Localisation des tumeurs hépatiques assistée par ordinateur : Évaluation des performances d'une méthode semi automatique innovante

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1 Localisation des tumeurs hépatiques assistée par ordinateur : Évaluation des performances d'une méthode semi automatique innovante Service de Radiologie Pr Valette Centre Hospitalier Lyon Sud A.Muller, M.Al-Shaikh, C.Micol, E. Guillot, PJ Valette

2 PLAN Rappels Principe généraux de la chirurgie hépatique Objectifs d un logiciel de segmentation/volumétrie hépatique Méthodes de segmentation du foie selon Couinaud Etude de validation de la méthode de segmentation hépatique Objectifs de l étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions/Perspectives d avenir

3 Contexte : Chirugie des tumeurs hépatiques et décision multidisciplinaire L exérèse chirurgicale ou dans certains cas la destruction physique de la lésion (radiofréquence, micro-onde, ) = seuls traitements à but curatif des métastases et des cancers primitifs hépatiques : avec chirurgie : survie à 5 ans de 37% à 58% sans chirurgie : survie à 5 ans exceptionnelle L évaluation de la résécabilité doit impliquer plusieurs spécialistes : Radiologue: identifie chaque lésion, confirme la nature tumorale, indique la localisation précise et la taille Radiologue + Chirurgien: estiment la résécabilité fonction de l anatomie hépatique propre au patient, la localisation et la taille des lésions Oncologue + Radiologue + Chirurgien: valident la prise en charge chirurgicale d emblée ou les étapes préliminaires (chimiothérapie, embolisation portale, ) A l issue de cette évaluation, une description complète de la stratégie doit être faite pour chaque lésion : =>quelle technique, et quand?

4 Règles de la chirurgie hépatique : Généralités But : exérèse complète de la lésion + marges 1cm quel que soit le type de résection Principes anatomiques : Chaque segment a sa propre vascularisation «entrante» et «sortante», et son drainage biliaire Toute résection ne respectant pas la segmentation risque d entrainer une plaie vasculaire ou une fuite biliaire Le volume de foie restant doit être au minimum de 25 à 30 % du foie fonctionnel, voire plus en cas d hépatopathie ou après chimiothérapie 1,2 L hémorragie et l insuffisance hépatique post-opératoire sont les 2 principales causes de mortalité après hépatectomie. L étendue et le type d hépatectomie dépendent donc : de la taille et de la localisation des lésions des rapports avec les pédicules vasculaires et biliaires principaux du volume de parenchyme sain restant

5 Règles de la chirurgie hépatique : Types de résections Tumorectomies ou résections atypiques Résection tumorale complète + marges Avantages épargne parenchymateuse Inconvénients + de risque hémorragique, de fistules biliaires + de risque de compromettre la vascularisation du foie restant Résections anatomiques réglées Respect de la segmentation hépatique Segmentectomies, bisegmentectomies Hépatectomies majeures lobectomie gauche, hépatectomie gauche, hépatectomie droite, hépatectomie droite élargie au segment IV Moins courantes hépatectomie gauche élargie aux segments V et VIII hépatectomie centrale

6 Objectifs d un logiciel de volumétrie/segmentation hépatique Aider à la décision chirugicale/pluridisciplinaire : Estimation de la faisabilité de la résection résections hépatiques de + en + étendues 3, nécessitant une évaluation précise du volume de foie restant Repérage de l anatomie segmentaire hépatique propre au patient choisir les segments à réséquer repérer leurs limites afin de respecter la vascularisation Pour ce faire, le logiciel doit permettre, à partir d un scanner ou d une IRM : Détection automatique : contours du foie, vaisseaux, limites tumorales Délimitation des segments : en s adaptant à l anatomie individuelle Rendu volumique : foie total, segments, vaisseaux principaux et des tumeurs, avec modification possible de la transparence et des incidences Calcul automatique des volumes : foie total, segments, tumeurs Simulation des résections ou des volumes d ablation : rapide et modifiable Le travail présenté ici s intéresse à la question de la délimitation des segments hépatiques

7 Méthodes de segmentation Deux méthodes sont possibles Segmentation automatique basée sur l arborisation portale 4,5,6 Approche «fonctionnelle» Reconnaissance logicielle des branches portales pour en déduire les territoires vasculaires segmentaires Segmentation semi-automatique basée sur des repères anatomique Approche«pragmatique» Identification manuelle de repères chirurgicaux (ligaments, bifurcations portales droite et gauche, veines sushépatiques) Méthode évaluée dans ce travail Développée en collaboration entre Philips Healthcare et Pr PJ Valette, CHLS, Lyon

8 Méthodes de segmentation : 1) Segmentation basée sur la vascularisation portale VII Le logiciel reconnait automatiquement les branches de division portale rehaussées par l injection de produit de contraste VI VIII IV II III V

9 Méthodes de segmentation : 1) Segmentation basée sur la vascularisation portale Les limites des segments sont définies en se basant sur la distance moyenne entre les branches portales Avantage : La segmentation obtenue représente les véritables territoires vasculaires de chaque branche Limites : Le rehaussement au sein du système porte doit être optimal pour permettre une reconnaissance automatique des branches et bifurcations La branche à suivre peut être difficile à déterminer par le logiciel en cas de trifurcation, de variation anatomique ou de branche accessoire Rieker O, Rofo La reconnaissance automatique des branches portales a échoué dans 51 des 409 cas en raison de variantes anatomiques

10 Méthodes de segmentation : 1) Segmentation basée sur la vascularisation portale De plus : - Les segments ainsi définis peuvent avoir des contours irréguliers dont le détail ne peut être suivi avec précision lors de la résection chirurgicale faute de repère fiable Fischer L J, Comput Assist Tomogr segmental volumes are overestimated by up to 24% and underestimated to 13%

11 Méthodes de segmentation : 2) Segmentation basée sur des repères anatomiques 1) A la surface du foie Repères facilement reconnaissables par le chirurgien : Hepatic veins 2) En echo per-op : Portal bifurcation Umbilical fissure Gallbladder fossa

12 Méthodes de segmentation : 2) Segmentation basée sur des repères anatomiques Principe : Déterminer des limites des segments à partir de repères simples à identifier Avantages : conforme avec les repères anatomiques per-opératoires du chirurgien utilisable même si rehaussement insuffisant du réseau porte fiable même en cas de variante anatomique ou de dysmorphie importante Quelques points de repère sont en effet suffisants tracer les plans verticaux et obliques délimitant les segments Plans verticaux : 1. Veine cave inf. 2. Veine sus hépatique droite 3. Veine sus hépatique moyenne lit vésiculaire 4. Scissure ombilicale Plans horizontaux 5. Branche portale droite 6. Branche portale gauche 7. Pointe du lobe gauche 3 4

13 Méthodes de segmentation : 2) Segmentation basée sur des repères anatomiques Au total, après délimitation automatiques des contours du foie par le logiciel 7 9 points sont posés pour délimiter l ensemble des segments (avec le segment I) 4 III Plans verticaux 1. Veine cave inférieure 2. Veine sus hépatique droite 3. Veine sus hépatique moyenne lit vésiculaire 4. Veine sus hépatique gauche scissure ombilicale Plans horizontaux 5. Branche portale droite 6. Branche portale gauche 7. Pointe du lobe gauche Limite antérieure du segment I (sillon d Arantius) 8. Ligament veineux profond 9. Ligament veineux superficiel 3 V IV VIII 5 2 VI 6 8 VII 1 II I 9

14 Méthodes de segmentation : 2) Segmentation basée sur des repères anatomiques Objectifs du logiciel détection automatique : foie, vaisseaux principaux, limites tumorales délimitation les segments en s adaptant à l anatomie individuelle rendu volumique du volume hépatique global, des segments, des vaisseaux principaux et des tumeurs, avec modification de la transparence et des incidences calcul automatique du volume hépatique, des segments, des tumeurs simulation des résections rapide et modifiable

15 OBJECTIFS DE L ÉTUDE Evaluer les performances du logiciel de segmentation hépatique semi-automatique Juger la validité de la localisation segmentaire des tumeurs en comparant les résultats obtenus par des utilisateurs ignorant les principes de la segmentation du foie avec l aide du logiciel (progrès attendu) avec ceux d experts sans le logiciel (pratique courante) Juger de la reproductibilité de la méthode

16 Matériel et méthodes Etude prospective 42 patients porteurs de 180 tumeurs hépatiques primitives ou secondaires Détermination de la localisation segmentaire des tumeurs par : 1) 2 observateurs juniors (J) non familiers de la segmentation de Couinaud et utilisant le logiciel 2) 2 radiologues séniors (S) ayant plus de 5 années d'expérience en lecture des scanners hépatiques et n utilisant pas le logiciel 3) 1 radiologue expert (adjudicateur = A) chargé d établir un "gold standard" à partir son expérience et s'aidant du logiciel Evaluation de l'accord sur la localisation des lésions entre observateurs par des tests de Kappa à l'intérieur de chaque groupe : reproductibilité entre les différents groupes de lecteurs et le gold standard : précision

17 Matériel et méthodes (2) Les 42 scanners ont été sélectionnés sur un recrutement de suivi oncologique sans sélection a priori de la qualité du rehaussement vasculaire ou hépatique après injection de contraste Avant l exercice de localisation des lésions hépatiques par les juniors comme par les séniors ont été réalisés Le repérage automatique des contours du foie. Le contourage manuel et la numérotation des tumeurs à localiser La règle commune pour déterminer le segment attribué à une tumeur était de sélectionner celui où se trouve l isocentre de la lésion Déduit automatiquement par le logiciel pour les juniors Choisi par simple lecture des images pour les séniors Associant le logiciel et la lecture des images pour l adjudicateur

18 Résultats (1) Accord intra groupe Reproductibilité intra groupe junior Κ = 84,6 % intervalle de confiance à 95% (IC95) {80,5 à 88,7%} Reproductibilité intra groupe sénior Κ = 88,4 % intervalle de confiance à 95% (IC95) {84,5% à 92,2%} => accord presque parfait =>accord presque parfait Reproductibilité intra groupe excellente (avec et sans logiciel, avec et sans expérience) Concordance un peu supérieure entre séniors mais pas de manière significative Rappel : le test du κ (kappa) mesure l accord entre observateurs non lié au hasard lors d'un codage qualitatif en catégories

19 Résultats (2) Accord inter groupe Juniors/Adjudicateur K = 80,9 % IC95 {75,2 à 85,5 %} =>accord très bon Pas de différence statistiquement significative E1 et A de 80,3%, et E2 et A de 81,4% Séniors/Adjudicateur K =88,4 % IC95 {79,6 à 90 %} =>accord presque parfait Différence entre experts plus marquée : probabilité d accord E1 et A de 85,4%, et E2 et A de 91,4% Représentation graphique des écarts de localisation entre les 2 juniors et l adjudicateur en nombre total de lésions par segment Bonne reproductibilité inter groupes Reproductibilité J/A et S/A comparable

20 Résultats (3) Probabilité d accord en fonction de la localisation et de la taille des lésions Localisation : Pour les juniors, tumeurs des segments S2, S1 et S6 sont moins bien localisées : La probabilité d accord intra groupe diminue de manière significative (p<0,01 pour S1, p<0,001 pour S2 et S6) Mais ces erreurs de localisation n influencent pas la probabilité globale d accord avec l A Pour les séniors, tumeurs du S3 sont plus difficiles à localiser : La probabilité d accord inter groupe diminue pour le segment 3 de manière significative (p<0,01), de la même façon pour les deux experts Ces erreurs de localisation influencent le probabilité d accord global avec l A Volume des lésions : La probabilité d'accord J/A comme E/A est indépendante du volume des lésions Même pour les segments 2 et 3, la probabilité d accord ne dépend pas de la taille des lésions

21 Discussion Avantages de la méthode Validation de l hypothèse : méthode utilisable par n importe opérateur formé à l identification des points de repères : Les juniors ne maitrisant pas l anatomie segmentaire hépatique ont une très bonne reproductibilité inter groupe et accord/adjudicateur (κ) excellent => tâche pouvant être confiée à des manipulateurs sans formation particulière? De plus Méthode toujours possible quelque soit le rehaussement vasculaire portal Utilisable avec les images DICOM d un autre centre Durée courte, de l ordre de 5 min pour juniors comme pour adjudicateur Fonctionne quel que soit l anatomie portale du patient (variantes) car utilise principalement des repères «surfaciques» (ligamentaires) Conforme à l approche chirurgicale car utilise des repères identiques à ceux du chirurgien en per opératoire

22 Discussion Limites de la méthode Il ne s agit pas d une «vraie» segmentation anatomique au sens strict puisqu elle n est pas basée sur la perfusion portale en pratique, peu important car très similaire aux approximations opératoires : radiologue et chirurgien «coupent» aux mêmes endroits Localisation segmentaire souvent imprécise pour segments II et III mais de même, en pratique, souvent peu important d un point de vue chirurgical, les mono-segmentectomies II ou III étant très rares Utilisable pour le moment uniquement avec scanner Or l évaluation pré-interventionnelle précise avant chirurgie comme avant ablation percutané repose souvent une IRM. Une évolution logicielle est attendue pour obtenir la délimitation automatique des contours du foie, seule fonctionnalité nécessaire pour mettre en œuvre le principe de segmentation semi-automatique à partir d images IRM

23 Conclusion Preuve de la capacité du logiciel à fournir une localisation fiable et reproductible des tumeurs dans le foie grâce à quelques repères simples. => Désormais intégrée à Philips Intellispace Portal

24 Perspectives Délégation de la tâche segmentation aux manipulateurs? même si n est pas très chronophage pour le radiologue Simplification de la prise de décision simplifiée en concertation multidsiciplinaire discuter en direct, à partir d une segmentation préalablement réalisée, de l opérabilité et des différentes options chirurgicales modification en «live» du plan thérapeutique Extension de l utilisation à la planification pré thérapeutique des ablations percutanées Voie d abord, type d aiguille (longueur, ) Modélisation du volume d ablation Répérage des structures à risques/volume d ablation Déjà réalisé en pratique dans notre équipe

25 BIBLIOGRAPHIE 1. Gruttadauria S et al. Significance of the effective remnant liver volume in major hepatectomies. Am Surg Mar;71(3): Shindoh J, et al. Optimal future liver remnant in patients treated with extensive preoperative chemotherapy for colorectal liver metastases. Ann Surg Oncol Aug;20(8): Epub 2013 Feb 3 3. Mentha G, Terraz S et al. Liver Dis. Operative management of colorectal liver metastases. Semin Liver Dis Aug;33(3): Fischer L, Cardenas C, et al. Limits of Couinaud's liver segment classification: a quantitative computer -based three-dimensional analysis. J Comput Assist Tomogr Nov-Dec;26(6): Fischer, L et al. Limits of Couinaud's Liver Segment Classification: A Quantitative Computer-Based Three-Dimensional Analysis. Journal of Computer Assisted Tomography Nov 2002; 26 (6): Rieker O, Klos G, et al. Automatic classification of liver segments according to Couinaud: development of a new algorithm and evaluation spiral CT data. Rofo Dec;175(12): Simon A. W. G. Dello Æ. Liver Volumetry Plug and Play: Do It Yourself with ImageJ W orld J Surg (2007) 31: