à celle employée par Elstrøm et coll. pour des cas de cancer de la tête et du cou [75].
1.4.3 Déformation des distributions de dose
La seconde étape consiste à recaler l’image CT recalée à nouveau. Cette fois-ci, le recalage est effectué sur l’image CT de planification et à l’aide du logiciel Elastix. La raison d’utiliser Elastix est d’obtenir le fichier de paramètres de déformation inverse qui a été appliqué initialement en recalant l’image CT de planification sur l’image CBCT durant le traitement. Pour ces recalages, la métrique utilisée pour les recalages est la pénalité de magnitude de déplacement. Cette métrique cherche à minimiser la valeur de :
kTµ(~x)−~xk2 (1.14) Où ~x est l’ensemble des positions des pixels de l’image fixe, ici l’image CT de planification, et Tµ(~x)
méthode permettant d’obtenir les paramètres d’une transformation inverse suite à une transformée directe avec le logiciel Elastix.
À l’aide des paramètres de transformation de l’image CT recalée vers l’image CT de planification, cette transformation peut ainsi être appliquée à d’autres images avec l’aide de Transformix, un logiciel compagnon d’Elastix. L’objectif ici est d’appliquer cette transformée sur la carte de dose calculée sur l’image CT recalée, tel que montré au point 3 de la figure 1.8. Ceci est possible utilisant la carte de dose comme une image de tons de gris au lieu de dose. Ainsi, la carte de dose est transposée dans le référentiel du CT de planification. En répétant cette étape pour la carte de dose de chacune des fractions, il est possible d’additionner toutes les cartes et de connaître la distribution de dose cumulative de chaque fraction.
Cette méthode constitue une différente approche de ce qui est régulièrement fait en radiothérapie adaptative. Certaines approches cumulent les doses en déformant directement la grille de dose avec les paramètres de déformation de l’image du jour sur l’image de planification [76,77], mais cela peut mener à de plus grandes erreurs de dose, car les doses ne se déforment pas de la même manière que les tissus. Par exemple, un tissu atteint d’un oedème durant une séance du traitement peut perdre du volume avec le temps, mais la dose reçue par les cellules du tissu lors de cette fraction ne varie pas avec le temps. D’autres approchent quant à elles utilisent des méthodes en temps réel pour prévenir que la distribution de dose durant la fraction diverge de ce qui a été initialement planifié [78]. Contrairement à ces techniques, la méthodologie vise à recalculer premièrement le plan de traitement sur toutes les images CT déformées prises au long du traitement, comme il est expliqué plus haut. Deuxièmement, les images CT déformées sont recalées à nouveau vers l’image de planification afin d’obtenir les paramètres de recalage inverses permettant de déformer les grilles de doses du jour dans un même référentiel. Le référentiel choisi est celui de l’image CT de planification, ce qui rend l’analyse dans le logiciel de planification de traitement plus simple. Une telle méthode de cumul de dose par recalage déformable a été démontrée comme respectant le comportement physique de l’accumulation de dose via une déformation tissulaire [79].
1.4.4 Cumul des doses déformées
La dernière étape consiste à accumuler les cartes de doses déformées du jour à l’étape 4 de la figure
1.8 et à comparer ces doses cumulatives qui prennent en compte les déformations anatomiques avec celles issues directement de la planification du traitement. L’accumulation des doses est faite à l’aide des outils d’addition d’images du logiciel ImageJ. En effet, dû au format des cartes de doses qui sont maintenant considérées comme des images plutôt que des fichiers DICOM, leur manipulation est simplifiée.
Cela permet des opérations mathématiques simples sur les images. Par exemple, toutes les images de doses peuvent être cumulées pour ensuite diviser les valeurs des pixels par le nombre de cartes de dose afin d’obtenir la dose moyenne par fraction. Il est également possible de diviser la carte de
dose cumulative de planification par le nombre de cartes de dose pour trouver les différences de dose aux organes à chaque fraction. Toutefois, l’opération essentielle à cette étape est de trouver la dose cumulée de planification pour le nombre de séances d’imagerie CBCT. En effet, la dose cumulée de planification est calculée pour un total de 25 fractions et les doses déformées sont cumulées sur un maximum de 10 fractions. Il faut donc appliquer un facteur à la carte de dose cumulée de planification afin de pouvoir comparer des deux cumuls de dose.
Les comparaisons de dose à cette section nécessitent de trouver les distributions de dose par organe. Cette étape est effectuée en important les images, les contours et les doses dans le logiciel 3D Sli- cer [80]. Ce logiciel se concentre sur la visualisation et l’analyse d’images médicales multimodales. L’intérêt pour ce logiciel réside dans la possibilité d’ajouter des modules d’extensions pour le person- naliser. Dans ce cas-ci, l’extension SlicerRT a été utilisée pour augmenter les outils disponibles pour la radio-oncologie. Les outils d’intérêt dans ce module sont les fenêtres pour le calcul des histogrammes dose-volume et des comparaisons de dose. Ainsi, l’analyse des distributions de dose à cette section est tirée du logiciel 3D Slicer lorsque les différentes cartes de dose calculées par ImageJ sont importées.
Chapitre 2
Caractérisation des recalages du logiciel
Elastix à l’aide d’un fantôme
anthropomorphique
2.1
Mise en contexte
Ce chapitre traite des premiers recalages déformables d’images CT sur CBCT employant le logiciel Elastix. Le but de ces tests et vérifications consiste à valider la possibilité d’utiliser le recalage dé- formable afin d’obtenir une image dont la qualité est la plus proche possible de celle d’une image diagnostique tout en utilisant les informations anatomiques des images CBCT, de basses qualités. Cette première étape supporte la suite du projet, en ce sens qu’elle montre la possibilité de combler les inconvénients des images CBCT et CT tout en obtenant des contours et des doses déformées. Dans ce chapitre, la méthode de recalage est décrite. Premièrement, l’optimisation du fichier de pa- ramètres est abordée, en indiquant les résultats de la variation de paramètres choisis. Deuxièmement, l’évaluation de la qualité des recalages est effectuée à l’aide de calculs de dose sur les images CT, CBCT et l’image recalée.