Mesh-Derived Image Partition for 3D-2D Registration in Image-Guided Interventions

Les interventions guidées par images effectuées sous modalité 2D bénéficient de la superposition d'images 3D prises en stage préopératoire. La technologie nécessaire pour cette superposition est le recalage 3D-2D, qui consiste à trouver la position et l'orientation de l'image préopératoire 3D par rapport aux images intraopératoires 2D. Une intégration adéquate d'un algorithme de recalage à un processus chirurgical a le potentiel d'avoir un impact positif sur l'issue de la chirurgie et la durée de l'intervention. Cependant, beaucoup de chirurgies sont effectuées sans l'assistance du recalage, car aucune des solutions actuelles n'est applicable dans leur contexte clinique spécifique. Pour remédier à cette situation, cette thèse porte sur la recherche de solutions pratiques applicables à des interventions guidées par images spécifiques. La première chirurgie étudiée est l'ablation par cathéter pour fibrillation atriale/auriculaire (AC pour FA) effectuée sous fluoroscopie rayons X, une procédure électrophysiologique traitant l'arythmie cardiaque. Dans cette chirurgie, une image volumétrique (soit résonance magnétique (RM) ou tomodensitométrie (TDM)) est prise avant l'opération pour définir l'anatomie de l'atrium gauche (AG) et des veines pulmonaires (VP)s. Un maillage segmenté de ce volume est ensuite utilisé pour offrir un support visuel intraopératoire lors du placement du cathéter d'ablation via sa superposition aux images fluoroscopiques. Cependant, les solutions de recalage actuelles sont trop lentes et requièrent des interventions manuelles, ce qui est problématique quand un recalage intraopératoire est nécessaire pour permettre de pallier aux mouvements du patient. Aussi, les solutions automatiques actuelles qui recalent les images 3D et 2D directement, sans passer par l'identification manuelle de points ficudiaux, ne sont pas assez précises pour être cliniquement utilisables. De plus, les solutions qui n'utilisent pas la cartographie électromagnétique ne fonctionnent pas avec les modalités RM/fluoroscopie rayons X. Ceci est un problème, car nous visons les interventions de AC pour FA qui utilisent la modalité RM sans la cartographie électromagnétique. Il y a deux défis principaux pour arriver à une solution utile cliniquement. Premièrement, résoudre le difficile problème du recalage RM/fluoroscopie complexifié dans le cas de AC pour FA à cause de la correspondance partielle entre les modalités au niveau des VPs. Deuxièmement, de faire ce recalage assez rapidement pour permettre une mise à jour intraopératoire en temps réel dans les cas où le patient bouge pendant l'opération. Afin de remédier à cette situation, nous introduisons une nouvelle méthode de recalage basée sur la partition d'image dérivée d'un maillage (recalage PIDM). Cette méthode utilise les projections d'un maillage segmenté de la modalité 3D pour inférer une segmentation des images fluoroscopiques 2D. Ceci est beaucoup plus rapide que de faire des projections volumétriques et, puisque le maillage peut être segmenté d'une image RM ou TDM sans distinction, la même procédure est valide pour les deux modalités. La justesse du recalage est évaluée par des mesures de similarité qui comparent les propriétés statistiques des zones segmentées et incorporent l'information de profondeur des maillages afin de tenir compte de la correspondance partielle au niveau des VPs. Nous validons l'algorithme de recalage PIDM sur des interventions chirurgicales de AC pour FA provenant de 7 patients différents. Quatre mesures de similarité basées sur le principe de la partition à partir du maillage sont introduites et mises à l'épreuve sur 1400 cas biplans chacune. La précision, la portée et la robustesse de la solution sont évaluées en calculant la distribution de l'erreur (distance de projection) en fonction de la justesse de la pose initiale pour chacun des 5600 recalages. La précision est également évaluée de manière visuelle, en superposant les résultats du recalage et les valeurs-vérité sur les images fluoroscopiques. Pour donner une juste appréciation de la performance attendue de notre algorithme, les exemples visuels sont tirés de cas représentant l'erreur moyenne ainsi que d'un écart-type au-dessus et en dessous. Afin d'évaluer l'extension du recalage PIDM à d'autres types de chirurgies, celui-ci est appliqué à des cas de sclérothérapie de malformation veineuse (SdMV). Ce type de chirurgie est particulièrement délicat à recaler car la malformation peut être présente sur toutes les parties du corps, ce qui offre peu de prévisibilité sur les propriétés des images médicales à recaler d'un patient à l'autre. De plus, cette chirurgie est effectuée en imagerie monoplan et les données ne sont pas accompagnées de méta-information permettant la calibration géométrique du système. Nous démontrons que le recalage PIDM est applicable aux cas de SdMV, mais doit être modifié pour être applicable à la grande variété de parties du corps où les malformations veineuses peuvent être présentes. Le protocole développé pour les chirurgies de AC pour FA peut être utilisé dans les cas où une embolisation ou une démarcation intérieure/extérieure d'une partie du corps est proéminente, mais il est nécessaire d'intégrer l'information de gradients dans les mesures de similarité pour recaler les organes où les os sont prédominants.