Guidance and control of a robotized needle for prostate brachytherapy
Guidage robotisé d'une aiguille flexible sous échographie 3D pour la curiethérapie de la prostate
Résumé
In France, 25% to 30% of the 40,000 prostate cancer cases per year are treated with brachytherapy. During this procedure, about thirty needles are manually inserted into the prostate through the perineum using ultrasound images to locate the prostate and needles. Radioactive seeds are then inserted into the prostate specific pre-planned locations using needle cannula. The success of the operation is closely related to the distribution and homogeneity of the radioactive dose distribution in the prostate, therefore the precision with which the seeds are positioned. This accuracy is affected by many factors. Firstly, the prostate moves and deforms due to the insertion of the needles and to the movements of the ultrasonic probe. Secondly, the size of the prostate increases due to tissue inflammation and bleeding. Finally, the needles are very thin and could bend during insertion.The TIMC-IMAG laboratory (CAMI team) has developed a robotic system for transperineal needle insertion. This system is guided by 3D ultrasound to improve the precision, reliability and efficiency of the radioactive source positioning. These works showed a first proof of concept using a laboratory prototype. However the current approach can only partially correct prostate movements and deformations using 3D imaging methods. The correction does not take advantage of the rich information of this imaging modality: only the insertion depth is changed during the gesture. LIRMM (DEXTER team) recently developed an adaptive planning approach to guide a flexible needle during its insertion in percutaneous procedures. The proposed technique allows to update the path followed by the needle using online information from the visual feedback. This planning and control approach forms a closed-loop architecture and allows to compensate system disturbances (organ deformities, tissue inhomogeneity, etc.).The purpose of this thesis is to combine the expertise of the two laboratories to provide a flexible needle steering system for prostate brachytherapy purposes. This objective is achieved first by developing a needle tracking algorithm in 3D ultrasound. This algorithm deals with low visibility of the needles offered by this imaging modality, combined with various noises. These conditions complicate the detection of the needle. In order to improve the robustness of our algorithm, a search area is defined to detect the needle in the volume. This area is then determined by a predictive model, which is a first contribution of this manuscript. Control of the closed-loop planning needle is adapted to the specifications of the 3D ultrasound imaging system as well as those of the previously developed robot. This control is coupled to the needle visual feedback given by the detection algorithm. This device is tested on phantoms then on anatomical specimen to assess the viability and relevance of the proposed system.This work is therefore a first step towards a future clinical application of flexible needle steering. The entirely automatic insertion of flexible needle in clinic is a distant dream. However, the idea of an assistance system for needle insertion, where the clinician and the robot work together, is reachable from now.
La curiethérapie constitue 25% à 30% des opérations de traitement utilisées sur les 40.000 cas de cancer de prostate par an en France. Elle consiste à mettre manuellement une trentaine d'aiguilles creuses dans la prostate, à travers le périnée, en utilisant des images échographiques pour localiser la prostate et les aiguilles. Au moyen de ces aiguilles, des grains radioactifs sont insérés dans la prostate à des endroits précis pré-planifiés grâce à l'imagerie. Le succès de l'opération est étroitement lié à la répartition et l'homogénéité de la dose radioactive répartie dans la prostate, donc à la précision avec laquelle les grains y sont placés. Cette précision est affectée par plusieurs facteurs. Premièrement, la prostate bouge et se déforme pendant l'insertion des aiguilles et lors des déplacements de la sonde échographique pour les acquisitions d'images. Deuxièmement, la taille de la prostate est susceptible d'augmenter pendant l'opération à cause des saignements occasionnés. Enfin, les aiguilles sont très minces et susceptibles de se courber pendant leur insertion.Le laboratoire TIMC-IMAG (équipe GMCAO) a mis au point un système robotisé d'insertion d'aiguilles transpérinéale, guidé par échographie 3D avec le but d'améliorer la précision, la fiabilité et l'efficacité de la pose des grains. Ces travaux ont montré une première faisabilité globale de l'approche avec un premier prototype de laboratoire. Cependant l'approche actuelle permet de corriger seulement en partie les bougés et déformations de la prostate en cours de geste grâce au couplage avec des méthodes d'imagerie 3D. La correction ne tire pas parti des informations très riches issues de l'imagerie : seule la profondeur d'insertion est modifiée pendant le geste. Le LIRMM (équipe DEXTER) a développé récemment une approche de planification adaptative pour le guidage d'aiguille flexible lors de leur insertion dans des procédures percutanées. La technique proposée permet la mise à jour du chemin suivi par l'aiguille en intégrant des informations obtenues en ligne par un retour visuel. Cette stratégie de planification et de contrôle est définie dans une architecture en boucle fermée et permet ainsi de compenser les incertitudes du système et les perturbations (déformations des organes, inhomogénéité des tissus, etc) auxquelles il est soumis.Le but de ces travaux de thèse est donc de coupler les savoir-faire de chacun des deux laboratoires afin d’apporter une solution de guidage d’aiguilles flexibles pour la curiethérapie de prostate. La réalisation de cet objectif passe, dans un premier temps, par l’élaboration d’un algorithme de suivi d’aiguille sous échographie 3D. Cet algorithme est confronté à la faible visibilité des aiguilles offerte par cette modalité d’imagerie, associée à diverses sources de bruit. Ces conditions rendent très difficile la détection de l’aiguille. Dans le but d’améliorer la robustesse de cet algorithme, la zone de recherche de l’aiguille dans le volume est déterminée par un modèle prédictif, qui constitue une première contribution de ce manuscrit. Le contrôle de l’aiguille par planification en boucle fermée a été adapté aux spécificités de l’imagerie échographique 3D ainsi qu’à celles du robot développé précédemment. Ce contrôle est couplé au retour visuel de l’aiguille donné par l’algorithme de détection. Ce dispositif a, par la suite, été testé sur fantômes puis sur pièce anatomique afin de déterminer la viabilité et la pertinence du système proposé.Ce travail constitue donc une première étape vers une future application clinique du guidage d’aiguilles flexibles. Si voir un système robotique insérer seul une aiguille flexible en clinique est encore un rêve lointain, l’idée d’un système d’assistance à l’insertion d’aiguille, où le clinicien et le robot travaillent de pairs, est une solution envisageable dès maintenant.
Origine : Version validée par le jury (STAR)