Méthode de mesure automatique intraopératoire des déformations du rachis scoliotique

La scoliose idiopathique de l'adolescence est une pathologie complexe et évolutive entraînant une déformation tridimensionnelle du rachis, de la cage thoracique et du bassin. Cette pathologie affecte 2 à 4% de la population adolescente. Dans le cas de scolioses sévères, un traitement chirurgical est recommandé. L'imagerie radiographique est la technique la plus répandue pour le diagnostic et le suivi des effets de cette pathologie. De plus, des outils de reconstruction 3D du rachis à partir de radiographies du patient sont actuellement disponibles avant la chirurgie pour permettre une caractérisation bi- et tridimensionnelle des déformations scoliotiques ainsi que la planification des manoeuvres d'instrumentation. Les modèles 3D préopératoires ne sont pas directement utilisables pendant la chirurgie puisqu'il y existe un changement des courbures scoliotiques dû à la position allongée, à l'exposition chirurgicale et à l'anesthésie. Plusieurs systèmes de suivi ont été testés pour suivre le changement de forme du rachis et le mouvement des vertèbres en intraopératoire : mécaniques, optoélectroniques, électromagnétiques, ultrasons, radiographiques. Ces systèmes permettent de détecter la position des vertèbres pendant la chirurgie et peuvent être utilisés pour la mise à jour de modèles 3D préopératoires. Pour ce faire, ils requièrent l'installation de marqueurs sur les vertèbres ou l'identification manuelle de points anatomiques pendant la chirurgie, ce qui peut interférer avec la procédure chirurgicale. Ainsi, des systèmes d'imagerie et de navigation intraopératoires sont actuellement disponibles pour visualiser les déformations 3D du rachis et guider les manoeuvres d'instrumentation de façon sûre et précise. Cependant, à partir de ces systèmes, il n'est pas encore possible de quantifier en intraopératoire les déformations scoliotiques et la correction résultant des manoeuvres d'instrumentation. Ce projet de maîtrise visait à développer une technique permettant la mesure intraopératoire automatique des déformations scoliotiques afin de fournir au chirurgien des données quantitatives exploitables pour évaluer et améliorer la stratégie chirurgicale. Globalement, le calcul des déformations scoliotiques 3D a été effectué grâce à la mise à jour d'un modèle géométrique préopératoire à partir d'images fluoroscopiques 3D intraopératoires. De façon plus précise, un modèle géométrique préopératoire a été construit à partir de 28 repères anatomiques vertébraux identifiés manuellement par un opérateur sur des radiographies biplanaires en position érigée avant la chirurgie. Ces points ont été utilisés pour obtenir un modèle

Abstract

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a complex and progressive pathology leading to threedimensional deformities of the spine, rib cage and pelvis. This pathology affects 2 to 4% of the adolescent population. In the case of severe scoliosis, a surgical treatment is required. Radiographic imaging is mostly used for the diagnosis and the monitoring of scoliosis. 3D reconstruction of the spine from patient's radiographs is currently available to enable the twoand three-dimensional characterization of scoliotic deformities and planning of the instrumentation maneuvers. The 3D preoperative models can't be directly used during surgery since there is a change in the scoliotic curvature caused by the prone positioning, the surgical exposure and the anesthesia. Several tracking systems have been tested to monitor the spinal shape changes and follow the intraoperative motion of the vertebrae: optoelectronics or electromagnetics systems, ultrasounds, radiographs. These systems enable the tracking of the intraoperative positioning of the vertebrae, and can be used to update 3D preoperative models. This requires the installation of external markers on vertebrae or the manual identification of anatomic points during surgery, which can interfere with the surgical procedure. Imaging and navigation systems are then currently available to visualize the 3D deformities of the spine and to safely and precisely guide the instrumentation maneuvers. Nevertheless, these systems do not enable the quantification of the intraoperative scoliotic deformities and the correction resulting from instrumentation maneuvers. This project aimed to develop a technique that enables the automatic intraoperative measurement of the scoliotic deformities, in order to provide the surgeon with quantitative feedback to evaluate and improve the surgical strategy. The 3D scoliotic deformities were computed by registering a preoperative geometric model with intraoperative 3D fluoroscopic images of the spine. More precisely, a preoperative geometric model was constructed from 28 vertebral landmarks manually identified by an operator on biplanar radiographs acquired preoperatively in standing position. These landmarks were used to obtain a surface model of each vertebra though a dual kriging interpolation technique. The intraoperative model was computed by the registration between this preoperative geometric model and the intraoperative data, composed of a voxelized model obtained from 3D fluoroscopic images. Each vertebra of the voxelized model was segmented and manually identified on intraoperative 3D fluoroscopic images. A rigid registration