Allineamento in laboratorio di un dispositivo di tracciamento oculare: Confronto con l’allineamento in clinica per il setup nella protonterapia oculare presso il CNAO

Ocular proton therapy at the National Centre for Oncological Hadrontherapy (CNAO) in Pavia is one of the most particular applications of hadrontherapy. It allows for the highly precise treatment of ocular tumours while minimising irradiation of healthy tissues. The treatment procedure requires the active participation of the patient, who must maintain fixation at specific polar and azimuthal angles. This is achieved through the Eye Tracking System (ETS), a dedicated device that guides and monitors the patient’s eye movements in real-time during both simulation and irradiation phases [1]. The ETS is mounted on a robotic manipulator (Mitsubishi Industrial Robot model RV-2F-D, Mitsubishi Electric Europe, Agrate Brianza, Italy), which allows the device to be moved into the planned position. A system of three Smart-DX optical cameras (BTS, Bioengineering, Italy) acquires the position of radiopaque markers on the ETS surface comparing it with a nominal reference position. The device’s position is iteratively corrected to minimise the translational and rotational residuals [1]. ETS alignment is performed in the Treatment Room 3 using a treatment chair, a robotic manipulator fixed to the chair, a patient-specific thermoplastic-mask and a collimator support. The alignment is carried out by the biomedical engineer and takes approximately 15 minutes per patient. The aim of this thesis is to develop a protocol for ETS pre-alignment in a dedicated laboratory environment, intended to support the current workflow and ultimately reduce alignment time in the treatment room. To replicate the treatment room configuration as accurately as possible, the laboratory setup includes the treatment chair and a camera system identical in model and specifications to those used in the clinical setting (Smart-DX, BTS Bioengineering, Italy). Based on the patient-specific fixation angle, a clinical operator generates a file containing the nominal position of the ETS within the treatment room’s reference coordinate system. In order to replicate this reference system in the laboratory environment, a transformation was applied to the model, including coordinates inversion, to accurately reconstruct the treatment room’s spatial reference (XLAB = -XTR, YLAB = ZTR, ZLAB = YTR). The actual position of the ETS was then measured in real time and compared with the nominal position, to assess the accuracy and repeatability of the setup. Once the alignment was completed, the resulting ETS position was compared with the clinical reference, considering both translational and rotational deviations. Residual errors in the polar and azimuthal fixation angles were also analysed. A dataset of clinical data from thirty patients treated at CNAO, was considered as a preliminary validation for this study. Based on the dataset analysed, the developed workflow, as a new approach, could support the pre-alignment of the ETS in the laboratory, thereby reducing the alignment process in the treatment room to a final verification phase. Future developments will focus on extending the dataset for a clinical validation and developing a calibration-independent model.

La protonterapia oculare presso il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) di Pavia rappresenta una delle applicazioni più particolari dell’adroterapia. Essa consente di trattare i tumori oculari con estrema precisione, riducendo al minimo l’irradiazione dei tessuti sani. La procedura terapeutica richiede la partecipazione attiva del paziente, che deve mantenere lo sguardo fisso a specifici angoli polari e azimutali. Questo è reso possibile dall’Eye Tracking System (ETS), un dispositivo di tracciamento oculare dedicato, che guida e monitora in tempo reale i movimenti oculari del paziente durante le fasi di simulazione e di irradiazione [1]. L’ETS è montato su un manipolatore robotico (Mitsubishi Industrial Robot modello RV-2F-D, Mitsubishi Electric Europe, Agrate Brianza, Italia), che consente di posizionare il dispositivo nella posizione pianificata. Un sistema di tre telecamere Smart-DX (BTS, Bioengineering, Italia) acquisisce la posizione dei marcatori radiopachi posti sulla superficie dell’ETS, confrontandola con una posizione di riferimento nominale. La posizione del dispositivo viene corretta iterativamente per minimizzare i residui traslazionali e rotazionali[1]. L’allineamento dell’ETS viene eseguito nella sala di trattamento utilizzando la sedia di trattamento, il manipolatore robotico fissato alla sedia, una maschera termoplastica paziente specifica e un supporto per il collimatore. L’allineamento è svolto dal bioingegnere e richiede circa 15 minuti per paziente. L’obiettivo di questa tesi è sviluppare un protocollo per il pre-allineamento dell’ETS in un ambiente dedicato, volto a migliorare l’attuale workflow. Per riprodurre con la massima accuratezza possibile la configurazione della sala di trattamento, il setup di laboratorio è composto dalla sedia di trattamento e da un sistema di telecamere identico, sia per modello che per specifiche, a quello utilizzato in ambito clinico (Smart-DX, BTS Bioengineering, Italia). In base all’angolo di fissazione paziente specifico, un operatore clinico genera un file contenente la posizione nominale dell’ETS all’interno del sistema di riferimento della sala di trattamento. Per replicare tale sistema di riferimento in laboratorio, è stata applicata una trasformazione al modello, compresa di inversione di coordinate, così da ricostruire accuratamente il riferimento spaziale della sala di trattamento (XLAB = -XST, YLAB = ZST, ZLAB = YST). La posizione effettiva dell’ETS è stata quindi misurata in tempo reale e confrontata con quella nominale, al fine di valutare l’accuratezza e la ripetibilità del setup. Una volta completato l’allineamento, la posizione finale dell’ETS è stata confrontata con il riferimento clinico, considerando sia le deviazioni traslazionali sia quelle rotazionali. Sono stati inoltre analizzati gli errori residui negli angoli polari e azimutali di fissazione. Per questo studio è stato considerato un dataset clinico composto da trenta pazienti trattati presso il CNAO come validazione preliminare. Sulla base dell’analisi effettuata, il workflow sviluppato, come un nuovo approccio, si presta a supportare il pre-allineamento dell’ETS in laboratorio, riducendo così la fase di allineamento in sala di trattamento a una fase finale di verifica. Gli sviluppi futuri si concentreranno sull’ampliamento del dataset per ottenere la validazione clinica e sullo sviluppo di un modello che sia indipendente dalla calibrazione.