Automatic 3D segmentation of the prostate on magnetic resonance images for radiotherapy planning

Abstract

Abstract. Accurate segmentation of the prostate, the seminal vesicles, the bladder and the rectum is a crucial step for planning radiotherapy (RT) procedures. Modern radiotherapy protocols have included the delineation of the pelvic organs in magnetic resonance images (MRI), as the guide to the therapeutic beam irradiation over the target organ. However, this task is highly inter and intra-expert variable and may take about 20 minutes per patient, even for trained experts, constituting an important burden in most radiological services. Automatic or semi-automatic segmentation strategies might then improve the efficiency by decreasing the measured times while conserving the required accuracy. This thesis presents a fully automatic prostate segmentation framework that selects the most similar prostates w.r.t. a test prostate image and combines them to estimate the segmentation for the test prostate. A robust multi-scale analysis establishes the set of most similar prostates from a database, independently of the acquisition protocol. Those prostates are then non-rigidly registered towards the test image and fusioned by a linear combination. The proposed approach was evaluated using a MRI public dataset of patients with benign hyperplasia or cancer, following different acquisition protocols, namely 26 endorectal and 24 external. Evaluating under a leave-one-out scheme, results show reliable segmentations, obtaining an average dice coefficient of 79%, when comparing with the expert manual segmentation.

La delineación exacta de la próstata, las vesículas seminales, la vejiga y el recto es un paso fundamental para el planeamiento de procedimientos de radioterapia. Protocolos modernos han incluido la delineación de los órganos pélvicos en imágenes de resonancia magnética (IRM), como la guia para la irradiación del haz terapéutico sobre el órgano objetivo. Sin embargo, esta tarea es altamente variable intra e inter-experto y puede tomar al rededor de 20 minutos por paciente, incluso para expertos entrenados, convirtiéndose en una carga importante en la mayoría de los servicios de radiología. Métodos automáticos o semi-automáticos podrían mejorar la eficiencia disminuyendo los tiempos medidos mientras se conserva la precisión requerida. Este trabajo presenta una estrategia de segmentación de la próstata completamente automático que selecciona las prostatas más similares con respecto a una imagen de resonancia magnética de prueba y combina las delineaciones asociadas a dichas imágenes para estimar la segmentación de la imagen de prueba. Un análisis multiescala robusto permite establecer el conjunto de las próstatas más parecidas de una base de datos, independiente del protocolo de adquisición. Las imágenes seleccionadas son registradas de forma no rigida con respecto a la imagen de prueba y luego son fusionadas mediante una combinación lineal. El enfoque propuesto fue evaluado utilizando un conjunto público de imágenes de resonancia magnética de pacientes con hiperplasia benigna o con cancer, con diferentes protocolos de adquisición, esto es 26 externas y 24 endorectales. Este trabajo fue evaluado bajo un esquema leave-one-out, cuyos resultados mostraron segmentaciones confiables, obteniendo un DSC promedio de 79%, cuando se compararon los resultados obtenidos con las segmentaciones manuales de expertos.