Intégration de la simulation numérique à la navigation chirurgicale pour le traitement de la scoliose par chirurgie de modulation de croissance sans fusion par attache flexible

La scoliose est une maladie caractérisée par une déformation en trois dimensions du rachis qui affecte entre 2% et 3% de la population. Dans le cas de scolioses progressives et sévères, un traitement par chirurgie est généralement nécessaire pour corriger les déformations. Les chirurgies les plus utilisées consistent à venir corriger les courbes scoliotiques à l'aide d'une instrumentation composée de tiges fixées postérieurement aux vertèbres par des vis, crochets ou bandes flexibles, afin de venir fusionner les niveaux instrumentés. Ce type de chirurgie restreint cependant la croissance et la flexibilité du rachis. Une approche plus récente de modulation de croissance, sans fusion, pour les patients pédiatriques, consiste à implanter des vis latéralement sur les corps vertébraux, du côté convexe de la courbe, puis de relier les vis avec un câble qui est mis en tension. Cette compression intervertébrale induit une correction initiale et transfert les charges de compression des plaques de croissance des corps vertébraux du côté concave vers le côté convexe. Ce rééquilibrage des chargements est utilisé pour une correction additionnelle dans le temps avec une modulation de la croissance, basé sur le principe de Hueter-Volkmann. Ce dernier principe décrit le phénomène de ralentissement de la croissance osseuse pour une plaque de croissance en compression et l'accélération lorsqu'en tension. Pour cette chirurgie appelée « Anterior Vertebral Body Tethering », il est difficile pour les chirurgiens de prédire les résultats à long terme. Pour aider à planifier cette chirurgie, une approche récente utilisant un modèle par éléments finis personnalisé a permis de simuler cette chirurgie et la croissance du patient sur 2 ans avec une précision moyenne de 4° d'angle de Cobb. Ce modèle utilise en entrée des données préopératoires et n'est cependant pas mis à jour pour tenir compte de la variabilité du positionnement intraopératoire du patient et des vis, ainsi que celle des manipulations de correction. Les systèmes de navigation chirurgicale basés sur l'imagerie intraopératoire sont utilisés pour guider l'installation des vis et/ou vérifier leur position. Ces systèmes permettent aussi de recaler certaines planifications préopératoires sur le patient et d'assister à l'exécution des manoeuvres. Tel un GPS pour une voiture, la navigation permet à un outil chirurgical équipé d'une référence dynamique de se situer sur le patient virtuel (carte routière) pour bien se positionner dans le patient (route). Ce système de navigation n'est cependant pas utilisé avec la planification préopératoire basée sur le modèle par éléments finis. Ce projet visait à intégrer le modèle par éléments finis personnalisé au système de navigation, dans le but de prendre en compte le réel positionnement intraopératoire du patient et des vis pour faire la mise à jour de la planification. Plus spécifiquement, les deux sous-objectifs consistaient à recaler le modèle par éléments finis sur les images de CBCT intraopératoires, puis de faire l'acquisition de la position des vis dans le modèle pour refaire la simulation des manoeuvres de correction. La méthode développée pour recaler le modèle par éléments finis sur les images CBCT intraopératoires comporte des étapes pré et intraopératoires. Préopératoirement, une reconstruction 3D du rachis, du bassin et de la cage thoracique du patient est obtenue à partir de radiographies biplanaires, le modèle est construit sur cette géométrie et la flexibilité du patient est calibrée, puis la simulation des manoeuvres de correction est effectuée pour générer la planification préopératoire. Au début de l'opération, des images de CBCT du patient en position décubitus latéral sont acquises, puis un algorithme de segmentation automatique génère les modèles 3D des corps vertébraux et pédicules. Le modèle par éléments finis est premièrement aligné globalement de manière rigide en recalant une seule vertèbre sur celle correspondante sur les images CBCT. Cet alignement est obtenu en définissant des nuages de points représentant la surface des corps vertébraux et pédicules seulement, pour la vertèbre du modèle et du CBCT, en alignant leurs systèmes de coordonnés locaux et finalement en alignant les nuages de points avec un algorithme d'optimisation «Iterative Closest Point». Pour prendre en compte la différence de positionnement, une simulation de recalage de multiples niveaux est accomplie en appliquant des déplacements sur certaines des vertèbres du modèle vers celles correspondantes dans les images CBCT, utilisant ainsi le comportement biomécanique du modèle pour recaler toutes les vertèbres. La planification de la chirurgie a ensuite été mise à jour à partir de la nouvelle position relative des vertèbres. Cette méthode de recalage a été validée en utilisant des données rétrospectives de CBCT intraopératoire, de reconstruction 3D et de modèles par éléments finis de 18 patients scoliotiques ayant subi la chirurgie de modulation de croissance au CHU Sainte-Justine. Les images de CBCT ont été automatiquement segmentées, puis le modèle a été recalé pour tous les patients de la cohorte. Après le recalage, une différence de translation de 1.4 1.2mm a été mesurée en calculant la distance euclidienne entre des marqueurs anatomiques des vertèbres du modèle et des modèles 3D des images CBCT. La différence d'orientation de 2.7 2.6º, 2.8 2.4º et 2.5 2.8º dans les plans frontal, sagittal et transverse respectivement a été mesurée en calculant l'angle entre les axes des repères locaux des vertèbres du modèle et des images CBCT. La distance surface à surface moyenne après recalage était de 1.5 1.2mm et le processus de recalage a pris en moyenne 204  25s. La méthode d'acquisition de la position des vis dans le modèle consiste à utiliser le tournevis utilisé en chirurgie et d'y fixer une référence dynamique. À la fin de chaque insertion, la position de la vis est acquise par un ordinateur connecté au navigateur, puis recalée sur le modèle pour faire la simulation des manoeuvres de correction avec les positions réelles du patient et des vis. La calibration de la référence dynamique pour permettre la navigation du point de fixation du câble sur la vis a été faite à l'aide d'un outil de calibration spécialement conçu qui comporte la même interface qu'une vis. Le processus de calibration est effectué selon les instructions sur l'écran du navigateur, en utilisant un palpeur, la référence dynamique du patient, ainsi que le tournevis équipé de la référence dynamique et de l'outil de calibration. L'outil de calibration est ensuite retiré pour l'insertion des vis. Un ordinateur connecté au navigateur par un fil Ethernet, communiquant par le protocole TCP/IP avec le logiciel StealthLink Server permet ensuite de faire l'acquisition des positions du bout et de l'arrière du tournevis perçues par le navigateur en 3D. Le recalage des positions acquises est effectué en utilisant l'inverse de la même transformation géométrique rigide qui aligne globalement le modèle sur les images CBCT. Une fois les positions acquises, le système de coordonnées local des vis est calculé et les positions des noeuds de vis sont placés sur l'axe de la vis où le câble s'installe. Ces noeuds sont lus par le modèle pour générer les éléments de vis qui sont ensuite utilisés pour simuler les manipulations de correction, qui prend alors en compte le positionnement intraopératoire du patient et des vis. La méthode d'acquisition des vis a été validée sur un fantôme conçu en se basant sur la reconstruction 3D d'un des patients de la cohorte et en utilisant une reproduction du tournevis imprimé en 3D équipé d'une référence dynamique amovible. Les positions acquises ont été comparées à celles observées directement sur le rendu de volume des images CBCT. La différence en translation pour l'acquisition était en moyenne de 1.0 ± 0.4mm, tandis que celle d'orientation était de 1.9 ± 0.5, 1.7 ± 0.5et 2.2 ± 0.9dans les plans frontal, sagittal et transverse respectivement. La méthode de transfert des positions vers le modèle a été validé par inférence en faisant une simulation d'acquisition sur des modèles 3D de vis insérés dans la reconstruction 3D du modèle par éléments finis recalé sur les images CBCT. La simulation avec les positions intraopératoires du patient et des vis a été exécutée avec succès pour le seul patient testé. Ces deux méthodes ont été implémentées dans un logiciel nommé SimNav, qui permet l'exécution automatique ou manuelle du processus de recalage et de faire l'acquisition de la position des vis dans le modèle. Le logiciel permet aussi de lancer les simulations, d'élaborer la planification préopératoire et de configurer plusieurs scénarios d'instrumentation. Les résultats ont montré la faisabilité de l'intégration du modèle par éléments finis personnalisé au système de navigation, mais les méthodes développées présentent encore quelques limitations. La méthode de calcul de la position des repères anatomiques sur les modèles 3D des vertèbres dans les images CBCT n'a pas été validée. De plus, le modèle altère la géométrie de la reconstruction 3D au moment de faire la modélisation automatique du patient et affecte le processus de recalage qui se base sur l'hypothèse que cette géométrie est représentative de celle du patient. Pour ce qui est de l'acquisition de la position des vis dans le modèle, une récente lettre d'avertissement de la Food and Drug Administration stipule que l'utilisation d'une référence dynamique amovible est plus risquée que d'utiliser un outil équipé d'une référence dynamique intégrée et précalibrée au navigateur. La validation des algorithmes, la géométrie du modèle et la conception d'un outil dédié à la navigation des vis pour cette chirurgie sont tous des problèmes qui devront être adressés dans le futur. Certains concepts pour faire le guidage de la manoeuvre de correction ont été élaborés lors de ce projet, mais aucun n'a fait l'objet d'un développement technique et devront être étudiés davantage dans des projets à venir. Ce projet a permis de montrer la faisabilité d'intégrer au navigateur intraopératoire la planification chirurgicale obtenu du modèle par éléments finis personnalisé pour la chirurgie de modulation de croissance. Les outils développés dans ce projet sont les premiers composants d'un système de navigation qui intègrera la planification chirurgicale basée sur un modèle par éléments finis personnalisé, le recalage intraopératoire et le guidage des manoeuvres pour optimiser les résultats à long terme de cette chirurgie.