Intra-Operative Needle Tracking Using Optical Shape Sensing Technology

Contexte : Les métastases hépatiques colorectales sont la principale cause de décès liée au cancer du foie dans le monde. Au cours de la dernière décennie, il a été démontré que l'ablation par radiofréquence (RFA, pour radiofrequency ablation) est une méthode de traitement percutané très efficace contre ce type de métastases. Cela dit, un positionnement précis de l'embout de l'aiguille utilisé en RFA est essentiel afin de se départir adéquatement de la totalité des cellules cancéreuses. Une technologie prometteuse pour obtenir la forme et la position de l'aiguille en temps réel est basée sur l'utilisation de réseaux de Bragg (FBG, pour fiber Bragg grating) à titre de senseur de contrainte. En effet, ce type de senseurs a une vitesse d'acquisition allant jusqu'à 20 kHz, ce qui est suffisamment rapide pour permettre des applications de guidage en temps réel. Méthode : Les travaux présentés au sein de ce mémoire décrivent le développement d'une technologie, compatible aux systèmes d'imageries par résonance magnétique (IRM), permettant d'effectuer le suivi de la forme de l'aiguille utilisée en RFA. Premièrement, trois fibres contenant une série de réseaux de Bragg ont été collées dans une géométrie spécifique et intégrées à l'intérieur d'une aiguille 20G-150 mm. Ensuite, un algorithme de reconstruction de forme tridimensionnelle a été développé, basé sur les mesures de translation spectrales des FBGs acquises en temps réel durant le guidage de l'aiguille. La position du bout de l'aiguille ainsi que la forme tridimensionnelle complète de celle-ci ont été représentées et comparées à la position de la zone ciblée à la suite d'une simple méthode de calibration. Finalement, nous avons validé notre système de navigation en effectuant une série d'expériences in vitro. La précision du système de reconstruction tridimensionnelle de la forme et de l'orientation de l'aiguille a été évaluée en utilisant deux caméras positionnées perpendiculairement de manière à connaitre la position de l'aiguille dans le système d'axes du laboratoire. L'évaluation de la précision au bout de l'aiguille a quant à elle été faite en utilisant des fantômes précisément conçus à cet effet. Finalement, des interventions guidées en IRM ont été testées et comparées au système de navigation électromagnétique NDI Aurora (EMTS, pour Electromagnétic tracking system) par le biais du FRE (fiducial registration error) et du TRE (target registration error). Résultats: Lors de nos premières expériences in vitro, la précision obtenue quant à la position du bout de l'aiguille était de 0,96 mm pour une déflexion allant jusqu'à ±10,68 mm. À titre comparatif, le système d'Aurora a une précision de 0.84 mm dans des circonstances similaires. Les résultats obtenus lors de nos seconds tests ont démontré que l'erreur entre la position réelle du bout de l'aiguille et la position fournie par notre système de reconstruction de forme est de 1,04 mm, alors qu'elle est de 0,82 mm pour le EMTS d'Aurora. Pour ce qui est de notre dispositif, cette erreur est proportionnelle à l'amplitude de déflexion de l'aiguille, contrairement à l'EMTS pour qui l'erreur demeure relativement constante. La dernière expérience a été effectuée à l'aide d'un fantôme en gélatine, pour laquelle nous avons obtenu un TRE de 1,19 mm pour notre système basé sur les FBG et de 1.06 mm pour le système de navigation par senseurs électromagnétiques (EMTS). Les résultats démontrent que l'évaluation du FRE est similaire pour les deux approches. De plus, l'information fournie par les caméras permet d'estimer la précision de notre dispositif en tout point le long de l'aiguille. Conclusion : En analysant et en interprétant les résultats obtenus lors de nos expériences in vitro, nous pouvons conclure que la précision de notre système de navigation basé sur les FBG est bien adaptée pour l'évaluation de la position du bout et la forme de l'aiguille lors d'interventions RFA des tumeurs du foie. La précision de notre système de navigation est fortement comparable avec celle du système basé sur des senseurs électromagnétiques commercialisé par Aurora. L'erreur obtenue par notre système est attribuable à un mauvais alignement des réseaux de Bragg par rapport au plan associé à la région sensorielle et aussi à la différence entre le diamètre des fibres et celui de la paroi interne de l'aiguille.