3D reconstruction with simulated image formation models
- Reference number
- ID14-0055
- Start and end dates
- 150101-191231
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Computational Sciences and Applied Mathematics
Summary
Main objectives are to (1) develop theory and algorithms for 3D reconstruction in CBCT using a Monte Carlo based forward model to account for scattering and beam-hardening, (2) maintain computational feasibility using such forward models, and (3) provide prototype software components that implement the algorithms. Condensed work plan and expected outcome Step 1 - The forward model Formulate a stochastic process that corresponds to the well-known Monte Carlo simulations for radiative transfer, and adapt it to the case of 3D CBCT imaging. Outcome: Technical document(s) outlining the model Step 2 - Sensitivity of the forward model Develop a mathematical notion of sensitivity of a forward operator that is given as an expectation value of a stochastic process, the latter calculated by means of a Monte Carlo simulation. Outcome: Publications(s) Step 3 - 3D reconstruction Develop regularisation schemes that can make use of a forward operator from steps 1 and 2. Outcome: Publications(s) Step 4 - Computational feasibility and implementation Consider various approximations that lead to computational feasible approaches for regularization methods proposed in step 3. Outcome: Technical document(s), publications(s) and software components. Step 5 - Test and validation Test, and validate the regularisation schemes implemented in step 4 in the context of on-line 3D CBCT imaging prior to gamma knife treatment. Outcome: Validated software components.
Popular science description
Ett grundläggande mål vid strålbehandling av cancer är att ge tillräcklig stråldos till tumören samtidigt som dosen till kringliggande frisk vävnad minimeras. För att uppnå detta krävs inte bara att strålbehandlingssystemet kan rikta in strålningen med mycket hög precision, utan det är också nödvändigt att veta exakt mot vilka koordinater strålen ska riktas. Moderna avbildningstekniker spelar här en viktig roll. Vid planering av en strålbehandling används avancerade tredimensionella bildmodaliteter såsom datortomografi och magnetresonanstomografi, som gör det möjligt att identifiera både målet för strålbehandlingen och eventuella kringliggande organ som måste skyddas från oönskad strålning. Ett problem med dessa avbildningstekniker är svårigheten att avgöra exakt var den relevanta anatomin befinner sig vid tidpunkten för strålbehandlingen. Osäkerhet uppstår både genom positioneringen av patienten relativt strålsystemet och genom organrörelser som gör att anatomin har förändrats sedan behandlingsplaneringen. Detta har motiverat utvecklingen av bildstyrd strålterapi där patienten röntgas i behandlingspositionen under eller omedelbart före behandlingen. För detta används Cone Beam Computed Tomography (CBCT) som är avbildningsteknik med en integrerad röntgenkälla med en extra bildpanel, vilket möjliggör 3D-avbilding. Målet för projektet är att utveckla bättre metoder för CBCT genom att i beräkningarna ta hänsyn till effekten av spridd strålning. Svårigheten att ta hänsyn till sådan spridd strålning är att den beror på objektet som avbildas; om man på förhand visste exakt vad som avbildas skulle man kunna simulera och sedan subtrahera detta bidrag. I praktiken vet man inte detta eftersom det då vore onödigt att ta någon bild alls. Den metod som ska utvecklas i detta projekt är att uppskatta den spridda strålningen samtidigt som objektet avbildas. Detta kräver nyutveckling av matematiska metoder och algoritmer som är beräkningseffektiva för kliniskt bruk. Under alla omständigheter kommer dessa beräkningar att kräva avsevärd datorkraft, och vi kommer att utnyttja grafikprocessorer som ger goda prestanda till en rimlig kostnad. En framgångsrik lösning på detta problem ger möjlighet till bättre bildkvalitet vilket i sin tur gör det lättare att identifiera den relevanta anatomin och därmed förbättra kvaliteten hos strålbehandlingen. Det blir också möjligt att med bibehållen kvalitet minska röntgendosen vilket är viktigt ur ett risk- och hälsoperspektiv.