Méthode de mesure automatique intraopératoire des déformations du rachis scoliotique

RÉSUMÉ La scoliose idiopathique de l'adolescence est une pathologie complexe et évolutive entraînant une déformation tridimensionnelle du rachis, de la cage thoracique et du bassin. Cette pathologie affecte 2 à 4% de la population adolescente. Dans le cas de scolioses sévères, un traitement chirurgical est recommandé. L’imagerie radiographique est la technique la plus répandue pour le diagnostic et le suivi des effets de cette pathologie. De plus, des outils de reconstruction 3D du rachis à partir de radiographies du patient sont actuellement disponibles avant la chirurgie pour permettre une caractérisation bi- et tridimensionnelle des déformations scoliotiques ainsi que la planification des manoeuvres d'instrumentation. Les modèles 3D préopératoires ne sont pas directement utilisables pendant la chirurgie puisqu'il y existe un changement des courbures scoliotiques dû à la position allongée, à l'exposition chirurgicale et à l'anesthésie. Plusieurs systèmes de suivi ont été testés pour suivre le changement de forme du rachis et le mouvement des vertèbres en intraopératoire : mécaniques, optoélectroniques, électromagnétiques, ultrasons, radiographiques. Ces systèmes permettent de détecter la position des vertèbres pendant la chirurgie et peuvent être utilisés pour la mise à jour de modèles 3D préopératoires. Pour ce faire, ils requièrent l'installation de marqueurs sur les vertèbres ou l'identification manuelle de points anatomiques pendant la chirurgie, ce qui peut interférer avec la procédure chirurgicale. Ainsi, des systèmes d'imagerie et de navigation intraopératoires sont actuellement disponibles pour visualiser les déformations 3D du rachis et guider les manoeuvres d'instrumentation de façon sûre et précise. Cependant, à partir de ces systèmes, il n'est pas encore possible de quantifier en intraopératoire les déformations scoliotiques et la correction résultant des manoeuvres d'instrumentation. Ce projet de maîtrise visait à développer une technique permettant la mesure intraopératoire automatique des déformations scoliotiques afin de fournir au chirurgien des données quantitatives exploitables pour évaluer et améliorer la stratégie chirurgicale. Globalement, le calcul des déformations scoliotiques 3D a été effectué grâce à la mise à jour d'un modèle géométrique préopératoire à partir d'images fluoroscopiques 3D intraopératoires. De façon plus précise, un modèle géométrique préopératoire a été construit à partir de 28 repères anatomiques vertébraux identifiés manuellement par un opérateur sur des radiographies biplanaires en position érigée avant la chirurgie. Ces points ont été utilisés pour obtenir un modèle----------ABSTRACT Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a complex and progressive pathology leading to threedimensional deformities of the spine, rib cage and pelvis. This pathology affects 2 to 4% of the adolescent population. In the case of severe scoliosis, a surgical treatment is required. Radiographic imaging is mostly used for the diagnosis and the monitoring of scoliosis. 3D reconstruction of the spine from patient’s radiographs is currently available to enable the twoand three-dimensional characterization of scoliotic deformities and planning of the instrumentation maneuvers. The 3D preoperative models can’t be directly used during surgery since there is a change in the scoliotic curvature caused by the prone positioning, the surgical exposure and the anesthesia. Several tracking systems have been tested to monitor the spinal shape changes and follow the intraoperative motion of the vertebrae: optoelectronics or electromagnetics systems, ultrasounds, radiographs. These systems enable the tracking of the intraoperative positioning of the vertebrae, and can be used to update 3D preoperative models. This requires the installation of external markers on vertebrae or the manual identification of anatomic points during surgery, which can interfere with the surgical procedure. Imaging and navigation systems are then currently available to visualize the 3D deformities of the spine and to safely and precisely guide the instrumentation maneuvers. Nevertheless, these systems do not enable the quantification of the intraoperative scoliotic deformities and the correction resulting from instrumentation maneuvers. This project aimed to develop a technique that enables the automatic intraoperative measurement of the scoliotic deformities, in order to provide the surgeon with quantitative feedback to evaluate and improve the surgical strategy. The 3D scoliotic deformities were computed by registering a preoperative geometric model with intraoperative 3D fluoroscopic images of the spine. More precisely, a preoperative geometric model was constructed from 28 vertebral landmarks manually identified by an operator on biplanar radiographs acquired preoperatively in standing position. These landmarks were used to obtain a surface model of each vertebra though a dual kriging interpolation technique. The intraoperative model was computed by the registration between this preoperative geometric model and the intraoperative data, composed of a voxelized model obtained from 3D fluoroscopic images. Each vertebra of the voxelized model was segmented and manually identified on intraoperative 3D fluoroscopic images. A rigid registratio

Moneta. Storia non lineare di un oggetto istituzionale

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Introduzione

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New intraoperative simulator of navigated surgeries of the scoliotic spine: first results

OBJECTIF Développer un nouveau simulateur numérique intra-opératoire pour la chirurgie naviguée du rachis scoliotique. MÉTHODES Une stratégie d’instrumentation (insertion des vis pédiculaires, attachement d’une tige et dérotation, et serrage des vis) a été simulée numériquement pour un modèle synthétique de rachis scoliotique à partir de ses radiographies en position érigée respectant les conditions pré-opératoires. Le positionnement intra-opératoire en décubitus ventral a été simulé, et ensuite identifié à partir d’un appareil d’imagerie fluoroscopique 2D/3D intra-opératoire et un système de navigation chirurgicale. La nouvelle géométrie du rachis scoliotique a été transmise au simulateur, ce qui a permis de mettre à jour la planification pré-opératoire du positionnement des vis, le calcul des indices cliniques (angles de Cobb, etc.), et la simulation des manœuvres chirurgicales. Les positions des vis, mises à jour dans le simulateur conformément à la nouvelle géométrie intra-opératoire, ont été transférées sur les images fluoroscopiques pour permettre de guider les trajectoires d’insertion grâce au système de navigation. RÉSULTATS L’angle de Cobb a diminué de 34° à 24° entre les géométries simulées pré- et intra-opératoires avant l’instrumentation. La nouvelle simulation des manœuvres d’attachement et de dérotation de la première tige a réduit l’angle de Cobb à 12°. La différence de positionnement des vis pédiculaires entre la planification réalisée dans le simulateur et la situation per-opératoire représentée sur les images fluoroscopiques est inférieure à 1 mm. CONCLUSION Cette étude est une première étape vers le développement d’un simulateur intégré pour la planification pré-opératoire et la navigation intra-opératoire de la chirurgie du rachis scoliotique. Le nouveau simulateur intraopératoire permettra au chirurgien d’obtenir des rétroactions biomécaniques en temps réel pendant la chirurgie naviguée d’un rachis scoliotique, et pourra être utilisé pour améliorer la correction finale obtenue et le choix des paramètres de l’instrumentation (niveaux instrumentés, manœuvres chirurgicales, efforts générés dans le montage, etc.)

Intra‐operative automatic measurement of 3D scoliotic deformities: First results

Intra‐operative automatic measurement of 3D scoliotic deformities: First result

Automatic quantification of intraoperative scoliotic spine indices

INTRODUCTION En chirurgie du rachis scoliotique, les systèmes d’imagerie 2D/3D intra-opératoires sont utiles pour aider le chirurgien pendant l’opération. Cependant, il n’est pas encore possible de quantifier en intra-opératoire les déformations 3D de la colonne et la correction résultante des manœuvres d’instrumentation. Le projet vise à développer une nouvelle méthode de quantification automatique intra-opératoire des déformations 3D du rachis scoliotique. MÉTHODES Un rachis scoliotique synthétique a été radiographié en position debout, simulant les conditions pré-opératoire. À partir de l’identification manuelle des repères anatomiques vertébraux sur les radiographies, un modèle géométrique du rachis a été développé, ce qui a permis le calcul des indices cliniques définissant les déformations scoliotiques (angles de Cobb, etc.). Le positionnement en décubitus ventral d’un rachis scoliotique synthétique a été simulé et ensuite identifié à partir d’un appareil d’imagerie fluoroscopique 2D/3D intra-opératoire. Les images fluoroscopiques ont permis d’obtenir un modèle surfacique de la posture intra-opératoire du rachis à partir de nouveaux outils de traitement d’images développés pour le projet (segmentation et reconstruction 3D). Le modèle surfacique intra-opératoire a été recalé avec le modèle géométrique pré-opératoire du rachis. L’algorithme de recalage ICP (Iterative Closest Points) a permis le calcul de transformations géométriques nécessaires pour mettre à jour pour chaque vertèbre la position des repères anatomiques identifiés en pré-opératoire. Ces repères anatomiques peuvent être utilisés pour quantifier en intra-opératoire les déformations 3D du rachis. RÉSULTATS Grâce aux nouveaux outils numériques de segmentation des images fluoroscopique 3D et reconstruction 3D automatique, le modèle géométrique obtenu présente une différence plus petit de 1 mm par rapport au rachis scoliotique synthétique. Le nouvel algorithme de recalage a permis de calculer la position de tous les repères anatomiques sans intervention d’un opérateur. Des tests sont en cours de réalisation afin de évaluer la précision et la reproductibilité des outils utilisés. CONCLUSION Les résultats préliminaires obtenus représentent une première étape vers la quantification automatique des déformations 3D du rachis scoliotique en intra-opératoire. Une fois validé, le calcul des indices géométriques permettra de fournir au chirurgien des rétroactions pour améliorer la stratégie opératoire

New intraoperative simulator of navigated surgeries of the scoliotic spine: first results

INTRODUCTION En chirurgie du rachis scoliotique, les systèmes de navigation sont utiles pour planifier le positionnement des vis pédiculaires et guider les trajectoires d'insertion. Cependant, il n'est pas encore possible de prédire en intraopératoire la correction du rachis scoliotique résultant des manoeuvres d'instrumentation. L'objectif du projet est de développer un nouveau simulateur numérique intraopératoire pour la chirurgie naviguée du rachis scoliotique. MÉTHODES Une stratégie d’instrumentation (insertion des vis pédiculaires, attachement d’une tige et dérotation, et serrage des vis) a été simulée numériquement pour un modèle synthétique de rachis scoliotique à partir de ses radiographies en position érigée respectant les conditions préopératoires. Le positionnement intra-opératoire en décubitus ventral a été simulé, et identifié à partir d’un appareil d’imagerie fluoroscopique 2D/3D intraopératoire et un système de navigation chirurgicale. La nouvelle géométrie du rachis scoliotique a été transmise au simulateur, ce qui a permis de mettre à jour la planification préopératoire du positionnement des vis, le calcul des indices cliniques (angles de Cobb, etc.), et la simulation des manœuvres chirurgicales. Les positions des vis, mises à jour dans le simulateur conformément à la nouvelle géométrie intraopératoire, ont été transférées sur les images fluoroscopiques pour permettre de guider les trajectoires d’insertion grâce au système de navigation. RÉSULTATS L’angle de Cobb a diminué de 34° à 24° entre les géométries simulées pré- et intraopératoires avant l’instrumentation. La nouvelle simulation des manœuvres d’attachement et de dérotation de la première tige a réduit l’angle de Cobb à 12°. La différence de positionnement des vis pédiculaires entre la planification réalisée dans le simulateur et la situation peropératoire représentée sur les images fluoroscopiques est inférieure à 1 mm. CONCLUSION Cette étude est une 1ère étape vers le développement d’un simulateur intégré pour la planification préopératoire et la navigation intraopératoire de la chirurgie du rachis scoliotique. Le nouveau simulateur intraopératoire permettra au chirurgien d’obtenir des rétroactions biomécaniques en temps réel pendant la chirurgie naviguée d’un rachis scoliotique, et pourra être utilisé pour améliorer la correction finale obtenue et le choix des paramètres de l’instrumentation (niveaux instrumentés, manœuvres chirurgicales, efforts générés, etc.)