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1 Soutenance de thèse pour lobtention du grade de Docteur de lInstitut National Polytechnique de Grenoble Méthodes de recalage scanner/échographie. Application.

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1 1 Soutenance de thèse pour lobtention du grade de Docteur de lInstitut 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 2 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 dexploration Coopérations : PRAXIM Centre Hospitalier Pitié Salpêtrière Laboratoire dAnatomie de Grenoble

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

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

5 5 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 [Schwartz94]

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

7 7 1 - NéphroLithotomie PerCutanée (NLPC) Extraction des calculs Matériel dimagerie : Fluoroscope Néphroscope Echographe

8 8 1 - NéphroLithotomie PerCutanée (NLPC) Une aiguille de ponction : 200 x 1.1mm Décubitus ventral et respirateur Guidage échographique Contrôle fluoroscopique Limites de limagerie per-opératoire 2D

9 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 10 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

11 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 léchographie Guidage du geste sous localisation optique PlanificationRecalageGuidage PRE-OPPER-OP

12 Apport des GMCAO Obstacles cliniques et scientifiques Taille réduite de la cible Structures nobles internes ou externes Mobilité/Déformation de lorgane Souplesse de laiguille de ponction Traitement informatique de léchographie 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 Qualité du repositionnement du rein Moyenne 4mm sans assistance respiratoire [Schwartz94 ] 3mm sous IRM et respirateur

14 14 Osaka - Breast cancer surgery [Sato98] Londres - Liver RF surgery [Blackall02] Grenoble - CASPER [Chavanon03] Baltimore - PAKY [Stoianovici97] 1 - Travaux similaires

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

16 Planification pré-opératoire Coupes scanner haute qualité. voxel=0.6 x 0.6 x 1.25 mm 3 Segmentation scanner : surface, cavités, os, peau Fusion scanner précoce/tardif par distance de chanfrein Analyze ® Choix (Source,Cible)

17 Acquisition échographique Dispositif dacquisition pour léchographie 2.5D Localisateur

18 Acquisition échographique Principes de léchographie 2.5D : Calibrage Localisation Reconstruction Erreur 1mm

19 Recalage scanner/échographie Recalage rigide 6D Minimisation de lénergie Par Levenberg-Marquardt Pré-recalage (« Initial Attitude », IA) par mise en correspondance de repères anatomiques [Arun87]

20 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 IA9.4 mm ± mm 9.2° Match1.5 mm ± mm 4.2° 3s3s

21 Guidage du geste de ponction Calibrage de laiguilleInterface 2D/3D Journal

22 Guidage du geste de ponction Test sur fantôme abdominal : 6 aiguilles Test sur rein isolé : 4 aiguilles Pre-opPost-op calibrage / segmentation / recalage / guidage 4.7mm courbure de laiguille 3.0mm réaction du rein

23 Conclusion Protocoles dacquisition établis Sources derreur 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 linteraction avec lutilisateur Problèmes liés à la localisation optique Visibilité Courbure de laiguille Localisation magnétique

24 24 Partie 3 Recalage iconique CT/US Recalage iconique CT/US Présentation du recalage iconique Prétraitements des images Choix dune mesure de similarité Choix dune méthode de minimisation Expériences et résultats

25 Présentation du recalage iconique Fusion de deux ensembles de voxels par loptimisation de la similarité des niveaux de gris. Etat de lart Premiers travaux Woods93, Viola95, Wells96, Studholme96, Maes97 Comparaison des mesures de similarité Studholme97, Roche98, Nikou98, Sarrut99, Jenkinson01, Masumoto02 Comparaison des algorithmes doptimisation Maes99, Jenkinson01 Recalages échographiques Roche00, Blackall02, Shekhar02, Brooks03, Penney04

26 Présentation du recalage iconique Recalage iconique échographie 2.5D / IRM du foie Hypothèse de rigidité Prise en compte du cycle respiratoire Prétraitement des images daprès leur contenu Optimisation itérative non-dérivative, adaptations de lalgorithme Pré-recalage par correspondance anatomique Comparaison des résultats à un recalage 3D/3D impraticable en routine clinique Vers le recalage iconique non-rigide pour lablation de tumeurs par radiofréquence. Une publication de référence : [Penney04] Registration of freehand 3D ultrasound and magnetic resonance liver images, Penney et al., Medical Image Analysis 8 (2004) 81-91

27 Présentation du recalage iconique Deux volumes V1 (base) et V2 (match) Choix dune Attitude Initiale : IA Choix dune mesure de similarité : µ(V1,V2) Choix dune région dintérêt : ROI Choix dune méthode doptimisation pour T Algorithme final : T = IA ; T = 0 Faire T = T + T Evaluer E = µ(V1,V2) dans ROI Mettre à jour T Tant que E nest pas minimale T

28 Prétraitements des images Initialement, nous avons :

29 Prétraitements des images Scanner : Débruitage par filtre médian Rehaussement des contours par filtre de Sobel

30 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 Prétraitements des images Echographie : Suppression des ombres acoustiques Le profil (lissé) dune ombre est très bien corrélé avec une exponentielle décroissante = 0.98 = 0.18

32 Prétraitements des images Finalement, nous comparons :

33 Choix dune 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 Choix dune 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 loptimisation de Powell-Brent CRNMI

35 35 Dans un intervalle [a;b] Jusquà trouver un minimum ajuster une parabole sur la courbe Brent 1D 3 - Choix dune méthode de minimisation Pas dexpression pour CR/ X i Méthode non-dérivative de Powell-Brent itération n°k : pour chaque degré de liberté recherche dun minimum en 1D poursuite à partir de ce point Powell 6D

36 36 Repère aligné sur laxe de symétrie du rein Ordre des ddl : {Tx,Ty,Rz,Tz,Rx,Ry} [Maes99] Restriction de lintervalle I de recherche à chaque itération : I k+1 = I k / G, où G=1.618 Normalisation de la descente à chaque itération Limitation des recherches à I 0 Pré-recherche systématique en 1D avant la recherche parabolique de Brent. 3 - Choix dune méthode de minimisation

37 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 lIA. Comparaison au recalage 3D/3D : - m Distance moyenne des modèles 3D - G Distance des centroïdes - a Ecart angulaire des grands axes

38 Expériences et résultats m G a IA n°112.3 mm ± mm 9.0° Match n°15.6 mm ± mm 4.1° 1 min 30 s

39 Expériences et résultats [Penney04] m = 2.3 à 5.5mm sur 5 volontaires

40 Conclusion Recalage iconique CT/US mis au point : choix de prétraitements, choix dune fonction dénergie, choix et adaptation dun algorithme doptimisation 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

41 41 Conclusion Une étude de faisabilité pour un système GMCAO daide 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 dautres problématiques cliniques.

42 42 * FIN

43 43

44 44 Force sur laiguille dans le foie à 3mm/s : 1N [Simone02,Kataoka02,Abolhassani04] Ecart provoqué par la courbure de laiguille dans les tissus : quelques petits millimètres Ecart provoqué par la courbure de laiguille hors tissus : autour de 10mm

45 45 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-opératoire Pv - Journal Résultats Pre-opPost-op calibrage / segmentation / recalage / guidage 4.7mm courbure de laiguille 3.0mm réaction du rein

46 46 Les transformations en jeu Soient P e (u,v,1) un pixel dans une image I i P s (U,V,W,1) son voxel correspondant dans le CT C la transformation de calibrage L i la transformation de localisation de I i S la transformation déchelle du CT T k est la k-ième transformation de recalage calculée Eh bien P s = S · T k -1 · L i · C · P e Or T 0 = IA, donc on optimisera k tel que T k = IA · k || k || << || IA ||

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

48 48 Corrélation échographique Théorie Profil

49 49

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


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