GMCAO

Module national d’enseignement
Avril 2013
Gestes médico-chirurgicaux
assistés par ordinateur
(GMCAO) :
principes et applications en
radiologie interventionnelle
Ivan Bricault
Clinique universitaire de Radiologie et Imagerie
médicale / Laboratoire TIMC-GMCAO
La radiologie interventionnelle sous scanner
• Destruction par radiofréquence
d’une tumeur pulmonaire
• Drainage d’un
abcès
• Infiltration articulaire
• Alcoolisation
coeliaque
• Biopsie d’une
tumeur
surrénalienne
Les besoins :
Exemple de cas
difficiles
Cas clinique
Pancréatite aigüe
grave nécrosante
et surinfectée
 Demande de
drainage
radiologique
Patient porteur
d’un syndrome
de Gilles de la
Tourette
 mouvements
spastiques
incontrôlables
Drainage « au plus simple »
Plan axial, drain 14 F
Remplacement par
un drain 28F sous
scopie
Trajet en chicane
 échec de
l’abord de la loge
pancréatique lors
de la
nécrosectomie
chirurgicale vidéoassistée
 Mise en place
d’un 2ème drain
radiologique
Trajet oblique
ascendant, dans
l’axe de la loge
pancréatique
 Mise en place
d’un 2ème drain
radiologique
Trajet oblique
ascendant, dans
l’axe de la loge
pancréatique
Challenge :
Planifier et réaliser avec précision
une trajectoire complexe
(hors du plan de coupe)
…même si le patient bouge !
Quelques pistes, d’hier et d’aujourd’hui
– Contention du patient pour éviter qu’il bouge
– Eviter les trajectoires
complexes
Exemple : Ponction
surrénalienne
– Eviter les trajectoires
complexes
Exemple : Ponction
surrénalienne
 Utiliser le décubitus ipsilatéral
Eur Radiol (2012)
22:1233–1239
– Incliner le statif
– Procéder par triangulation
– S’aider de reformations multiplanaires ou de
logiciels de planification
Innovations
actuelles en
radiologie :
Assistance par des
systèmes de navigation
Suivi en temps réel des mouvements de
l’aiguille au-dessus du patient :
Exemple de geste navigué
Avantages
• Le radiologue explore en direct sur le patient
toutes les trajectoires possibles, qu’elles
soient axiales ou obliques, sans distinction
• La trajectoire
réalisée est
directement et
exactement la
trajectoire
planifiée
Distance entre la trajectoire planifiée et la position de l’aiguille (n=120 patients) :
Ponction usuelle (CT) vs. Ponction naviguée (NAV)
Système de ponction assistée par ordinateur :
Composants à mettre en œuvre
(1) Utiliser des instruments pour localiser
l’aiguille dans l’espace
(2) Proposer au radiologue une visualisation
de la trajectoire de l’aiguille au sein des
images scanner
(3) Pour cela, corréler la mesure de position
de l’aiguille dans l’espace avec la
position correspondante au sein des
images scanner
(1) Instruments de localisation de l’aiguille :
[bras articulé], systèmes optiques ou
magnétiques
• Exemple : système de localisation optique
• 2 caméras
infrarouges
localisent des
pastilles
réfléchissantes
par stéréovision
• Localisateur optique :
+ Grande précision (infra-millimétrique)
+ N’est pas sujet à des interférences
- Encombrement :
caméras, pièces portant
les pastilles
réfléchissantes
- Nécessite l’absence
d’occultation / angle de
vue limité
• Localisateur magnétique :
+ Systèmes à émetteurs et récepteurs de
très petite taille
+ Traversent les champs, le corps humains
- Présence d’un fil
- Interférences par les objets métalliques du
voisinage
(2) Visualisation de la trajectoire
dans les images scanner
• Affichage des images selon les conventions
radiologiques au scanner
vs. conventions des systèmes d’assistance chirurgicaux
– Calculer la coupe passant par l’axe de l’aiguille
et la plus proche possible d’une vue axiale 
pseudo-axiale
– Calculer une 2ème coupe +/- perpendiculaire
passant par l’axe de l’aiguille  pseudofrontale ou -sagittale selon la position de
l’aiguille
Visualisation sur écran…
… ou par des dispositifs de
Réalité virtuelle
(3) Corrélation entre coordonnées
du localisateur et du scanner
• On veut calculer la position de l’aiguille
dans le repère des images scanner
• Le localisateur mesure la position de
l’aiguille dans un repère qui lui est propre
 Nécessité de mettre en correspondance
ces 2 repères
• Pour cela, le système de navigation sous
scanner peut utiliser un dispositif de repérage
– Visible par le localisateur
– Et identifiable dans les images scanner
Remarque : Permet aussi au
système de suivre les
mouvements du patient
Pour localiser le dispositif dans les images :
– Isoler le dispositif du reste des structures dans le
volume de données  algorithmes de
segmentation
– Utiliser des connaissances sur la forme du dispositif
pour calculer sa position dans les images 
algorithmes de recalage
( = Fusion de données = matching
= mise en correspondance )
Exemples d’algorithmes
de traitement d’images
médicales
• Résultats d’algorithmes de segmentation :
• Résultats d’algorithmes de recalage :
mise en correspondance d’images
acquises à des moments différents
Présentation de quelques algorithmes
•
Pré-traitement : algorithmes de filtrage
Coupe TDM originale
Lissage par
moyennage de la
valeur des pixels
Lissage par diffusion
anisotropique : supprime
le bruit mais préserve la
netteté et la forme des
contours
• Segmentation de l’arbre vasculaire portal
–Echec d’un simple
seuillage (pixels compris
entre 154 et 179 UH)
– Définition d’un point
source à l’intérieur du
tronc porte
– Segmentation par
croissance de région du
système vasculaire
spléno-portal
–Seuillage trop restrictif
–Seuillage trop large
• Recalage par points appariés de 2 examens
scanner
– Trois points caractéristiques sont choisis par le
radiologue et appariés entre les 2 examens
– Calcul de la transformation
qui amène les cercles bleus
sur les croix rouges en
minimisant la somme des
carrés des distances entre
les points appariés
– Cette transformation,
appliquée à l’ensemble des
images, recale les 2
examens
• Recalage par algorithme d’ « Iterative
Closest Point » (ICP)
– Acquisitions scanner du foie à 2 temps
respiratoires différents
– Segmentation des contours du foie en inspiration
(en rouge) et en expiration (en bleu)
– Appariement de chaque point du contour bleu au
point le plus proche du contour rouge
– Calcul de la transformation rapprochant les points
bleus des points rouges appariés
– Itérations pour
converger au final
vers les bons
appariements et un
recalage correct
des deux images.
• Recalage sans segmentation par
mesure de similarité
 Hypothèses:
A
• Existence d’une relation entre intensités des
pixels de A et de ceux de B
(identité, linéaire, probabiliste, etc.)
• Similarité maximale quand les images sont
recalées
A
B
A
B
B
Navigation et gestes
assistés par ordinateur :
autres développements,
actuels et futurs
Utilisation des outils de navigation
en salle d’angiographie
• « Fluoroscopie
virtuelle »
• En 2D, ou en 3D grâce aux
nouvelles modalités
d’acquisition rotationnelle
Utilisation de la navigation pour les
gestes sous échographie
• Suivi magnétique de l’aiguille et de la
sonde d’échographie
• Recalage échographie/scanner par mise
en correspondance de marqueurs
internes ou externes
Utilisation d’outils robotiques pour
la ponction
Utilisation d’outils robotiques pour
la ponction
• Des robots chirurgicaux sont utilisés en routine
DA VINCI®
• Des robots ont été
évalués pour la télééchographie
Robots légers pour la radiologie
interventionnelle
• Remplacer la main du
radiologue par un
robot qui tient
l’aiguille
 Pouvoir surveiller par
fluoroscanner
l’avancée de l’aiguille
en temps réel, sans
irradiation pour le
radiologue
 Pouvoir
travailler dans
un tunnel
d’IRM
conventionnel
 Pouvoir
travailler dans
un tunnel
d’IRM
conventionnel
 Pouvoir gérer des
trajectoires complexes de
l’aiguille
Le problème des
mouvements respiratoires
• Prendre en compte les mouvements
internes en monitorant la respiration
– Pour vérifier que les apnées sont bien
réalisées et reproductibles
– Pour ajuster le guidage à l’état respiratoire en
temps réel
 l’aiguille n’atteint la
cible que si on
retrouve pendant la
ponction le même
état respiratoire que
lors du scanner de
planification
• Immobiliser le diaphragme
Ventilation percussive haute fréquence
(B Gallix et al.)
• Utilisation d’une
ceinture de
monitoring
respiratoire
• L’utilisation du mode fluoroscanner permet
de générer des coupes scanner en temps
réel pour suivre le mouvement de l’aiguille
et de la cible
• Mais :
– L’opérateur est exposé
aux rayons X
– Une bonne expérience
est requise pour
interpréter les coupes
en temps réel sans
prolonger
excessivement
l’irradiation
• Système de radiothérapie asservie à la
respiration
-
-
-
Suivi intermittent par
scopie stéréo de
marqueurs radioopaques implantés près
de la tumeur
Corrélation au suivi
temps réel de
marqueurs cutanés par
un localisateur optique
Cyberknife
Possibilité de se passer de marqueurs radio-opaques si la
tumeur est visible en scopie : position calculée par
recalage entre images scopiques et reconstructions
radiographiques du scanner pré-opératoire (en inspiration
et en expiration)
Conclusion
• Les 1ers systèmes d’assistance des
gestes de radiologie interventionnelle
commencent à faire la preuve de leur
bénéfice clinique
• Des recherches multidisciplinaires sur
l’instrumentation et sur la prise en compte
des mouvements respiratoires permettront
à terme de nouveaux progrès