Développement d'un processus coopératif de traitement d'images ultrasonores pour le référencement géométrique de structures osseuses en chirurgie orthopédique

Design of a cooperative protocol to reference anatomical bone structures during orthopedic procedures via ultrasound imaging

• Auteur / Autrice : Agnès Masson-Sibut
• Direction : Éric Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du Signal et des Images
• Date : Soutenance le 31/01/2013
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents (Créteil)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gagey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amir Nakib, François Leitner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Passat, Alexandre Moreau-Gaudry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Imagerie ultrasonore

Chirurgie -- Informatique

Chirurgie orthopédique

Mots clés libres

Chirurgie Orthopédique Assistée par Ordinateurs

Segmentation

Système coopératif

Imagerie ultrasonore

Computer Assisted Orthopedic Surgery

Segmentation

Cooperative protocol

Ultrasound imaging

Résumé

La radiologie est actuellement la modalité d'imagerie la plus utilisée en chirurgie orthopédique, que ce soit en planification opératoire, en contrôle per-opératoire ou pour le suivi du patient. Un de ses inconvénients est de ne pas permettre un référencement géométrique des objets représentés. Il est donc impossible tout au long du processus chirurgical orthopédique, de mesurer précisément les modifications de géométrie des structures osseuses. En salle d'opération les instruments chirurgicaux sont référencés spatialement et permettent par palpations de points de référence une identification géométrique des structures osseuses. Ceci est limité au contexte chirurgical car ces palpations requièrent des incisions. Dans cette thèse, nous proposons d'introduire en chirurgie orthopédique une nouvelle approche fondée sur l'utilisation d'un capteur d'images ultrasonores dont le positionnement spatial est connu. Nous présentons une méthode d'analyse d'images ultrasonores qui aboutit à la détection des points de référence dans un contexte non chirurgical. Cet apport est fondamental car il introduit une continuité dans le contrôle précis de la géométrie des structures osseuses tout au long du processus chirurgical orthopédique de la planification opératoire jusqu'au suivi du patient. Pour déterminer la position des points de référence sur les images ultrasonores osseuses nous sommes passés par une étape intermédiaire consistant en la détection de l'interface osseuse par des approches fondées sur des modèles de contours. Devant la difficulté du problème lié à la très faible qualité des images ultrasonores osseuses, nous nous sommes orientés vers une approche coopérative innovante. Dès que la sonde est positionnée sur le patient, le système affiche en temps réel le contour détecté et le clinicien peut, par un mouvement continu de la sonde, faire converger le système vers une solution optimale au regard de son expertise et des propriétés images. La validation de nos algorithmes s'est tout d'abord effectuée en mode non coopératif sur une base de données contenant 651 images ultrasonores. Le meilleur algorithme fondé sur la recherche d'un chemin optimal parmi un ensemble de points de contours candidats a été validé en mode coopératif sur un prototype appelé PhysioPilot dédié à la mesure de paramètres physiologiques dans un contexte non chirurgical

X-rays remain the preferred imaging modality for orthopedic surgery for surgical planning, intra-operative control or patient follow-up. Nevertheless, it does not allow anatomical bone structures referencing. It is then impossible to control geometrical modifications of bone structures during the surgical process. However, surgical tools are referenced in the operating-room space and allow the surgeon to define anatomical structures geometrically by defining landmark positions. This process is only allowed during surgical procedures because it requires to do cuts on the patient. In this work, we propose a new approach using an ultrasound probe that is referenced in the operating-room space. We present an image processing algorithm to extract anatomical landmark position in a surgical context. It is a crucial improvement because it allows a complete patient follow-up from pre-operative planning to post-operative consults. To determine anatomical landmark positions on ultrasound images we added an intermediate step to extract the bone/soft tissues interface via several segmentation methods as active contours. Due to the low quality of ultrasound images we decided to design a innovative cooperative process. As the surgeon positions the ultrasound probe on the patient, the bone interface appears on the system screen in real time. Then the clinician can help the segmentation result to converge to the final solution by a soft movement of the probe. The validation of our work was performed on a database of 651 ultrasound images, in a non-cooperative way. The best algorithm that extracts the bone interface by defining the optimal path in a graph of potential candidates was validated with a cooperative protocol on a prototype called PhysioPilot, in order to perform physiological measurements in a non-surgical context