Soutenance de thèse pour l’obtention du grade de Docteur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble

1. 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 LEROY Le 10 novembre 2004 • Devant un jury composé de : • M. Augustin Lux , Président • M. David Hawkes , Rapporteur • M. Serge Miguet , Rapporteur • Mme Jocelyne Troccaz , Directeur de thèse • M. Yohan Payan , Co-encadrant • M. Emmanuel Chartier-Kastler , Examinateur Thèse préparée au sein du laboratoire TIMC-GMCAO sous la direction de J. Troccaz et Y. Payan

2. Un domaine en éveil : la chirurgie des tissus mous assistée par ordinateur • La Ponction Rénale Percutanée comme premier terrain d’exploration Introduction • Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur :pour le chirurgien et le patient • Coopérations : • PRAXIM • Centre Hospitalier Pitié Salpêtrière • Laboratoire d’Anatomie de Grenoble

3. Sommaire • Partie 1Introduction à la Ponction Rénale Percutanée • Partie 2Navigation de la Ponction Rénale Percutanée • Partie 3Recalage iconique scanner/échographie

4. Partie 1 • Introduction à la PRP • Anatomie du rein • NéphroLithotomie PerCutanée (NLPC) • Imagerie: scanner et échographie • Apport des GMCAO • Travaux similaires

5. Localisation et orientation : • Rétropéritonéal • Espace lombaire • Accès postérieur : • Rapports musculaires • Rapports osseux 1 - Anatomie du rein • Organe à mobilité prédictible • Mouvement crânio-caudalavec la respiration : 4cm [Schwartz’94]

6. Accès pour la ponction : • Par papille rénale • Eviter les artères 12cm 5mm 1 - Anatomie du rein • Structure interne : • Parenchyme, capsule • Calices, pyramides

7. 1 - NéphroLithotomie PerCutanée (NLPC) Extraction des calculs • Matériel d’imagerie : • Fluoroscope • Néphroscope • Echographe

8. 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

9. 1 – Imagerie : scanner et échographie • Protocole de routine pour scanner rénal : • Acquisitions précoce et tardive • Protocole « coupes fines » sur multibarrette • Dose radiologique faible

10. Basse qualité des images échographiques : • Bruit speckle  « neige » • Vitesse variable  distorsions 1 – Imagerie : scanner et échographie • Coupe échographique antérieure du rein droit : • Rein, foie, muscles, graisse… • Capsules échogènes, ombre du côlon

11. PRE-OP Planification Recalage Guidage PER-OP 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

12. 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

13. 1 - Qualité du repositionnement du rein Moyenne 4mm sans assistance respiratoire [Schwartz’94]3mm sous IRMet respirateur

14. Baltimore - PAKY [Stoianovici’97] Osaka - Breast cancer surgery [Sato’98] Grenoble - CASPER [Chavanon’03] Londres - Liver RF surgery [Blackall’02] 1 - Travaux similaires

15. Partie 2 • Navigation de la PRP • Planification pré-opératoire • Acquisition échographique • Recalage scanner/échographie • Guidage du geste de ponction

16. Choix (Source,Cible) 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®

17. 2 - Acquisition échographique Dispositif d’acquisition pour l’échographie 2.5D Localisateur

18. 2 - Acquisition échographique • Principes de l’échographie 2.5D : • Calibrage • Localisation • Reconstruction • Erreur 1mm

19. Recalage rigide 6D • Minimisation de l’énergie • Par Levenberg-Marquardt 2 - Recalage scanner/échographie • Pré-recalage (« Initial Attitude », IA)par mise en correspondance de repères anatomiques [Arun’87]

20. 2 - Recalage scanner/échographie • Evaluation du recalage 3D/3D : robustesse • Comparaison à la position optimale :- Dm Distance moyenne des modèles 3D- DG Distance des centroïdes- Da Ecart angulaire des grands axes • Précision globale donnée par les tests de ponction. 3s

21. Calibrage de l’aiguille Interface 2D/3D Journal 2 - Guidage du geste de ponction

22. Pre-op Post-op calibrage / segmentation / recalage / guidage 4.7mm  courbure de l’aiguille 3.0mm  réaction du rein 2 - Guidage du geste de ponction • Test sur fantôme abdominal :6 aiguilles • Test sur rein isolé :4 aiguilles

23. Problèmes liés à la localisation optique • Visibilité • Courbure de l’aiguille  Localisation magnétique • 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 2 - Conclusion • Protocoles d’acquisition établis • Sources d’erreur détectées et quantifiées • Ponctions réussies sur fantôme et pièce anatomique

24. Partie 3 • Recalage 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

25. Etat de l’art • Premiers travauxWoods93, Viola95, Wells96, Studholme96, Maes97 3 - Présentation du recalage iconique Fusion de deux ensembles de voxels par l’optimisation de la similarité des niveaux de gris. • Comparaison des mesures de similaritéStudholme97, Roche98, Nikou98, Sarrut99, Jenkinson01, Masumoto02 • Comparaison des algorithmes d’optimisationMaes99, Jenkinson01 • Recalages échographiquesRoche00, Blackall02, Shekhar02, Brooks03, Penney04

26. 3 - Présentation du recalage iconique 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 • 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.

27. 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 DT • Algorithme final : T T = IA ; DT = 0Faire T = T + DT Evaluer E = µ(V1,V2) dans ROI Mettre à jour DT Tant que E n’est pas minimale

28. 3 - Prétraitements des images Initialement, nous avons :

29. 3 - Prétraitements des images • Scanner : • Débruitage par filtre médian • Rehaussement des contours par filtre de Sobel

30. 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

31. g = 0.98 g = 0.18 3 - Prétraitements des images • Echographie : Suppression des ombres acoustiques • Le profil (lissé) d’une ombre est très bien corrélé avec une exponentielle décroissante

32. 3 - Prétraitements des images Finalement, nous comparons :

33. 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

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

35. Powell 6D itération n°k : pour chaque degré de libertérecherche d’un minimum en 1Dpoursuite à partir de ce point Brent 1D Dans un intervalle [a;b] Jusqu’à trouver un minimum ajuster une parabole sur la courbe 3 - Choix d’une méthode de minimisation • Pas d’expression pour CR/Xi • Méthode non-dérivative de Powell-Brent

36. 3 - Choix d’une méthode de minimisation • 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.

37. 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 : - Dm Distance moyenne des modèles 3D - DG Distance des centroïdes - Da Ecart angulaire des grands axes

38. 3 - Expériences et résultats 1min30s

39. 3 - Expériences et résultats [Penney’04] Dm = 2.3 à 5.5mm sur 5 volontaires

40. 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 réussissur 1 jeu de données ; dans certaines conditions Pas de conclusions définitives • Limites cliniques :fenêtre antérieure ; patient échogène • A explorer :collaboration segmentation/recalage

41. 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 Conclusion • Etudes futures :recalage iconique, localisation magnétique, modélisation et suivi des mouvements, échographie 3D, application à d’autres problématiques cliniques.

42. * * FIN

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

45. Pre-op Post-op • Positions de la cible : • Pi - Scanner pré-opératoire • Pf - Scanner post-opératoire • Pv - Journal Résultats calibrage / segmentation / recalage / guidage 4.7mm  courbure de l’aiguille 3.0mm  réaction du rein Fantôme Rein Pf Pv 2.1mm Pi  Pv 4.3mm 2 à 3mm Pi  Pf 4.7mm

46. Les transformations en jeu • Soient Pe(u,v,1) un pixel dans une image Ii Ps(U,V,W,1) son voxel correspondant dans le CT C 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 tk tel que Tk = IA · tk || tk || << || IA ||

47. Définir une attitude initiale • Arun : 3 points US // 3 points CT • Evaluation : ???

48. Corrélation échographique • Théorie • Profil

50. Résultats recalage iconique • IA n°1 : 12.3mm2.6 ; 9.6mm ; 9.0° • En gros : 1mm à 6mm d’erreur en cas de succès.Ici 2 échecs indiscutables : n°13 et n°17.