Système de visualisation pour l'assistance des chirurgies minimalement invasives du rachis

La scoliose est une déformation tridimensionnelle complexe de la colonne vertébrale qui peut nécessiter un traitement chirurgical. Les chirurgies minimalement invasives, par opposition aux chirurgies conventionnelles, sont réalisées en pratiquant de petites incisions par lesquelles les instruments chirurgicaux et une caméra endoscopique peuvent être introduits à l'intérieur du corps. Ce type de chirurgie possède de nombreux avantages reconnus, notamment une réduction du volume de perte sanguine, de la douleur postopératoire, du séjour aux soins intensifs, du séjour à l'hôpital, des complications, du temps de convalescence et du coût total du traitement. Par contre, il amène de nouveaux défis pour les chirurgiens. La visualisation du site opératoire est faite de manière indirecte via un moniteur présentant les images provenant de la caméra endoscopique, ce qui peut s'avérer désorientant. Comme cette vue est monoculaire et que la lentille de la caméra est très près du site opératoire, la perception de la profondeur est perdue. Cette proximité de la lentille entraîne également une perte de la perception de la forme globale de la colonne entière, puisque seule une petite partie est visible à la fois. Ces difficultés font des chirurgies minimalement invasives des procédures très complexes, spécialement dans le cas de chirurgies de la colonne vertébrale, où de nombreux organes critiques sont situés à proximité du site opératoire. Des systèmes d'assistance chirurgicale guidés par l'image sont de plus en plus disponibles dans différents domaines tels que la cardiologie, la neurologie et l'orthopédie. Pour les chirurgies de la colonne, on a souvent recours à des modalités d'imagerie intra-opératoires ionisantes comme la tomodensitométrie ou la fluoroscopie qui impliquent des radiations à la fois pour le patient et pour l'équipe chirurgicale. Aussi, ces systèmes sont généralement conçus pour les chirurgies conventionnelles qui impliquent de grandes incisions, ce qui facilite l'accès aux structures d'intérêt. Ainsi, des marqueurs métalliques peuvent être vissés sur les niveaux vertébraux d'intérêt, ce qui constitue une procédure invasive difficilement praticable dans le contexte minimalement invasif. Certaines approches récentes d'assistance de chirurgies minimalement invasives tentent de fournir des indices de profondeur au chirurgien uniquement à partir du contenu des images endoscopiques. Les méthodes utilisant un endoscope stéréoscopique produisent des résultats mitigés à cause de la faible disparité entre les deux vues acquises et des complications de mise en correspondance de primitives sur les deux vues entraînées par la présence de fumée, de sang et de réflexions spéculaires. Dans le même ordre d'idée, les approches basées sur les algorithmes de structure à partir de l'ombrage produisent à ce jour des résultats acceptables dans des environnements contrôlés, mais ne performent pas aussi bien avec des images réelles. L'objectif de ce projet de recherche est donc de proposer un outil de visualisation 3D pour l'assistance des chirurgies minimalement invasives de la colonne vertébrale. Cet outil réalise la fusion multimodale des images provenant de la caméra endoscopique et d'un modèle 3D préopératoire obtenu par IRM ayant été préalablement segmenté puis recalé dans un repère lié au site opératoire, présentant ainsi au chirurgien davantage d'information que celle présente dans les images endoscopiques seules.

Abstract

Scoliosis is a complex three-dimensional deformity of the spine that may require surgical treatment. Minimally invasive surgeries, as opposed to conventional surgeries, are done by performing small incisions through which surgical instruments and an endoscopic camera can be inserted within the body. This type of surgery offers numerous known benefits, such as reduction of blood loss, of post-surgery pain, of intensive care unit and hospital stay lengths, of complications, of recovery time and of overall treatment costs. However, it brings new challenges for surgeons. Indirect visualization of surgical sites via a monitor that shows images from the endoscopic camera can be disorienting. Depth perception is lost as the view is monocular and the camera lens is very close to the surgical site. This lens proximity also causes a loss in perception of the global spine shape since only a small part of it is visible at one time. These difficulties make minimally invasive surgeries very complex procedures, especially in the case of spine surgeries, where several critical organs are located near the surgical site. Image-guided surgical assistance tools are increasingly available in various fields such as cardiology, neurology and orthopaedics. For spine surgeries, ionizing imaging modalities such as computed tomography or fluoroscopy, involving radiation for both the patient and the surgical team, are often used. These surgical navigation systems are also generally designed for conventional surgeries requiring long incisions to facilitate access to targeted structures. Thus, metal markers can be screwed into specific vertebral levels, a procedure that is both invasive and hard to perform in a minimally invasive context. Recent minimally invasive surgical assistance approaches try to provide depth cues to the surgeon using only the content of endoscopic images. Methods using a stereoscopic endoscope give unsatisfactory results due to the weak disparity between the two acquired views and to the complexity of feature matching in the two views, caused by the presence of smoke, blood and specular reflections. By the same token, approaches based on shape-from-shading algorithms give, to date, acceptable results in controlled environments but do not perform as well with real images. Hence, this research project's objective is to propose a 3D visualization tool for minimally invasive spine surgery assistance. This tool realizes multimodal fusion of the images acquired from the endoscopic camera with a preoperative 3D model acquired by MRI that has been previously segmented and then registered in a coordinate system linked to the surgical site, in order to display more information than what is available in the endoscopic images alone.