Robotized mosaicing of endomicroscopic images
Robotisation de la réalisation de mosaïques d'images endomicroscopiques
Résumé
Probe-based Confocal Laser Endomicroscopy (pCLE) is an imaging modality that requires placing a probe in contact with a tissue and provides real-time images of micrometer resolution. Many studies confirmed the clinical relevance of replacing physical biopsies by optical biopsies. In abdominal surgery, this technology could replace extemporaneous biopsies. The benefits are shorter operating time and less invasiveness. Classically, the clinicians analyze the cells themselves but also the relative organization of cellular structures to track possible cancer cells. However, it is not possible, for minimal invasiveness reasons, to have a small confocal probe that gives images of large regions with a micrometer resolution. As a result, the images field of view is too narrow to be used for clinical diagnosis by a pathologist. A solution is to sweep the probe on the tissue surface to collect a series of images that can be registered and stitched together using a mosaicking algorithm. Previous studies focus on the imaging part (ie the mosaicking algorithm). Little attention has been paid so far to the probe motion itself : most of the times the probe was moved manually using the fiberscope handles, for applications to gastroenterology, which gives poor control over the probe trajectory. Moreover, organs move due to breathing and peristaltis, and soft tissues deform under frictional contact of the probe. Our work focuses on the development of robotized minimally invasive instruments for performing optical biopsies on the organs of the abdominal cavity. First, a method for estimating the speed in the endomicroscopic images is described and evaluated (chapter 2). This method is then used to describe and model the soft tissue deformations under the probe frictional contact (chapter 3). A simple model using a single parameter is proposed, which allows to study further the tissue response when contacted by the moving probe. Ultimately, the spiral trajectory is found to be a good candidate for 1-dof scan of a surface. Also based on the speed estimation from chapter 2, a visual servo control scheme is proposed (chapter 4). It allows to control precisely the probe trajectory while rejecting the tissue deformations considered as a disturbance. A speed control loop is also proposed for precisely controlling the speed along a constrained spiral trajectory. Finally, these developments are applied to dedicated minimally invasive instruments. A general structure is proposed for the instruments, combining macroactuation for general navigation in the abdominal cavity, a system for physiological motion compensation, and micro-actuation for probe sweeping. Two micro-actuators are proposed : hydraulic actuation using micro-balloons and mechanic transmission for a constrained spiral trajectory. Ex vivo and in vivo experiments are successfully carried out to assess the robustness of the actuation scheme and control algorithms.
L'endomicroscopie confocale laser fibrée (pCLE, pour probe-based Confocal Laser Endomicroscopy) est une modalité d'imagerie qui permet d'obtenir des images d'un tissu en temps-réel, avec une résolution micrométrique, lorsque l'on place la sonde d'imagerie au contact de celui-ci. En chirurgie digestive, cette technologie peut être utilisée pour remplacer les biopsies extemporanées par des biopsies optiques, sans prélèvement de tissu. Ceci permet de réduire le temps opératoire et l'invasivité de l'opération. Généralement, afin de rendre un diagnostic clinique sur l'état cancéreux d'un tissu, les cliniciens analysent non seulement les cellules, mais également leur organisation relative. Cependant, pour des raisons techniques, il n'est pas possible d'avoir une sonde petite, donnant des images grand champ, et avec une résolution de l'ordre du micromètre. Ainsi, les images confocales sont la plupart du temps trop petites pour que les cliniciens puissent poser un diagnostic. Une solution possible à ce problème est de déplacer la sonde sur la surface du tissu afin de collecter une suite d'images que l'on recale afin grâce à un algorithme de mosaicing afin de reconstruire une image grand champ. Cette technique a fait l'objet de nombreuses études. Ces études ont essentiellement porté sur l'algorithme de mosaicing, et peu d'intérêt a été porté jusqu'à présent au mouvement de balayage de la sonde sur le tissu. La plupart du temps, ce mouvement est réalisé à la main en utilisant les manettes d'un fibroscope dans des applications de gastroentérologie. Ce type d'actionnement ne permet pas de contrôler la trajectoire de la sonde correctement, surtout en présence de mouvements physiologiques et de déformations des tissus sous l'action de la sonde. Notre travail porte sur la conception et le développement d'instruments minimalement invasifs robotisés permettant de réaliser des biopsies optiques dans la cavité abdominale. Premièrement, une méthode permettant d'estimer la vitesse dans les images endomicroscopiques est décrite et évaluée (chapitre 2). Cette méthode est alors utilisée pour mettre en évidence et modéliser les déformations des tissus mous lorsque la sonde est en mouvement à leur contact (chapitre 3). Un modèle phénoménologique simple utilisant un seul paramètre est proposé, ainsi qu'une procédure de calibration en ligne. Deux stratégies sont proposées afin de compenser les déformations, l'une utilisant une trajectoire ligne par ligne modifiée et l'autre utilisant un balayage en spirale qui permet de minimiser l'influence des déformations du tissu. Par ailleurs, un algorithme de commande par asservissement visuel est également proposé. Celui-ci est basé sur l'estimation de vitesse présentée dans le chapitre 2, et permet de contrôler précisément la position de la sonde tout en rejetant les déformations du tissus considérées comme une perturbation. Une variante de cet algorithme est également proposée pour contrôler la vitesse d'avance le long d'un balayage contraint à une trajectoire en spirale. On montre, lors d'expériences ex vivo réalisées avec un robot industriel de précision, que le bon contrôle de la position de la sonde le long de la trajectoire permet de réaliser des mosaïques significativement plus grandes que celles que l'on peut trouver dans la littérature existante. Enfin, les méthodes développées sont appliquées à des instruments minimalement invasifs. On propose ici une structure d'instrument qui combine des mouvements macroscopiques pour la navigation dans l'abdomen, un système passif de compensation des mouvements physiologiques, et un actionnement à l'échelle microscopique pour le balayage de la sonde. Deux systèmes de micro-actionnement sont proposés. Le premier utilise un actionnement hydraulique grâce à des micro-ballons et permet de réaliser des trajectoires arbitraires à la surface du tissu, tandis que le second a comme seul degré de liberté une rotation proximale qui est transformée en un mouvement de spirale grâce à un mécanisme distal. Des essais ex vivo et in vivo ont été menés avec succès afin de tester la précision et la robustesse des systèmes et algorithmes de commande proposés.
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