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Soutenance de thèse pour l’obtention du grade de Docteur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble
Méthodes de recalage scanner/échographie. Application à la navigation chirurgicale
des ponctions rénales percutanées
Antoine LEROYLe 10 novembre 2004
Devant un jury composé de :
M. Augustin Lux , PrésidentM. David Hawkes , RapporteurM. Serge Miguet , RapporteurMme Jocelyne Troccaz , Directeur de thèseM. Yohan Payan , Co-encadrantM. Emmanuel Chartier-Kastler , Examinateur
Thèse préparée au sein du laboratoire TIMC-GMCAO sous la direction de J. Troccaz et Y. Payan
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Introduction• Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur :
pour le chirurgien et le patient
• Un domaine en éveil : la chirurgie des tissus mous assistée par ordinateur
• La Ponction Rénale Percutanée comme premier terrain d’exploration
• Coopérations :• PRAXIM• Centre Hospitalier Pitié Salpêtrière• Laboratoire d’Anatomie de Grenoble
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Sommaire
Partie 1Partie 1Introduction à la Ponction Rénale
Percutanée
Partie 2Partie 2 Navigation de la Ponction Rénale
Percutanée
Partie 3Partie 3 Recalage iconique scanner/échographie
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Partie 1
Introduction à la PRPIntroduction à la PRP Anatomie du rein NéphroLithotomie PerCutanée (NLPC) Imagerie: scanner et échographie Apport des GMCAO Travaux similaires
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1 - Anatomie du rein
Localisation et orientation :• Rétropéritonéal• Espace lombaire
Accès postérieur :• Rapports musculaires• Rapports osseux
Organe à mobilité prédictible• Mouvement crânio-caudal
avec la respiration : 4cm [Schwartz’94]
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1 - Anatomie du rein
Structure interne :• Parenchyme, capsule• Calices, pyramides
12cm
5mm
Accès pour la ponction :• Par papille rénale• Eviter les artères
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1 - NéphroLithotomie PerCutanée (NLPC)
Extraction des calculs
Matériel d’imagerie :• Fluoroscope• Néphroscope• Echographe
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1 - NéphroLithotomie PerCutanée (NLPC)
• Une aiguille de ponction : 200 x 1.1mm
• Décubitus ventral et respirateur
• Guidage échographiqueContrôle fluoroscopique
• Limites de l’imagerie per-opératoire 2D
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1 – Imagerie : scanner et échographie
Protocole de routine pour scanner rénal :• Acquisitions précoce et tardive• Protocole « coupes fines » sur multibarrette• Dose radiologique faible
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1 – Imagerie : scanner et échographie
Coupe échographique antérieure du rein droit :• Rein, foie, muscles, graisse…• Capsules échogènes, ombre du côlon
Basse qualité des images échographiques :• Bruit speckle « neige »• Vitesse variable distorsions
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1 - Apport des GMCAO
Proposer au chirurgien une trajectoire optimale, et lui donner les moyens de la suivre,
par une fusion des données scanner et échographiques.
Méthodologie GMCAO• Planification pré-opératoire sur le scanner• Recalage per-opératoire via l’échographie• Guidage du geste sous localisation optique
Planification Recalage GuidagePRE-OP PER-OP
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1 - Apport des GMCAO
Obstacles cliniques et scientifiques• Taille réduite de la cible • Structures nobles internes ou externes• Mobilité/Déformation de l’organe• Souplesse de l’aiguille de ponction• Traitement informatique de l’échographie• Respect des protocoles cliniques
Choix et hypothèses de travail• Fenêtre échographique antérieure• Recalage basé sur la surface du rein • Rein supposé indéformable• Reproductibilité de la position du rein en apnée
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1 - Qualité du repositionnement du rein
Replacement normal du rein au cours d'une inspiration
0
2
4
6
8
10
12
14
1618
20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Sujet
Mes
ure
(m
m o
u d
eg)
GG'
PP'
alpha
Moyenne 4mm sans assistance respiratoire
[Schwartz’94]3mm sous IRMet respirateur
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Osaka - Breast cancer surgery [Sato’98]
Londres - Liver RF surgery [Blackall’02]
Grenoble - CASPER[Chavanon’03]
Baltimore - PAKY [Stoianovici’97]
1 - Travaux similaires
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Partie 2
Navigation de la PRPNavigation de la PRP Planification pré-opératoire Acquisition échographique Recalage scanner/échographie Guidage du geste de ponction
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2 - Planification pré-opératoire
• Coupes scanner haute qualité. voxel=0.6x0.6x1.25 mm3
• Segmentation scanner :surface, cavités, os, peau
• Fusion scanner précoce/tardifpar distance de chanfrein Analyze®
Choix (Source,Cible)
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2 - Acquisition échographique
Dispositif d’acquisition pour l’échographie 2.5D
Localisateur
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2 - Acquisition échographique
Principes de l’échographie 2.5D :• Calibrage• Localisation• Reconstruction• Erreur 1mm
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2 - Recalage scanner/échographie
RzRyRxTzTyTxpT )(
• Recalage rigide 6D
pM
i
iqpTdpE1
2.)(
~)(
• Minimisation de l’énergie
)()( kkkk pgIpH
• Par Levenberg-Marquardt
• Pré-recalage (« Initial Attitude », IA)par mise en correspondance de repères anatomiques [Arun’87]
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2 - Recalage scanner/échographie
Evaluation du recalage 3D/3D : robustesse
Comparaison à la position optimale :- m Distance moyenne des modèles 3D- G Distance des centroïdes- a Ecart angulaire des grands axes
Précision globale donnée par les tests de ponction.
m G a
IA 9.4 mm ± 2.1 7.1 mm 9.2°
Match 1.5 mm ± 0.8 1.7 mm 4.2°3s
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2 - Guidage du geste de ponction
Calibrage de l’aiguille Interface 2D/3D
Journal
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2 - Guidage du geste de ponction
• Test sur fantôme abdominal :6 aiguilles
• Test sur rein isolé :4 aiguilles
Pre-op Post-opcalibrage / segmentation / recalage / guidage
4.7mm courbure de l’aiguille
3.0mm réaction du rein
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2 - Conclusion
• Protocoles d’acquisition établis• Sources d’erreur détectées et quantifiées• Ponctions réussies sur fantôme et pièce anatomique
• Segmentations inenvisageables en routine clinique• Long et fastidieux• Mauvaise reproductibilité inter/intra opérateur
Chercher une méthode de fusion scanner/échographie minimisant ou supprimant l’interaction avec l’utilisateur
• Problèmes liés à la localisation optique• Visibilité• Courbure de l’aiguille
Localisation magnétique
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Partie 3
Recalage iconique CT/USRecalage iconique CT/US Présentation du recalage iconique Prétraitements des images Choix d’une mesure de similarité Choix d’une méthode de minimisation Expériences et résultats
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3 - Présentation du recalage iconique
Fusion de deux ensembles de voxels par l’optimisation de la similarité des niveaux de gris.
Etat de l’art• Premiers travaux
Woods93, Viola95, Wells96, Studholme96, Maes97
• Comparaison des mesures de similaritéStudholme97, Roche98, Nikou98, Sarrut99, Jenkinson01, Masumoto02
• Comparaison des algorithmes d’optimisationMaes99, Jenkinson01
• Recalages échographiquesRoche00, Blackall02, Shekhar02, Brooks03, Penney04
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3 - Présentation du recalage iconique
• Recalage iconique échographie 2.5D / IRM du foie• Hypothèse de rigidité• Prise en compte du cycle respiratoire• Prétraitement des images d’après leur contenu• Optimisation itérative non-dérivative,
adaptations de l’algorithme• Pré-recalage par correspondance anatomique• Comparaison des résultats à un recalage 3D/3D
impraticable en routine clinique Vers le recalage iconique non-rigide pour l’ablation
de tumeurs par radiofréquence.
Une publication de référence : [Penney’04]Registration of freehand 3D ultrasound and magnetic resonance liver images, Penney et al., Medical Image Analysis 8 (2004) 81-91
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3 - Présentation du recalage iconique
• Deux volumes V1 (base) et V2 (match) • Choix d’une Attitude Initiale : IA• Choix d’une mesure de similarité : µ(V1,V2)• Choix d’une région d’intérêt : ROI• Choix d’une méthode d’optimisation pour T
Algorithme final :
T = IA ; T = 0Faire
T = T + TEvaluer E = µ(V1,V2) dans ROIMettre à jour T
Tant que E n’est pas minimale
T
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3 - Prétraitements des images
Initialement, nous avons :
29
3 - Prétraitements des images
Scanner :• Débruitage par filtre médian • Rehaussement des contours par filtre de Sobel
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3 - Prétraitements des images
Echographie : Suppression du bruit speckle
• Médian et Crimmins égalisent peu à peu les niveaux de gris
• Le filtre Sticks conserve les frontières échogènes
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3 - Prétraitements des images
Echographie : Suppression des ombres acoustiques• Le profil (lissé) d’une ombre est très bien corrélé
avec une exponentielle décroissante= 0.98 = 0.18
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3 - Prétraitements des images
Finalement, nous comparons :
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3 - Choix d’une mesure de similarité
• Les mesures statistiques :Information Mutuelle Normalisée (NMI)
• Les mesures fonctionnelles :Rapport de Corrélation (CR)
• Mesure de la dispersion des couples de niveaux de gris
i
iiNN
ABCR ²²
11)(
ab
abab
bbb
aaa
pp
ppppBANMI
)log(
)log()log(),(
34
3 - Choix d’une mesure de similarité
• Le CR est plus rapide à calculer• Il présente un minimum global non-ambigu• Il a un profil plus lisse :
Il présente moins de minima locaux Il est plus adapté aux approches multi-résolution Il convient mieux à l’optimisation de Powell-Brent
CR NMI
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Dans un intervalle [a;b]Jusqu’à trouver un minimum
ajuster une parabole sur la courbe
Brent 1D
3 - Choix d’une méthode de minimisation
• Pas d’expression pour CR/Xi
• Méthode non-dérivative de Powell-Brent
itération n°k :pour chaque degré de liberté
recherche d’un minimum en 1Dpoursuite à partir de ce point
Powell 6D
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• Repère aligné sur l’axe de symétrie du reinOrdre des ddl : {Tx,Ty,Rz,Tz,Rx,Ry}[Maes’99]
• Restriction de l’intervalle I de recherche à chaque itération :
Ik+1 = Ik / G , où G=1.618• Normalisation de la descente à chaque itération• Limitation des recherches à I0 • Pré-recherche systématique en 1D avant la recherche
parabolique de Brent.
3 - Choix d’une méthode de minimisation
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3 - Expériences et résultats
• Matériel et méthodes
• 1 ensemble de données• 5 images écho choisies parmi 100
• Série n°1 : IA fixe, on change les 5 images.• Série n°2 : 5 mêmes images, on change l’IA.
• Comparaison au recalage 3D/3D :- m Distance moyenne des modèles 3D- G Distance des centroïdes- a Ecart angulaire des grands axes
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3 - Expériences et résultatsm G a
IA n°1 12.3 mm ± 2.6 9.6 mm 9.0°
Match n°1 5.6 mm ± 2.1 2.7 mm 4.1°1min30s
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3 - Expériences et résultats [Penney’04]m = 2.3 à 5.5mm sur 5 volontaires
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3 - Conclusion
• Recalage iconique CT/US mis au point :choix de prétraitements,choix d’une fonction d’énergie,choix et adaptation d’un algorithme d’optimisation
• Fixés manuellement :IA, choix des coupes, ROI, espace de recherche
• Essais réussis sur 1 jeu de données ; dans certaines conditions Pas de conclusions définitives
• Limites cliniques :fenêtre antérieure ; patient échogène
• A explorer :collaboration segmentation/recalage
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Conclusion• Une étude de faisabilité
pour un système GMCAO d’aide à la PRP.• Protocole en 3 étapes• Validation sur cibles statiques.
• Points clefs : recalage automatique, mobilité et déformation
• Etudes engagées :recalage iconique, localisation magnétique
• Etudes futures :recalage iconique, localisation magnétique,modélisation et suivi des mouvements,échographie 3D,application à d’autres problématiques cliniques.
42
* FIN
43
44
Force sur l’aiguille dans le foie à 3mm/s : 1N [Simone02,Kataoka02,Abolhassani04]
Ecart provoqué par la courbure de l’aiguille dans les tissus : quelques petits millimètres
Ecart provoqué par la courbure de l’aiguille hors tissus : autour de 10mm
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ReinFantôme
4.7mm
4.3mm
2.1mm
2 à 3mm
Pi Pf
Pi Pv
Pf Pv
• Positions de la cible :
Pi - Scanner pré-opératoire Pf - Scanner post-opératoirePv - Journal
Résultats
Pre-op Post-opcalibrage / segmentation / recalage / guidage
4.7mm courbure de l’aiguille
3.0mm réaction du rein
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Les transformations en jeuSoient
Pe(u,v,1) un pixel dans une image Ii
Ps(U,V,W,1) son voxel correspondant dans le CTC la transformation de calibrage
Li la transformation de localisation de Ii
S la transformation d’échelle du CT
Tk est la k-ième transformation de recalage calculée
Eh bien
Ps = S · Tk-1 · Li · C · Pe
Or T0 = IA, donc on optimisera k tel que
Tk = IA · k
|| k || << || IA ||
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Définir une attitude initialeArun : 3 points US // 3 points CT
Evaluation : ???Ecarts translation et inclinaison - Pierre
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
TRANS
INCLIN
RMS Arun - Pierre
0
5
10
15
20
25
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Emean
Emax
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Corrélation échographiqueThéorie
Profil
49
50
Résultats recalage iconique
IA n°1 : 12.3mm2.6 ; 9.6mm ; 9.0°En gros : 1mm à 6mm d’erreur en cas de succès.
Ici 2 échecs indiscutables : n°13 et n°17.
