Modèle 3D personnalisable et imprimable pour la simulation et la planification de chirurgies de la base du crâne par voie endonasale.

3D personalizable and printable model for planning and simulation of endonasal skull base surgery

• Auteur / Autrice : Valentin Favier
• Direction : Guillaume Captier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biostatistique
• Date : Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Louis Crampette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Captier, Louis Crampette, Guillaume De Bonnecaze, Jean-Marie Moureaux, Manuela Perez, Florence Zara, Patrice Gallet, Gérard Subsol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume De Bonnecaze, Jean-Marie Moureaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recalage d'images

Médecine personnalisée

Base du crâne

Biomécanique

Mots clés libres

Simulation chirurgicale

Aide à la décision

Médecine personnalisée

Recalage d'images

Base du crâne

Biomécanique

Decision-Making tool

Biomechanics

Skull base

Image registration

Personalized medicine

Surgical simulation

Résumé

La base du crâne est une région anatomique difficile d’accès. Elle constitue la partie inférieure de la boite crânienne sur laquelle repose l’encéphale et présente de nombreux foramens, qui permettent le passage des nerfs crâniens et des vaisseaux vers la face ou le cou. Sa portion antérieure et médiane, la base du crâne paranasale (BCPN), peut être abordée de façon endoscopique à travers les fosses nasales et les sinus paranasaux. Malgré le caractère exigu de cette voie d’abord, il est possible de traiter des processus tumoraux ou infectieux par voie endoscopique endonasale. Ce type de chirurgie permet une approche moins invasive, sans rançon cicatricielle et avec des suites opératoires plus simples. L’apprentissage chirurgical des procédures endoscopiques de la BCPN est toutefois un challenge, puisqu’il faut apprendre l’anatomie complexe et la manipulation des instruments dans cet espace restreint. La simulation de ces procédures chirurgicales a un rôle important pour la formation des chirurgiens, mais aussi pour la planification d’interventions plus complexes. Plusieurs simulateurs virtuels comme synthétiques ont déjà été créés pour répondre à cette nécessité de formation. Cependant, aucun n’a démontré sa fiabilité sur le plan du comportement mécanique en comparaison à l’os humain. Or, un simulateur mal conçu pourrait conduire l’apprenant à appliquer des forces aberrantes au bloc opératoire (du fait de l’apprentissage de gestes inadaptés), ce qui risquerait d’endommager des structures anatomiques nobles (nerfs optiques, artères carotides internes…). Cette thèse propose de traiter les étapes préliminaires à la création de modèles 3D personnalisables et imprimables pour la simulation et la planification de chirurgies de la BCPN par voie endonasale.L’anatomie de la BCPN est complexe et variable entre les individus, ce qui rend difficile la description d’une anatomie modale. Nous proposons en premier lieu dans ce travail une description des constantes anatomiques de cette région et une modélisation simple à visée pédagogique.Pour créer des modèles d’entraînement personnalisés, il est nécessaire d’extraire l’anatomie à partir de scanners de patients. Cette étape est actuellement majoritairement réalisée par segmentation manuelle. En effet, certaines parois osseuses de la BCPN ont une très faible épaisseur (100 µm) et l’acquisition par scanner X médical n’a pas une résolution suffisante pour détailler précisément ces parois. Cela induit un effet de volume partiel qui met en défaut la plupart des algorithmes de segmentation automatique. Il est donc nécessaire de développer des méthodes plus complexes et dédiées à cette application.Pour créer des modèles d’entraînement représentant une anatomie modale, nous proposons d’étudier l’anatomie modale de cette région par le recalage et la fusion d’une base de données de 150 scanners X réalisés chez des patients ne présentant pas de pathologie de la BCPN. La simulation de procédures chirurgicales et notamment endoscopiques, doit procurer des retours de force réalistes. Pour cela, il est important de se baser sur des données biomécaniques des tissus simulés, afin de reproduire au mieux leur comportement, que ce soit sur simulateur physique (matériau adapté) ou virtuel (retour haptique). Et pourtant, il n’existe aucune donnée biomécanique dans la littérature scientifique concernant les os de la BCPN, du fait de leur forme très complexe qui rend difficile l’utilisation de tests mécaniques conventionnels sur éprouvettes standardisées. Nous proposons donc de mettre en place des tests mécaniques dédiés aux os de la base du crâne, par l’utilisation de techniques de nano-indentation et de tests de traction couplés à une analyse en microtomographie.Enfin, nous discuterons les perspectives de ce travail et notamment la possibilité de générer de façon procédurale l’anatomie, ainsi que l’utilisation de simulateurs chirurgicaux imprimés pour la comparaison objective de voies d’abord chirurgicales.

It is difficult to access the skull region, which is the lower part of the cranial cavity on which the brain rests and presents numerous foramens, allowing the passage of cranial nerves and vessels to the face or neck. Its anterior and medial portion, which will be called the paranasal skull base (PNSB), can be approached endoscopically through the nasal cavity and paranasal sinuses. Despite the small size of this approach, it is possible to treat tumor or infectious processes by endoscopic endonasal approach. This type of procedures allows for a less invasive approach, without scarring and with better postoperative outcomes. However, Surgical training for PNSB endoscopic procedures remains a challenge, as one must learn the complex anatomy and instrument handling in this narrow space.The simulation of these surgical procedures has an important role to play in the training of surgeons, but also in the planning of more complex interventions. Several virtual as well as synthetic simulators have already been desgined to address this training need. However, none of them have demonstrated their reliability in terms of mechanical behavior compared to human bone. A poorly designed simulator could lead the learner to apply dangerous forces in the operating room (due to the learning of inappropriate gestures), which could damage noble anatomical structures (optic nerves, internal carotid arteries...).This thesis proposes to address the preliminary steps in the creation of customizable and printable 3D models for simulation and planning of endonasal PNSB surgeries.The anatomy of the PNSB is very complex and varies between individuals, making it difficult to describe a modal anatomy. In this work, we first propose a description of the anatomical constants of this region and a simple modeling for educational purposes.To create personalized training models, it is necessary to extract the anatomy from patient CT scans. This step is currently mostly performed by manual segmentation. Indeed, some bone walls of the PNSB have a very low thickness (100 µm) and the acquisition by CT scan does not have a sufficient resolution to detail precisely these walls. This induces a partial volume effect that defeats most automatic segmentation algorithms. It is therefore necessary to develop more complex methods dedicated to this application.In order to create training models representing a modal anatomy, we propose to study the modal anatomy of this region through the registration and fusion of a database of 150 CT scans performed on patients without sinus or basicranial pathology.The simulation of surgical procedures, especially endoscopic procedures, must provide realistic force feedback. To do so, it is important to use biomechanical data of the simulated tissues, in order to reproduce their behavior as well as possible, either on a physical simulator or virtual (haptic feedback). However, there is no biomechanical data in the scientific literature concerning the PNSB bones, due to their very complex shape which makes it difficult to use conventional mechanical tests on standardized specimens. We therefore propose to set up mechanical tests dedicated to skull base bones, using nano-indentation techniques and tensile tests associated with microtomography analysis.Finally, we will discuss the perspectives of this work and in particular the possibility of procedural generation of anatomy to create surgical simulators representing different anatomies, as well as the use of printed surgical simulators for the objective comparison of surgical approaches.