Fusion de Imágenes en Radioterapia

Fusión de Imágenes en Radioterapia
IAEA Regional Training Course
“ Transition from 2D to 3D Conformal Radiotherapy : Medical Physics Aspects “
IAEA PROYECT RLA/6/061, 7 TO 11 May 2011
Training and Updating Knowledge in Medical Physics ( ARCAL CVII )
Instituto Privado de Radioterapia – Fundación Marie Curie, Córdoba, ARGENTINA
Lic. Leopoldo Mazzucco
IAEA Proyect RLA/6/061 Transition from 2D to 3D Conformal Radiotherapy - 07 – 11 May 2011

Fusión de Imágenes en Radioterapia
1. Qué es Fusión de Imágenes, conceptos
2. Etapas Previas
3. Problemas involucrados en relacionar imágenes
4. TRANSFORMACION - REGISTRO
1. Concepto Básico
2. Tipos de transformaciones
3. Métodos de Registro
a. Intrínsecos
b. Extrínsecos
5. Controles de Módulos de Fusión
6. Ejemplos y Utilidades
Información Mutua

QUE ES FUSION DE IMÁGENES
1. Existen algoritmos que permiten combinar diferentes tipos de imágenes
médicas de un mismo pacientes, que brindan información específica del
tipo de estudio, y a la vez complementaria, con el objeto de integrar la
información brindada por cada modalidad.
TAC
PET
Fusión

Etapas previas al proceso de combinación de Imágenes complementarias :
1.Objetivo ( Complementariedad de las informaciones brindadas por cada
modalidad )
2.Adquisición ( Modalidades : TAC – RMN – US – PET - SPECT – RX ..)
3.Reordenamiento de Datos ( los datos en crudo se ordenan en forma
matricial, Sinograma…)
4.Reconstrucción + Correcciones , Realce , Filtrado ( Ordenamiento espacial y
filtrando del ruido, compensando atenuación de la señal, “aire – tejido “,
Histograma )
5.Registración autoconsistente de cada conjunto de imágenes de cada
modalidad.
6.Segmentación es el proceso de identificación de Organos y estructuras ,
dibujo y delineación de bordes etc.. Puede hacerse en cada conjunto de
Imágenes a combinar.
7.Fusión.

 Problemas involucrados en la Fusión de Imágenes
2) Calidad Respetable de los conjuntos de imágenes

2) Alineado diferente del paciente ejes XYZ ( Ejemplo: TAC estereotáxica con
RMN no estereotáxica, de un mismo paciente)
Problemas involucrados en la Fusión de Imágenes
TAC ESTEREOTAXICA
RMN NO ESTEREOTAXICA

3 ) Ausencia de Fiduciales , o poca precisión espacial
Problemas involucrados en la Fusión de Imágenes
TAC
PET
TAC
RMN
Intra sujeto – inter modalidad Intra sujeto – inter modalidad
4) Diferente estado de los cuerpos en uno u otro estudio, efectuados en distintos
momentos (Ejemplo: TAC inicio – TAC mitad tratamiento , en un mismo paciente)
5) Movimiento de órganos y/o Deformaciones del cuerpo ( El problema Respiratorio
en Tórax y Abdomen).
6) Deformaciones de las imágenes

Transformación : Encontrar una matriz de transformación “T” espacial que relacione un cuerpo 3D con otro
fundiendo ambos en una base : el cuerpo de referencia : Imagen Flotante -- imagen de referencia
… Relación o combinación entre estudios ……
CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN FUSION DE IMÁGENES:
TIPOS DE TRANFORMACIONES METODOS DE REGISTRO
Registración Espacial : Se llama al proceso de correlación o alineación espacio - temporal de dos o más conjuntos
de imágenes médicas, se trata de ubicar a una o más IMÁGENES FLOTANTES en el contexto de otra tomada como
de IMAGEN DE REFERENCIA
FUSION
F T : F -> RR

Clasificación de las Transformaciones
Según la Dimensionalidad:
2D / 2D
3D/3D
2D/3D
Modalidades más usadas:
•RMN (Resonancia Magnética Nuclear)
•TAC ( Tomografía axial computada )
•US ( ultrasonido)
•PET ( Tomografía por emisión de positrones)
•SPECT ( Tomografía simple de emisión de positrones )
•RX ( Radiología convencional plana)
Según la Modalidad y Sujeto:
A )Intra-sujeto/ Intra-modalidad
• TAC inicio tratamiento, TAC mitad tratamiento
• Imágenes de esfuerzo /reposo en cardiología Nuclear
B) Intra-sujeto/Inter-modalidad
• TAC Simulación / RMN diagnóstica
• TAC estereotáxica/ RMN no estereotáxica
C) Inter-sujeto / Intra-modalidad
• Estudios estadísticos de Cartografía Anatómica , Atlas
D) Inter-sujeto/ Inter-modalidad
• Imágenes funcionales con RMN de referencia modelo

Tipos de Transformaciones
1. Extrínsecos : basados en referenciales externos
al cuerpo
2. Intrínsecos : basados en referenciales internos
del Cuerpo , o Información Mutua.
Tipos de tranformaciones:
•RIGIDA : La más simple es la T rígida que requiere 3 parámetros en 2D y 6 en 3D
•AFIN : conserva el paralelismo entre lÍneas, pero permite cambios de escala y
cizalladuras ( 6 parámetros en 2D y 12 en 3D ).
•PROYECTIVA : se pierde el paralelismo entre líneas aunque siguen siendo rectas.
•CURVADA : (elástica ) es una transformación deformable general tan compleja como
se quiera, aunque conservando la vecindad relativa entre voxeles.
Metodos de Registro

Algoritmos para el registro de Imágenes
T : F -> R
• El Registro de Imágenes es tratado como un problema de transformación de
coordenadas de un sistema de referencia para otro.
• Si un sistema de referencia de una modalidad es R , y el otro es F , Interesa
construir una matriz de transformación T cuyos elementos son ( por ejemplo
para una transformación rígida ): ( t11, t12, t13, …. T21, t22, t33….) de manera
que :
X = t11 u + t12 v + t13 w + t14
Y = t21 u + t22 v + t23 w + t24
Z = t31 u + t32 v + t33 w + t34
(u,v,w) son las cordenadas en F (X Y Z ) son las coordenadas en R

Resonancia Magnética no
Estereotáxica .
Información RMN
Tomografía Axial computada
estereotáxica.
Información TAC
T : F -> R
Fusión de la RMN en la TAC de
Referencia.
Información (RMN TAC )
•“…. La registración de imágenes es el proceso que determina la mejor adaptación de dos o más imágenes tal que
las coordenadas en ambas imágenes se correspondan con la misma región física de la escena observada …….”
F R
Registración
•“El Proceso de Registración ayuda a identificar estructuras equivalentes en ambos conjuntos de Imágenes”
•El Producto de un proceso de registro de Modalidades diferentes es brindar una INFORMACIÓN CONJUNTA más
útil que la simple suma cuantitativa de las informaciones separadas
Registración espacial se llama al proceso de correlación o alineación espacio - temporal de dos o
más conjuntos de imágenes médicas, se trata de ubicar a una o más IMÁGENES FLOTANTES en el
contexto de otra tomada como de IMAGEN DE REFERENCCIA

1 ) Registro por medio de Marcadores Externos ( Métodos Extrínsecos )
Para Obtener la Matriz T de Registración se usan marcadores externos a la anatomía
•Necesita Puntos homólogos
•Objetos deben ser visibles fácilmente identificables
•Rapidez de cómputo
• En algunos casos es Invasivo y requiere preparación previa
•Pueden ser marcadores en piel removibles ( puede ser inseguro )

Se marcan en la RMN y en la TAC los referenciales internos ( Ejemplo: los centros
de los ojos, Cisterna cuadrigeminal, Fastigio 4to ventrículo
2 ) Registro por medio de marcadores anatómicos ( Métodos Intrínsecos )
Marcación de referenciales internos en la RMN

2 ) Registro por medio de marcadores anatómicos ( Métodos Intrínsecos )
Se marcan en la RMN y en la TAC los referenciales internos ( Ejemplo: los centros
de los ojos, Cisterna cuadrigeminal, Fastigio 4to ventrículo
Marcación de referenciales internos en la TAC

Deficiencias en una fusión Rígida basada en referenciales internos, transformación rígida
( Métodos Intrínsecos )

Ejemplo de Transformación Elástica
Fusión de atlas cerebral en RMN
( Métodos Intrínsecos , elástica )

Entropía e información :
• 1928 Hartley : Cantidad de información de una secuencia de datos H = n* log (s)
• donde n= número de símbolos, s = probabilidad de ocurrencia de un´símbolo
•Shannon introduce bases de la teoría de la información: para símbolos de diferente
probabilidad de ocurrencia pi la Entropía sería:
•La Entropía H se puede ver como una medida de la incertidumbre -> max(H) = cuando
todos los símbolos tienen igual probabilidad de ocurrencia
•La imágenes son portadoras de información: en lugar de probabilidad de ocurrencia de
letras o palabras, tenemos distribuciones de valores de gris ( si una imagen tiene muy
pocos valores de grises = seguramente posee muy poca información )
•Usar conceptos que relacionen las entropías puede servir para el registro de imágenes
•Woods propuso que usar la entropía conjunta de imágenes podría servir para el
registro de las mismas. La entropía conjunta de dos grupos de imágenes A y B se define
como :
Maximización de la Información Mutua ( Métodos Intrínsecos )

•Hill et All propusieron definir un espacio de cartacterísticas: similares tejidos se
mapean en la misma región del espacio de Características
•El espacio de Características hace mención al Histograma conjunto, al cual cambia con
la alineación de las imágenes
•Collignon el al. (1995) , Viola e Wells establecen una medida a ser aplicada al
registro rígido: la Información Mutua ( IM)
•Hay 3 definiciones de IM, ( al final son equivalentes entre Si )
IM(A,B) = H(A) + H(B) – H(A,B)
Donde H(A,B) es la entropía conjugada de A y B.
Maximizar ( IM ) = Minimizar H(A,B)

El Histograma conjugado es una herramienta para calcular la distribución de
probabilidad conjunta de las imágenes. El método consiste en recorrer cada imagen
contando el numero de veces que un valor de gris de la imagen A se corresponde con
un nivel de la imagen B; al dividir cada uno de estos valores por la cantidad total de
entradas se encuentra una aproximación numérica de la distribución de probabilidad.
IM(A,B) = H(A) + H(B) – H(A,B)
Información Mutua
Entropía de A
Entropía de B
Entropía conjugada de A y B
Maximizar ( IM ) = Minimizar H(A,B)
OBJETIVO: Encontrar la Transformación T que minimice la entropía conjugada
El método de Max(IM) halla una transformación que es rígida

Fusión efectuada maximizando Inf. Mutua. ( Métodos Intrínsecos )
TAC estereotáxica / RMN no estereotáxica.
El marco estereotáxico es para el sistema de coordenada del tratamiento de radiocirugía;
no se usa para la fusión

Control de superposición de puntos anatómicos homólogos
Controles
Cursor en un referencial
anatómico en cada
modalidad de imagen debe
coincidir

Control de superposición de puntos anatómicos homólogos
Controles

Preparados imágenes para Lanzar Maximización de la
Información Mutua.
Ejemplo: cómo afecta la Limpieza de las imágenes al proceso de
Maximización de la información mutua
Controles

Control de Autofusión : Imagen NoClean --- Imagen Clean
Se prueba la fusión del mismo conjunto de imágenes, con diferente proceso
de limpieza y delimitación de contorno del cuerpo
Inicio del proceso
Fin del proceso.
Observar el Histograma conjunto
Controles

Pruebas de Autofusión : Imagen Clean --- Imagen Clean
Observar los Histogramas
conjuntos en cada caso
Controles

Prueba de Autofusión : Axial – Sagital , Axial Coronal , Sagital – Coronal etc..
Se trata de adquisiciones independientes en un mismo estudio de RMN, axiales,
coronales, sagitales . Procesar cada conjunto de imágenes y fusionar
Controles

Utilidades de la Fusión : Atlas Normal -- RMN cerebral
Uso

Utilidades de la Fusión : Atlas Normal -- RMN cerebral con afección geométrica
Uso

Fantoma Resonador
Uso de RMN en simulación - Distorsiones
Fuente: Fox Chase Cancer Center. Dennis Mah

( Intra paciente – Intra modalidad )
Fusión TAC ( Cortes cada 5 mm ) – TAC (cortes cada 3 mm ).
mismo paciente , intervalo = 1 semana, preparado rectal y vesical : idéntico, Posicionamiento:
idéntico. Objetivo: Controlar repetibilidad posicionamiento , estado de órganos, dibujo de
ROI y comparación, etc..
Uso

TAC “A” TAC “B”
Uso

Uso

DOS TOMOGRAFIAS DE UN MISMO PACIENTE
Se dibujan las regiones de interés en una TAC y se importan en la otra
Uso

Uso
Radiocirugía

Radiocirugía

Conclusiones:
• Se debe tener en claro cual será el objetivo de plantear una
fusión de imágenes.
• Establecer el nivel de Completitud y Necesidad que tiene para
una Planificación de Radioterapia.
• Establecer las condiciones de simulación / posicionamiento del
(de los) pacientes en cada modalidad y si esto afecta el registro.
• Definir Parámetros de Adquisición. ( Calidad )
• Revisar cada conjunto de Imágenes y prepararlos
convenientemente.
• Efectuar la Fusión repetidamente, y si es posible con más de un
método de Registro.
• Establecer el proceso de segmentación adecuado en cada
modalidad.
• Comisionar cuidadosamente el módulo de fusión del TPS !!
•Documentar
FIN

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