Méthodes de recalage scanner/échographie.

Présentation au sujet: "Méthodes de recalage scanner/échographie."— Transcription de la présentation:

1 Méthodes de recalage scanner/échographie.
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 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

3 Sommaire Partie 1 Introduction à la Ponction Rénale Percutanée
Partie 2 Navigation de la Ponction Rénale Percutanée Partie 3 Recalage 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 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]

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

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 échographique Contrôle 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 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 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 Guidage PRE-OP PER-OP

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 IRM et respirateur

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

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

16 2 - Planification pré-opératoire
Choix (Source,Cible) Coupes scanner haute qualité. voxel=0.6x0.6x1.25 mm3 Segmentation scanner : surface, cavités, os, peau Fusion scanner précoce/tardif par 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 2 - Recalage scanner/échographie
Recalage rigide 6D Minimisation de l’énergie Par Levenberg-Marquardt 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. Dm DG Da IA 9.4 mm ± 2.1 7.1 mm 9.2° Match 1.5 mm ± 0.8 1.7 mm 4.2° 3s

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

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

23 2 - Conclusion Protocoles d’acquisition établis
Sources d’erreur détectées et quantifiées Ponctions réussies sur fantôme et pièce anatomique 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

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 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 similarité Studholme97, Roche98, Nikou98, Sarrut99, Jenkinson01, Masumoto02 Comparaison des algorithmes d’optimisation Maes99, Jenkinson01 Recalages échographiques Roche00, 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 = 0 Faire 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 3 - Prétraitements des images
Echographie : Suppression des ombres acoustiques Le profil (lissé) d’une ombre est très bien corrélé avec une exponentielle décroissante g = 0.98 g = 0.18

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 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 1D poursuite à partir de ce point Powell 6D Dans un intervalle [a;b] Jusqu’à trouver un minimum ajuster une parabole sur la courbe Brent 1D

36 3 - Choix d’une méthode de minimisation
Repère aligné sur l’axe de symétrie du rein Ordre 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
Dm DG Da 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

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 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 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

45 4.7mm  courbure de l’aiguille 3.0mm  réaction du rein
Pre-op Post-op calibrage / segmentation / recalage / guidage 4.7mm  courbure de l’aiguille 3.0mm  réaction du rein Rein Fantôme 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

46 || tk || << || IA ||
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

49

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.