3D ultrasound calibration and its application in radiation therapy

Abstract

Aktuelle Entwicklungen in der bildgeführten Strahlentherapie versuchen gefährdete Organe zu schonen, indem die Strahlendosis genauer auf den Tumor verteilt wird. Eine exakte Positionierung des Patienten auf dem Behandlungstisch und die Lokalisation des bestrahlten Gewebes ermöglichen die sichere Anwendung von höheren, effektiveren Strahlendosen mit weniger Nebenwirkungen auf das umliegende Gewebe.<br />Verschiedene Methoden zur Positionierung des Patienten und zur Tumorbestrahlung stehen zur Verfügung, aber die meisten von ihnen führen zu zusätzlicher Strahlenbelastung für den Patienten. Ein strahlungsfreies Verfahren zur Positionierung des Patienten nutzt Ultraschall in Verbindung mit einem optischen Trackingsystem. Die Berechnung der Transformation zwischen dem Ultraschallbild und dem Positionssensor ist notwendig, um Position und Orientierung des Ultraschallkopfs im Raum zu bestimmen. Diese wird Ultraschallkalibrierung bezeichnet und kann auf verschiedene Art und Weise berechnet werden. Die Genauigkeit der Ultraschallkalibrierung ist ein wesentlicher Aspekt der Gesamtgenauigkeit von ultraschallgestützten Interventionen. Zwei Methoden werden vorgestellt, die unterschiedliche Phantome und Registrierungsverfahren nutzen. Das erste Phantom besteht aus Kunststoffkugeln, die für Punkt/Punkt-Registrierung verwendet werden. Das zweite Phantom besteht aus geometrischen Figuren, bei dem 3D/3D Bildregistrierung angewendet wird. Diese Methode wird verwendet, um einen Ultraschallsensor für die Patientenpositionierung in der Strahlentherapie zu kalibrieren. Das System zeigt einen durchschnittlichen Fehler unter 4 mm und scheint für den klinischen Einsatz robust und genau genug zu sein.<br />

Recent developments in image-guided radiation therapy promise to spare organs at risk by applying better dose distribution on the tumour.<br />Exact positioning of the patient on the treatment table and localisation of irradiated tissue allow safe delivery of higher and more effective radiation doses with fewer side effects to surrounding tissue. Several methods for patient positioning and tumour targeting are available, most of them imply additional radiation dose for the patient. A radiation-free method for patient positioning makes use of ultrasound equipped with an optical tracking system. Determination of the transformation between the ultrasound image and a tracking sensor fixed to the probe is necessary to estimate position and orientation of the ultrasound transducer in space and is known as ultrasound calibration.<br />The accuracy of ultrasound calibration is a main contribution to the overall accuracy of ultrasound based interventions. Two methods are introduced which make use of different imaging phantoms and registration processes. The first phantom consists of plastic spheres mounted on strings which are used for point/point registration. The second phantom is composed of geometrical figures where 3D/3D image registration is applied. This method is used to calibrate an ultrasound transducer for patient positioning in radiation therapy. The system shows an average distance error below 4mm and seems to be robust and accurate enough for clinical use.