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