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

par Valentin Favier

Projet de thèse en Biostatistique

Sous la direction de Guillaume Captier et de Gérard Subsol.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec LBERC - Laboratoire de Biostatistique, Epidémiologie et Recherche Clinique (laboratoire) et de Biostatique, Epidémiologie clinique, Santé Publique et Information Médicale - BESPIM (equipe de recherche) depuis le 02-11-2017 .


  • 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. Elle présente de nombreux foramens qui mettent en communication la boite crânienne et la face en permettant le passage des nerfs crâniens et des vaisseaux ce qui rend son abord chirurgical délicat. Les fosses crâniennes moyenne et antérieure de la base du crâne peuvent être abordées de façon indirecte par leur face inférieure en passant par 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 trans-nasale. 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 trans-nasales est rendu difficile par la difficulté d'opérer à « 4 mains » (chirurgien sénior et junior) du fait de l'encombrement des instruments dans les fosses nasales. La simulation de ces procédures chirurgicales a donc un rôle important à jouer dans 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. Cette absence d'évaluation 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. Cette thèse propose de répondre à la demande de formation en chirurgie endoscopique de la base du crâne en créant des modèles d'entraînement réalistes, sur le plan anatomique et biomécanique, et personnalisables pour la simulation chirurgicale. Pour créer des modèles d'entraînement personnalisés, il est nécessaire d'extraire l'anatomie à partir de scanner. Cette étape est actuellement majoritairement réalisée par segmentation manuelle coupe par coupe. En effet, certaines parois osseuses de la base du crâne ont une très faible épaisseur (100 µm). L'acquisition par scanner médical n'ayant pas une résolution suffisante pour détailler précisément ces parois, leur densité n'est pas du même niveau que celle de l'os plus épais (effet de volume partiel). La segmentation automatique par seuillage global (sélection des voxels d'intensité déterminée comme de l'os) ne peut donc pas prendre en compte les fines parois, ce qui nécessite une segmentation manuelle chronophage. Il est donc nécessaire d'utiliser des méthodes plus complexes à base de seuillage local adaptatif ou de modèle déformable. Des modèles moyens de structures anatomiques de la base du crâne ont déjà été proposés mais ils restent partiels et surtout ils ne mettent pas en avant les variations dites topologiques. Nous proposons donc de formaliser et classifier les variations anatomiques des parois et reliefs osseux de la base du crâne afin de créer des atlas géométriques adaptés aux algorithmes de segmentation. Ainsi, nous obtiendrons un maillage (objet 3D résultant de la segmentation) moyen sur lequel sera répertoriée la topographie des variations anatomiques, et leurs variantes extrêmes possibles. La simulation de procédures chirurgicales et notamment endoscopiques, doit recréer des sensations tactiles réalistes (retour haptique). Nous proposons donc de mesurer les forces appliquées par les instruments sur les tissus durant ce type de chirurgie. Ainsi, on obtiendra un atlas 3D statistique hybride comportant des données anatomiques et biomécaniques des sinus et de la base du crâne. Cet atlas est un préalable nécessaire à la réalisation de simulateurs chirurgicaux fiables, physiques comme virtuels. Il sera ensuite nécessaire d'évaluer l'intérêt de tels simulateurs dans l'apprentissage chirurgical des étudiants. Enfin, nous prévoyons de reproduire des processus pathologiques en simulation. Cela requiert d'évaluer les propriétés biomécaniques des tissus pathologiques, et de réaliser un travail sur la segmentation d'imageries médicales.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    The skull base is an anatomical region difficult to access. It is the lower part of the neurocranium on which the brain is placed.It presents many foramens that put in communication the cranial box and the face by allowing the passage of the cranial nerves and the vessels which makes its surgical approach difficult. Anterior and lateral fossae of the skull base can be approached indirectly through their lower surface through the nasal cavity and paranasal sinuses.Despite the small size of this approach, it is possible to treat tumoral or infectious processes by endoscopic trans-nasal route. This type of surgery allows a less invasive approach, without external scars and with simpler operating sequences. Surgical learning of endoscopic trans-nasal procedures is difficult because of the overcrowding of instruments in the nasal cavity preventing of operating on "4 hands" (senior and junior surgeon). The simulation of these surgical procedures therefore has an important role to play in the training of surgeons, but also for the planning of more complex interventions. Several virtual and synthetic simulators have already been created to meet this training need. However, none has demonstrated mechanical reliability in comparison to human bone. This lack of evaluation could lead the learner to apply aberrant forces in the operating room (as a result of the learning of inappropriate gestures), which could damage noble anatomical structures. This thesis proposes to meet the demand for training in endoscopic surgery of the skull base by creating realistic training models, anatomically and biomechanically, and customizable for surgical simulation. To create custom models, it is necessary to extract anatomy from a CT scan. This step is currently mainly carried out by manual segmentation cut by section. Indeed, some bone walls of the base of the skull have a very small thickness (100 microns). The acquisition by CT scan does not have a sufficient resolution to precisely detail these walls, their density is not the same level as that of the thicker bone (partial volume effect). Automatic segmentation by global thresholding (selection of intensity voxels determined as bone) can not take into account thin walls, which requires time-consuming manual segmentation. It is therefore necessary to use more complex methods based on adaptive local thresholding or deformable model. Average models of anatomical structures of the base of the skull have already been proposed but they remain partial and above all they do not put forward so-called topological variations. We propose to formalize and classify the anatomical variations of the walls and bone reliefs of the base of the skull in order to create geometric atlases adapted to the segmentation algorithms. Thus, we will obtain a mesh (3D object resulting from the segmentation) means on which will be listed the topography of anatomical variations, and their possible extreme variants. The simulation of surgical procedures, including endoscopic procedures, must recreate realistic tactile sensations (haptic feedback). We therefore propose to measure the forces applied by the instruments on the tissues during this type of surgery. Thus, we will obtain a hybrid statistical 3D atlas comprising anatomical and biomechanical data of the sinuses and the skull base. This atlas is a prerequisite for the realization of reliable surgical simulators, both physical and virtual. It will then be necessary to evaluate the interest of such simulators in the surgical learning of students. Finally, we plan to reproduce pathological processes in simulation. This requires evaluating the biomechanical properties of pathological tissues, and performing work on the segmentation of medical imaging.