Atlas anatômico da região da cabeça e do pescoço : em direção à radioterapia adaptativa

Abstract

Em radioterapia externa, uma nova técnica chamada terapia de radiação de intensidade modulada - IMRT - permite delinear a dose de radiação em imagens de 2 ou 3 dimensões, delimitando de forma bastante precisa e não necessariamente uniforme a região a ser irradiada. Assim, ao mesmo tempo que o tumor é irradiado, é possível evitar a irradiação aos tecidos vizinhos íntegros (sãos), limitando os efeitos secundários do tratamento. Para que a radioterapia externa tenha sucesso usando a técnica IMRT, é fundamental delinear previamente de forma precisa o tumor e os órgãos sãos que devem ser protegidos da radiação, garantindo assim a dose exata de radiação nos volumes alvos. O objetivo desta tese é fornecer ferramentas que sejam adequadas ao delineamento automático de estruturas de interesse e à radioterapia adaptativa para tumores da região da cabeça e do pescoço. Atualmente, a segmentação de estruturas de interesse, tais como os órgãos em risco e as regiões de propagação tumoral, é feita manualmente. Esta é uma tarefa que demanda bastante tempo de um especialista, além de ser tediosa. Além do mais, o planejamento em radioterapia é feito baseado na imagem adquirida na semana do pré-tratamento, onde é calculada a dose. Normalmente o tratamento ocorre em várias semanas, porém a dose estimada no início do tratamento é a mesma para todas as outras semanas do tratamento. Calcular a dose e mantê-la nas demais semanas é uma simplificação que não corresponde à realidade, já que ocorrem mudanças anatômicas no paciente ao longo do tratamento. Estas mudanças ocorrem devido ao encolhimento do tumor e ao possível emagrecimento do paciente, provocando alterações anatômicas locais e globais. As contribuições desta tese visam solucionar e avançar nestes problemas e são apresentadas em dois eixos. No primeiro eixo, é proposta uma metodologia para escolher uma anatomia que seja representativa da população, anatomia esta chamada de atlas. O registro do atlas na imagem do paciente permite que estruturas de interesse sejam segmentadas automaticamente, acelerando o processo de delineamento e tornando-o mais robusto. A segunda contribuição desta tese é voltada à radioterapia adaptativa. Para que a dose estimada na primeira semana seja adaptada às modificações anatômicas, é necessária a utilização de métodos de registro não-rígidos. Portanto, nesta etapa é feita uma avaliação e adaptação dos métodos de registros de forma que a região do tumor esteja bem alinhada.

Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) is a new technique enabling the delineation of the 3D radiation dose. It allows to delineate a radiation zone of almost any shape and to modulate the beam intensity inside the target. If IMRT enables to constrain the radiation plan in the beam delivery as well as in the protection of important functional areas (e.g. spinal cord), it also raises the issues of adequacy and accuracy of the selection and delineation of the target volumes. The purpose of this thesis is to provide tools to automatic delineation of the regions of interest and also to adaptive radiotherapy treatment for tumors located in the head and neck region. The delineation in the patient computed tomography image of the tumor volume and organs to be protected is currently performed by an expert who delineates slice by slice the contours of interest. This task is highly time-consuming and requires experts’ knowledge. Moreover, the planning process in radiotherapy typically involves the acquisition of a unique set of computed tomography images in treatment position on which target volumes (TVs) and normal structures are delineated, and which are used for dose calculation. Restricting the delineation of these regions of interest based solely on pre-treatment images is an oversimplification as it is only a snapshot of the patient´s anatomy at a given time. Shrinkage of the tumor and modification of the patient anatomy at large (e.g. due to weight loss) may indeed occur within the several weeks’ duration of a typical treatment. The main contributions of this thesis aim to advance in the solution to these issues and are presented in two axes. In the first one, it is proposed a methodology to choose an image with the most representative anatomy of a population; such image is called Atlas. The registration of the atlas into a new image of the patient allows to automatically segment the structures of interest, speeding up the delineation process and making it more robust. The second contribution of this thesis is focused on the adaptive radiotherapy. In order to adjust the estimated dose to the anatomical modifications, it is fundamental to have non-rigid registration algorithms. So, the evaluation and adaptation of non-rigid registration methods are required, addressing especially the alignment of the tumor’s region among different moments of the treatment.