Validation of Catalyst HD™ positioning performance using a deformable phantom

Abstract

Aim: The overall purpose for this master thesis was to evaluate the deformable algorithm of the optical surface scanning system Catalyst HDTM . The aim was to develop a method to evaluate the non-rigid registration algorithm using a deformable phantom and with it investigate the positioning accuracy of the depth calculation.

Materials and Methods: As deformable phantom a modified breast implant was used. The silicone breast implant was modified by implanting six gold seeds as radio graphic markers as well as painting the surface in a skin toned colour for reflective purposes. The deformation was achieved by tilting the phantom in pitch direction using 3D-printed stands and wedges.
The developed method was to compare the measured isocentric shift from the Catalyst HDTM -system with the true isocentric shift given from acquired high res- olution CT images. The measured isocentric shift was based on a match between a reference surface of the original state, with a live surface of the deformed state. The true isocentric shift was computed in the graphical user interface MICE Toolkit where the CT images of the deformed state was registered with the original state. The absolute difference between the measured- and true isocentric shift was evalu- ated against the level of deformity of the phantom.

Results: For deformations less than 0.5 mm, related from clinically relevant pitch rotations of less than 10◦, the positioning accuracy of the deformable algorithm of Catalyst HD TM was found to be within 1.7 mm. For larger deformations of 1.5 mm, related to the clinically unrealistic pitch rotation of 19◦, the positioning accuracy was found to be within 3.1 mm.

Conclusions: The positioning accuracy of the optical surface scanning system’s deformable depth calculation were within 2 mm for various levels of clinically rele- vant deformities.

Popular Abstract (Swedish)

Idag får ca hälften av alla patienter i Sverige med en cancerdiagnos strålterapi som
en del av sin behandling. Med strålterapi vill man bestråla cancerogen vävnad
samtidigt som man vill undvika att skada intilliggande frisk vävnad. Innan behandlingen
gör man en datortomogra, en 3D bild av kroppen, med denna bild planeras
strålbehandlingen med avseende på isocenter. Isocenter är den position vilken
strålbehandlingen planeras runt och den placeras i tumörområdet. Strålbehandlingen
ges ofta vid upprepade tillfällen så positioneringen som gjordes vid datortomogran
måste därför reproduceras flertalet gånger.

För att minimera biverkningar av att man bestrålar frisk vävnad vill man behandla
med små marginaler, vilket medför att patienten behöver positioneras mycket
noggrant. Idag använder man sig främst av röngenbildtagning för att veri-
era patientens positionering. Röntgenbildtagning avbildar benstruktur väl, nackdelen
är att röntgenbildtagning bidrar med en liten stråldos till patienten. Optisk
ytscanning är ett bildgivande system som inte bidrar med någon stråldos då
systemet skannar patientens hud med ljus och rekonstruerar en vituell modell av
patientens yta. Optisk ytscanning används därför ofta som ett komplement till
röntgenbildtagning. Positionering med optisk ytskanning används främst för ytliga
behandlingsområden, så som bröst, då man kunnat validera att positioneringen av
behandlingsområdet korrelerar väl med ytan (1). Det optiska ytskanningsystem som
används på avdelningen för strålningsfysik på Skånes Universitetssjukhus (SUS) i
Lund är CatalystTM/Catalyst HDTM (C-RAD Positioning AB, Uppsala, Sweden).
Syftet med examensarbete var att ta fram en metod som kan undersöka hur noggrant
systemet positionerar ett bröst när det deformerats olika mycket. Första
steget var att ta fram ett fantom, ett objekt som kan användas för att undersöka
systemet. Kraven på fantomet var att det skulle vara deformerbart, men gärna på
ett förutsägbart och realistiskt vis. Det skulle reflektera ljus samt även synas på
en röntgenbild och kunna ha en markör i sig som, förutom vid deformationen, inte
rörde sig runt i fantomet. Slutligen användes en modierad bröstprotes, till vilken
hållare med 1-10 graders lutning 3D-printades. Med ett bildbehandlingsprogram
beräknades hur stor deformationen var vid de olika lutningarna. Resutatet visade
att en modierad bröstprotes fungerar bra att använda som ett deformerbart fantom
och deformationen ökade med ökad lutning på hållaren.

Andra steget var att utvärdera Catalyst HDTM-systemets positionerings precision
av det deformerbara fantomet. Med en markör i isocenter som utgångspunkt
i datortomogra bilderna jämfördes den föreslagna positioneringen från Catalyst
HDTM med den sanna positioneringen, beräknat med datortomogra bilderna, som
funktion av deformationens storlek. Resultatet visade att vid jämförelser mellan
Catalyst HDTM- systemet och hög upplösta datortomograska bilder avvek positioneringen
upp till 1.7 mm för kliniskt realistiska deformationer, och upp till 3.1
mm för större deformationer som inte anses kliniskt realistiska.

För ett antal kliniskt realistiska deformationer av ett modierat bröst implantat
kunde studien visa att positionering med optisk ytskanning av ett deformerbart
fantom gjordes med hög precision, inom 2 mm.

• author: Akinrimisi, Beatrice
• supervisor: Sofie Ceberg; Malin Kügele; Patrik Brynolfsson; Anneli Edvardsson; Crister Ceberg
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 8999114
• date added to LUP: 2020-01-07 09:33:23
• date last changed: 2020-01-07 09:33:23