Göz içi tümör radyocerrahisi için göz takip sistemi ve kalite güvence fantomunun geliştirilmesi
Development of eye tracking system and quality assurance phantom for intraocular tumor radiosurgery
Yazar: ALPAY LEVENT
Danışman: PROF. DR. HÜLYA YAVUZ ERSAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Radyasyon Onkolojisi = Radiation Oncology
Dizin: Kalite güvence sistemi = Quality assurance system ; Kalite güvencesi = Quality assurance ; Radyasyon onkolojisi = Radiation oncology

Özet:
Uveal malign melanom, erişkinlerde en sık görülen göz içi kanser türüdür. Bu tür tümörlerin tedavisinde sıklıkla stereotaktik radyocerrahi uygulamaları yapılmaktadır. Lineer hızlandırıcılar ve proton terapi cihazları gibi eksternal radyoterapi cihazlarıyla yapılan bu radyasyon tedavilerinde, hedefin bulunduğu gözün hareketinden kaynaklanabilecek hatalı ışınlamaları önleyebilmek için tedavi hazırlığı aşamasında invaziv yöntemlerle gözün immobilizasyonu sağlanır.

Bu tez kapsamında, tedavi cihazı ile iletişim kurarak otonom olarak tedaviyi yönetmesi tasarlanan bir göz takip sisteminin ve sistemin kalite güvence testlerinin yapılmasını sağlayacak bir göz fantomunun geliştirilmesi amaçlanmıştır. Tedavi öncesinde gözün immobilizasyonunun sağlanması yerine, geliştirilen sistemin kullanılarak tedavi sırasında göz pozisyonunun takip edilmesiyle göz içi tümörün yalnızca tedavinin planlandığı pozisyonda ışınlanması otonom olarak sağlanabilecektir. Göz takip sistemi, iris tespiti ile göz takibi yapan görüntü algılayıcı tabanlı bir sistemdir. Geliştirilen sistem, takip edilen irisin tanımlanan toleransın içinde olduğu sürece tedavinin sürdürülmesi ve tolerans dışına çıkması durumunda tedavinin duraklatılması için çıktı verebilmektedir.

Sistemin iris tespit etme başarısı insan gözü görüntüleriyle test edilmiştir. Sistemin tespit ettiği açı değerlerinin doğrulaması için ihtiyaç duyulan kalite güvence testleri, göz hareketlerinin simüle edilmesi için bu tez kapsamında geliştirilen göz fantomu ile gerçekleştirilmiştir. Fantom üzerindeki göz küresinin tanımlı açı değerlerine hareketinin tespiti, göz takip sistemi ile kaydedilen video görüntüleri kare-kare (frame-by-frame) kontrol edilerek yapılmış ve sapma miktarları değerlendirilmiştir. Sistemin insan gözünde iris tespitini başarıyla sağladığı ve elde edilen iris konturunun video görüntülerindeki kareler arasında sürekliliği görülmüştür. Fantom kullanılarak açı tespitiyle yapılan kalite güvence testlerinde ölçümler tutarlılık göstermiştir. Ayrıca tez kapsamında geliştirilen algoritmalar ile hareket eden göz küresindeki ilk konumu bilinen hedefin eş zamanlı koordinatlarının, açısal hareketinin ve doğrusal yer değiştirme bilgilerinin hesaplanması sağlanmıştır. Bu algoritmaların, tedavi edilecek hedefin hacminin tanımlanması ve tedavide izin verilecek yer değiştirme miktarının belirlenmesinde kılavuzluk sağlamasına ek olarak hedef konumunu eş zamanlı belirleyerek hedef takipli (target tracking) tedavilerin geliştirilmesi amaçlanmıştır.

Göz içi tümörlerin eksternal radyoterapi cihazlarıyla radyocerrahisi için geliştirilen bu sistemin, klinikte tedavi öncesi simülasyon görüntüleme, hedef organ hacminin belirlenmesi ve tedavi gibi farklı aşamalarda kullanılması hedeflenmiştir. Göz takip sistemi ile hasta tedavisinin doğruluğu sağlanırken, ışınlanacak hedefin hareket toleransının, hacminin ve eş zamanlı konumunun belirlenmesi, göz fantomu ile de sistemin kalite güvence testlerinin yapılması şeklinde geniş kapsamlı bir tedavi destek sistemi tasarlanmıştır.

Abstract:
Uveal malignant melanoma is the most common type of intraocular cancer in adults. Stereotactic radiosurgery applications are often used in the treatment of such tumors. In these radiation treatments performed with external radiotherapy devices such as linear accelerators and proton therapy devices, the eye is immobilized with invasive methods during the treatment preparation phase in order to prevent wrong irradiation that may result from the movement of the target eye.

Within the scope of this thesis, it is aimed to develop an eye tracking system designed to manage the treatment autonomously by communicating with the treatment device, and an eye phantom that will enable quality assurance tests of the system. Instead of providing immobilization of the eye before the treatment, by following the eye position during the treatment using the developed system, it will be possible to irradiate the intraocular tumor autonomously only in the position where the treatment is planned. The eye tracking system is an image sensor-based system that tracks eyes with iris detection. The developed system can give output to continue the treatment if the traced iris is within the defined tolerance and to pause the treatment if it goes out of tolerance.

The iris detection success of the system has been tested with human eye images. The quality assurance tests needed to verify the angle values detected by the system were carried out with the eye phantom developed within the scope of this thesis to simulate eye movements. Detection of the movement of the eyeball on the phantom to the defined angle values was made by checking the video images recorded with the eye tracking system frame by frame and the amount of deviation was evaluated. It has been observed that the system successfully provides iris detection in human eye and the continuity of the obtained iris contour between the frames in the video images. Measurements were consistent in quality assurance tests with angle detection using the phantom. In addition, with the algorithms developed within the scope of the thesis, the simultaneous coordinates, angular motion and linear displacement information of the target, whose initial position in the moving eyeball is known, were calculated. In addition to providing guidance in defining the volume of the target to be treated and determining the amount of displacement to be allowed in the treatment, it is aimed to develop target tracking treatments by simultaneously determining the target location.

The system, which was developed for radiosurgery of intraocular tumors with external radiotherapy devices, is aimed to be used in different stages such as simulation imaging before treatment, determination of target organ volume and treatment. While ensuring the accuracy of the patient's treatment with the eye tracking system, a comprehensive treatment support system is designed to determine the motion tolerance, volume and simultaneous position of the target to be irradiated, and to perform the quality assurance tests of the system with the eye phantom.