Ablation hépatique par radiofréquence assistée par un système de réalité augmentée expérience préliminaire in vivo

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1 UNIVERSITE LOUIS PASTEUR STRASBOURG Ablation hépatique par radiofréquence assistée par un système de réalité augmentée expérience préliminaire in vivo X. Buy, S. Nicolau, T. Moser, L. Soler, A. Gangi Strasbourg

2 Plan Introduction - Guidage sous imagerie Intérêt d une assistance au guidage Présentation du système de guidage Validation technique sur fantôme (précision, ergonomie) Protocole d évaluation clinique passive (in vivo) Résultats sur 6 patients Conclusion

3 Introduction L ablation par radiofréquence (RF) est une technique reconnue pour le traitement des hépatocarcinomes et de certaines métastases, notamment de cancers colo-rectaux. Selon la taille de la tumeur, sa position et le type de générateur employé, une ou plusieurs électrode sont utilisées et des repositionnements peuvent être nécessaires. Les techniques d imagerie utilisées pour le guidage sont diverses: échographie, CT, IRM. La ponction s effectue avec un contrôle 2D. Dans tous les cas, le succès de la procédure passe par une balistique parfaite

4 Avantages: Guidage échographique Facilement disponible, faible coût Guidage temps réel Inconvenients: Imagerie 2D Approche difficile de certaines lésions Faible échogénicité de certains patients Non visibilité de certaines lésions Echogénicité perturbée après un premier cycle de RF, d où difficulté de repositionnement Moins bon contrôle des structures adjacentes (prévention des complications) Perturbation de l échogénicité après un premier cycle de RF donc difficulté de repositionnement

5 Guidage IRM Avantages: Excellent contraste Imagerie multiplanaire directe Développement de l imagerie thermique Inconvénients: Faible accessibilité des machines, coût IRM dédiées rares Etroitesse du tunnel peu compatible avec électrodes longues Nécessité de matériel MR compatible, coût Perturbation du champ magnétique par la RF

6 Guidage CT Avantages : Bonne disponibilité Résolution spatiale Imagerie polyvalente (foie, rein, poumon, os) Meilleure appréciation de la zone d ablation Meilleur contrôle des structures adjacentes Inconvénients : Irradiation Certaines lésions ne sont visibles que de manière fugace (petits hépatocarcinomes). L injection répétée d iode n est souvent pas possible Risque de dérive augmenté lorsque le statif est très incliné

7 Intérêt d une d assistance au guidage par réalitr alité augmentée e (AR) Diminuer les erreurs de balistique Visualisation virtuelle volumique 3D continue de la lésion cible Interface graphique modulable Baisse de l irradiation pour le guidage CT L analyse volumique 3D permanente permet une meilleure planification de la balistique, surtout pour les procédures utilisant de multiples électrodes ou des repositionnements FILM

8 Présentation du système de guidage Caméras stéréoscopiques recréant une vision 3D Marqueurs radio-opaques cutanés repérables à la fois par les caméras et le CT Mire solidarisée au connecteur de l électrode DONC: on peut localiser en continu dans le repère caméra les positions respectives du patient et de l aiguille

9 Présentation du système de guidage Une premier volume (CT1) est acquis, marqueurs cutanés en place, pour planifier la procédure Une reconstruction 3D des structures remarquables -peau, foie, tumeur, marqueurs cutanés- est effectuée : modèle 3D surfacique Les caméras stéréoscopiques permettent de localiser l électrode lors de sa manipulation d enregistrer le modèle 3D du patient dans le repère vidéo Donc de fournir la position relative de l électrode par rapport au modèle surfacique 3D du patient

10 Différentes étapes de la transformation Localisation automatique 2D puis 3D des marqueurs vidéo Appariement automatique des marqueurs vidéo 2D Recalage automatique des marqueurs vidéo reconstruits et des marqueurs CT Enregistrement du modèle virtuel dans le repère vidéo

11 Méthode de transformation Enregistrement des marqueurs radio-opaques sur le CT et dans le champ vidéo puis appariement des marqueurs, permettant un recalage initial grossier. CT 1 mm slice AR

12 Réalité Augmentée (AR) Modèle 3D du patient avant appariement, non recalé dans le repère vidéo Après appariement, recalage 2D/3D puis visualisation en transparence par réalité augmentée

13 Tracking de l él électrode Une mire est solidarisée au connecteur de l électrode Connaissant la longueur de l électrode, la position de la mire dans le champ vidéo permet de projeter virtuellement l électrode dans le modèle 3D La mire fixée à l électrode est automatiquement détectée Projection virtuelle de l aiguille dans le modèle 3D

14 Interface graphique Visualisation des organes en transparence à travers la peau (réalité augmentée) Vérification rapide et facile du recalage Choix rapide du point d entrée et de la direction de ponction Interface : multiples modes visuels disponibles simultanément en temps réel (CT, vue externe, vue en tranparence et vue endoscopique virtuelle)

15 Interface graphique Contrôle du point de vue, de l affichage et des paramètres CT cible Contrôle de la transparence des organes, vue externe ou endoscopique virtuelle. Facilité et vitesse de ponction

16 Validation technique sur fantôme 7 participants : informaticiens, radiologues interventionnels et chirurgiens 70 ponctions sur des modèles de tumeurs hépatiques Mesure de la distance entre la pointe de l électrode et le centre de la cible Vérification par caméra endoscopique Analyse du temps de ponction RESULTATS: Distance moyenne 1,8mm (0,8-2,9) Temps moyen 24s (14-32) FILM

17 Evaluation clinique passive Evaluation du système sur des patients avec un protocole passif : Cette phase n apporte aucun bénéfice à l opérateur qui ponctionne sous contrôle CT comme à son habitude Elle permet de vérifier la robustesse des algorithmes en conditions cliniques Cette évaluation nécessite un 2eme volume CT une fois l aiguille en place

18 Protocole expérimental Procédures d ablation de tumeurs hépatiques par radiofréquence Patients sous anesthésie générale en décubitus dorsal Marqueurs radio-opaques collés sur la peau du patient avec marquage de leur centre à l encre indélébile Acquisition du volume CT1 en expiration maximale, incluant la totalité du foie et des marqueurs Marqueurs retirés, champage stérile et ponction du foie sans assistance par AR (évaluation passive), la mire stérile étant connectée à l électrode Quand l opérateur pense que l électrode a atteint la cible, une vidéo stéréoscopique du patient et de l électrode est obtenue sur plusieurs cycles respiratoires Enfin, un volume CT2 est acquis en expiration maximale, électrode en place

19 Protocole expérimental / Stérilit rilité Les marqueurs radio-opaques sont collés sur la peau et leur centre est marqué au feutre indélébile facilement repérable par les caméras. Le volume CT1 est acquis, marqueurs en place. Ceux-ci sont ensuite retirés et seules persistent les marques au feutre. Le lavage à la bétadine est effectué et le champ opératoire positionné en veillant à laisser les marques au feutre bien visibles par les caméras.

20 Protocole expérimental / Compensation respiratoire Pour la précision et la sécurité du système, il n est pas possible de négliger les contraintes de mouvements Deux types de mouvements sont monitorés et compensés: Mouvement global du patient (glissement ) Déformation respiratoire Algorithme de tracking à 10 Hz Information immédiate de l opérateur en cas de décalage Gating respiratoire : anesthésie générale avec apnée active de 20 secondes permettant d obtenir des conditions pseudo-statiques avec une erreur d environ 1mm Pendant cette phase d apnée active, le praticien peut manipuler l électrode vers la cible (guidage AR) Cette phase pseudo-statique brève d utiliser une transformation matricielle rigide, à condition que l enregistrement du modèle 3D soit quasi instantané V(t) acquisition CT Guidage AR Guidage AR

21 Protocole expérimental Le recalage du rachis CT1/CT2 permet d établir la transformation rigide qui sera appliquée à la peau et au foie Calcul de la distance entre la surface hépatique du CT1 avec la surface hépatique extraite du CT2 et recalée sur CT1

22 Evaluation de la précision du système Extraction de l électrode et de la surface hépatique du CT2 Recalage de la surface hépatique CT2 sur la surface hépatique CT1 Application de cette transformation rigide à l électrode extraite de CT2 pour simuler sa position finale sur CT1 Enregistrement du modèle surfacique du patient du CT1 avec la projection virtuelle de l aiguille dans le repère caméra, en utilisant les images du patient en pleine expiration Le décalage entre la position de l électrode «trackée» par les caméras et la position virtuelle de l électrode projetée sur CT1 correspond à la précision du système

23 Evaluation de la précision du système Vérification visuelle du recalage Foie1(rouge) / Foie2 (bleu). Les vues inférieure et supérieure des foies montrent un entrelacement étroit des couleurs. Ceci traduit que l erreur de repositionnement est proche de l erreur de segmentation soit environ 1 mm.

24 Foie CT1 Foie CT2 Foies recalés Position de l électrode connue sur CT1 Enregistrement 2D/3D du CT1+électrode dans le repère des caméras grâce aux marqueurs opaques Le décalage entre la positionde l électrode dans le repère caméra et de l électrode dans CT1 correspond à la précision du système

25 Evaluation clinique du système - Résultats Revue rétrospective de 6 cas de radiofréquence hépatique in vivo Résultats : La courbure de l électrode n est pas négligeable puisqu elle peut atteindre 2,5mm. Le recalage des foies CT1/CT2 acquis en expiration maximale s est effectué avec une erreur de 2mm Les marqueurs cutanés doivent être positionnés proche du rebord costal inférieur pour ne pas subir les déformations surfaciques abdominales dues aux déplacement des gaz digestifs Pour tous les patients, la précision du système en expiration maximale atteint 5mm

26 Courbure d aiguilled La courbure peut atteindre 2,5mm pour une électrode de 15cm de longueur Cette courbure est majorée lorsque l électrode est au contact des côtes Ceci constitue une limite pour tous les systèmes basés sur des marqueurs cutanés

27 Gaz digestifs Illustration de la déformation cutanée induite par le déplacement des gaz digestifs. Superposition des images des deux volumes CT1 et CT2. Première série sur la région paraombilicale. Deuxième série sur l abdomen supérieur. La déformation est importante dans l abdomen inférieur alors qu elle est minime près des dernières côtes. C est donc près des côtes que les marqueurs cutanés doivent être positionnés. + = + =

28 Conclusion Nous avons développé un système de réalité augmentée pour guider en temps réel le positionnement d électrodes de radiofréquence hépatique Ce système offre une interface ergonomique permettant de contrôler en simultané la vue CT, la projection virtuelle de l aiguille et la vue endoscopique virtuelle La phase d évaluation passive en conditions «in vivo» retrouve une précision de 5mm Ceci permet d envisager prochainement le passage en phase d évaluation clinique