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Méthode de mesure automatique intraopératoire des déformations du rachis scoliotique

Marina D'Ercole

Master's thesis (2013)

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Abstract

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a complex and progressive pathology leading to threedimensionaldeformities of the spine, rib cage and pelvis. This pathology affects 2 to 4% of theadolescent 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. 3Dreconstruction of the spine from patient's radiographs is currently available to enable the twoandthree-dimensional characterization of scoliotic deformities and planning of theinstrumentation maneuvers. The 3D preoperative models can't be directly used during surgerysince there is a change in the scoliotic curvature caused by the prone positioning, the surgicalexposure and the anesthesia.Several tracking systems have been tested to monitor the spinal shape changes and follow theintraoperative 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 externalmarkers on vertebrae or the manual identification of anatomic points during surgery, which caninterfere with the surgical procedure. Imaging and navigation systems are then currently availableto visualize the 3D deformities of the spine and to safely and precisely guide the instrumentationmaneuvers. Nevertheless, these systems do not enable the quantification of the intraoperativescoliotic deformities and the correction resulting from instrumentation maneuvers.This project aimed to develop a technique that enables the automatic intraoperative measurementof the scoliotic deformities, in order to provide the surgeon with quantitative feedback to evaluateand improve the surgical strategy. The 3D scoliotic deformities were computed by registering apreoperative geometric model with intraoperative 3D fluoroscopic images of the spine.More precisely, a preoperative geometric model was constructed from 28 vertebral landmarksmanually identified by an operator on biplanar radiographs acquired preoperatively in standingposition. These landmarks were used to obtain a surface model of each vertebra though a dualkriging interpolation technique. The intraoperative model was computed by the registrationbetween this preoperative geometric model and the intraoperative data, composed of a voxelizedmodel obtained from 3D fluoroscopic images. Each vertebra of the voxelized model wassegmented and manually identified on intraoperative 3D fluoroscopic images. A rigid registration

Résumé

La scoliose idiopathique de l'adolescence est une pathologie complexe et évolutive entraînant unedéformation tridimensionnelle du rachis, de la cage thoracique et du bassin. Cette pathologieaffecte 2 à 4% de la population adolescente. Dans le cas de scolioses sévères, un traitementchirurgical est recommandé. L'imagerie radiographique est la technique la plus répandue pour lediagnostic et le suivi des effets de cette pathologie. De plus, des outils de reconstruction 3D durachis à partir de radiographies du patient sont actuellement disponibles avant la chirurgie pourpermettre une caractérisation bi- et tridimensionnelle des déformations scoliotiques ainsi que laplanification des manoeuvres d'instrumentation. Les modèles 3D préopératoires ne sont pasdirectement utilisables pendant la chirurgie puisqu'il y existe un changement des courburesscoliotiques 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 lemouvement des vertèbres en intraopératoire : mécaniques, optoélectroniques, électromagnétiques,ultrasons, radiographiques. Ces systèmes permettent de détecter la position des vertèbres pendantla chirurgie et peuvent être utilisés pour la mise à jour de modèles 3D préopératoires. Pour cefaire, ils requièrent l'installation de marqueurs sur les vertèbres ou l'identification manuelle depoints anatomiques pendant la chirurgie, ce qui peut interférer avec la procédure chirurgicale.Ainsi, des systèmes d'imagerie et de navigation intraopératoires sont actuellement disponiblespour visualiser les déformations 3D du rachis et guider les manoeuvres d'instrumentation de façonsûre et précise. Cependant, à partir de ces systèmes, il n'est pas encore possible de quantifier enintraopératoire les déformations scoliotiques et la correction résultant des manoeuvresd'instrumentation.Ce projet de maîtrise visait à développer une technique permettant la mesure intraopératoireautomatique des déformations scoliotiques afin de fournir au chirurgien des données quantitativesexploitables pour évaluer et améliorer la stratégie chirurgicale. Globalement, le calcul desdéformations scoliotiques 3D a été effectué grâce à la mise à jour d'un modèle géométriquepréopératoire à partir d'images fluoroscopiques 3D intraopératoires.De façon plus précise, un modèle géométrique préopératoire a été construit à partir de 28 repèresanatomiques vertébraux identifiés manuellement par un opérateur sur des radiographies biplanairesen position érigée avant la chirurgie. Ces points ont été utilisés pour obtenir un modèle
Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Carl-Éric Aubin
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1289/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 14 Apr 2014 09:58
Last Modified: 09 Nov 2022 09:54
Cite in APA 7: D'Ercole, M. (2013). Méthode de mesure automatique intraopératoire des déformations du rachis scoliotique [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1289/

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