Automatic Computation of Electrodes Trajectory for Deep Brain Stimulation

International audienceIn this paper, we propose an approach to find the optimal position of an electrode, for assisting surgeons in planning Deep Brain Stimulation. We first show how we formalized the rules governing this surgical procedure into geometric constraints. Then we explain our method, using a formal geometric solver, and a template built from 15 MRIs, used to propose a space of possible solutions and the optimal one. We show our results for the retrospective study on 8 implantations from 4 patients, and compare them with the trajectory of the electrode that was actually implanted. The results show a slight difference with the reference trajectories, with a better evaluation for our proposition

De la neurochirurgie guidée par l'image,<br />au processus neurochirurgical assisté par la connaissance et l'information

La totalité des services français de neurochirurgie est aujourd'hui équipée de systèmes de neuronavigation. Ces systèmes de chirurgie guidée par l'image permettent le lien direct entre le patient, en salle d'opération, et ses images pré opératoires ; c'est-à-dire que le neurochirurgien, en salle d'opération et à tout instant, connaît, à partir d'un point désigné sur le patient par un outil, le point correspondant dans ses images d'IRM ou de Scanner X. Ceci est possible grâce à des localisateurs tridimensionnels et des logiciels de recalage d'images. Les bénéfices de tels systèmes pour le patient ont déjà été montrés. Ils rendent notamment la chirurgie plus sûre et moins invasive.Il est important de considérer le concept de chirurgie guidée par l'image comme un processus qui ne se réduit pas à la seule étape de réalisation du geste chirurgical. Depuis près d'une dizaine d'années, il existe un consensus sur l'importance de l'étape de préparation pour anticiper la réalisation du geste. Ce processus peut aussi inclure des étapes de choix de la stratégie chirurgicale, de simulation ou de répétition du geste et de suivi post opératoire du patient. Chaque étape de ce processus se fonde sur des observations liées au patient, comme ses images pré opératoires, sur des connaissances génériques explicites, comme des livres ou des atlas numériques d'anatomie, et sur des connaissances implicites résultant de l'expérience du chirurgien. Malgré cela, dans les systèmes actuels de chirurgie guidée par l'image, la seule information explicite utilisée est, le plus souvent, réduite à une simple imagerie anatomique. Alors que si l'on introduisait dans ces systèmes les images multimodales du patient, on prendrait mieux en compte la complexité anatomique, physiologique et métabolique des structures cérébrales. Sans compter que dans ces systèmes, la préparation de la procédure chirurgicale se réduit principalement à la définition de la cible et d'une trajectoire d'accès rectiligne. Si l'on considérait la procédure comme une succession d'étapes et d'actions, on permettrait au neurochirurgien de mieux préparer et, donc, de mieux réaliser son geste. Son savoir-faire implicite pourrait être explicité. Enfin, ces systèmes ne tiennent pas compte des déformations anatomiques intra opératoires dues, notamment, au geste chirurgical. Ainsi, les images pré opératoires du patient deviennent rapidement obsolètes et ne correspondent plus à la réalité anatomique du patient.Il existe donc un fossé entre la chirurgie telle qu'elle est vue par ces systèmes et la réalité chirurgicale. C'est ce fossé que je cherche à combler.Mes travaux de recherche se situent dans le domaine du génie biologique et médical. Ils incluent des aspects liés au traitement d'images et à l'informatique médicale. Le domaine d'application est la neurochirurgie. Les méthodes mises en oeuvre dans les travaux que je présenterai s'appuient sur un concept de coopération entre observations et connaissances. Ainsi, sur l'aspect observations, je présenterai l'introduction d'images multimodales du patient, dans le processus chirurgical, qu'elles soient pré ou intra opératoires. Sur l'aspect connaissances, je présenterai une démarche qui permet de formaliser certaines connaissances relatives à la neurochirurgie.La méthodologie de recherche que j'ai utilisée suit une approche itérative, où l'application clinique est centrale. A partir des connaissances médicales, les spécifications d'un nouveau projet sont définies. Ces spécifications entraînent le développement de nouvelles méthodes et leur implémentation par le biais d'un prototype d'application. Ce prototype permet, grâce àune utilisation pré clinique, d'évaluer ces méthodes. Cette implémentation et cette phase d'utilisation autorisent aussi un retour vers la méthode, pour vérifier la pertinence des choix réalisés et pour contribuer à son amélioration. Enfin, cette boucle permet une validation des connaissances initiales et un possible enrichissement de celles-ci. Les objectifs de mes recherches sont donc, à la fois, l'élaboration de nouveaux systèmes d'intérêt thérapeutique et la génération de nouvelles connaissances chirurgicales.Ce document aborde trois domaines principaux : la neurochirurgie guidée par l'image, la neurochirurgie guidée par l'information et la validation des outils de traitement d'images médicales en chirurgie guidée par l'image. Pour chacun de ces domaines, je présenterai le contexte et l'état de l'art, les contributions personnelles apportées au domaine et ses perspectives d'évolution.Dans le premier chapitre, je présenterai comment l'imagerie médicale peut assister la chirurgie. Pour cela, j'introduirai les méthodes de traitement d'images, plus particulièrement le recalage et la fusion d'images médicales. Ces dernières sont incontournables en neurochirurgie guidée par l'image, le principe même de ce type de chirurgie étant cette mise en correspondance géométrique entre repère des images et repère du patient. Puis, je présenterai le principe du processus chirurgical assisté par l'image, en décrivant les différentes étapes mises en jeu dans un tel processus. Je présenterai mes contributions : 1) l'introduction du concept de neuronavigation multimodale et multi informationnelle, et 2) l'introduction du concept de virtualité augmentée, en complément aux approches de réalité augmentée.Dans le deuxième chapitre, je présenterai le concept récent de chirurgie guidée par l'information, qui s'appuie sur une formalisation du processus chirurgical et des connaissances associées. Nous verrons que ce processus peut être étudié selon différents angles, chaque angle d'étude correspondant à un objectif applicatif précis. Je présenterai une méthodologie complète permettant supervision et apprentissage par : 1) la prise en compte, dans le processus de chirurgie guidée par l'image multimodale, de certaines connaissances implicites du chirurgien, notamment liées à son expertise chirurgicale, en les rendant explicites, et 2) la génération de connaissances sur la chirurgie.Les deux premiers chapitres démontrent comment il peut être intéressant de faire coopérer images et connaissances. Dans le troisième chapitre, nous proposerons d'appliquer ce concept de coopération entre observations et connaissances au contexte des déformations anatomiques intra opératoires. Nous montrerons la complexité de ce phénomène, et de ses causes, et les limites des méthodes présentées dans la littérature. Nous décrirons succinctement comment ce concept pourra être appliqué dans le cadre d'un projet de recherche qui débute.Dans le quatrième chapitre, j'insisterai sur l'importance de la validation des outils de traitement d'images en chirurgie guidée par l'image. J'introduirai la terminologie et la méthodologie liées à la validation principalement technique des outils de traitement d'images, en soulignant le besoin de standardisation. Je présenterai mes contributions au domaine : la définition d'une méthodologie standardisée pour la validation des méthodes de recalage d'images médicales, basée sur la comparaison avec une référence.Je terminerai, dans le cinquième chapitre, par une ébauche de description des évolutions à court et à long terme de la chirurgie, s'inspirant des réflexions et résultats des chapitres précédents

Comparison of junction temperature evaluations in a power IGBT module using an IR camera and three thermo-sensitive electrical parameters

The measurement of the junction temperature with thermo-sensitive electrical parameters (TSEPs) is largely used by electrical engineers or researchers but the obtained temperature value is generally not verified by any referential information of the actual chip temperature distribution. In this paper, we propose to use infrared (IR) measurements in order to evaluate the relevance of three commonly used TSEPs with IGBT chips: the saturation voltage under a low current, the gate-emitter voltage and the saturation current. The IR measurements are presented in details with an estimation of the emissivity of the black paint deposited on the power module. The temperatures obtained with IR measurements and with the different TSEPs are then compared in two cases: the use of only one chip and the use of two paralleled chips

A surface registration approach for video-based analysis of intraoperative brain surface deformations.

Anatomical intra operative deformation is a major limitation of accuracy in image guided neurosurgery. Approaches to quantify these deforamations based on 3D reconstruction of surfaces have been introduced. For accurate quantification of surface deformation, a robust surface registration method is required. In this paper, we propose a new surface registration for video-based analysis of intraoperative brain deformations. This registration method includes three terms: the first term is related to image intensities, the second to Euclidean distance and the third to anatomical landmarks continuously tracked in 2D video. This new surface registration method can be used with any cortical surface textured point cloud computed by stereoscopic or laser range approaches. We have shown the global method, including textured point cloud reconstruction, had a precision within 2 millimeters, which is within the usual rigid registration error of the neuronavigation system before deformations

Intra-operative Registration for Stereotactic Procedures driven by a combined Biomechanical Brain and CSF Model

International audienceDuring stereotactic neurosurgery, the brain shift could affect the accuracy of the procedure. However, this deformation of the brain is not often considered in the pre-operative planning step or intra-operatively, and may lead to surgical complications, side effects or ineffectiveness. In this paper, we present a method to update the pre-operative planning based on a physical simulation of the brain shift. Because the simulation requires unknown input parameters, the method relies on a parameter estimation process to compute the intracranial state that matches the partial data taken from intra-operative modalities. The simulation is based on a biomechanical model of the brain and the cerebro-spinal fluid. In this paper, we show on an anatomical atlas that the method is numerically sound

Intra-operative Registration for Deep Brain Stimulation Procedures based on a Full Physics Head Model

International audienceBrain deformation is a factor of inaccuracy during stereotactic neurosurgeries. If this phenomenon is not considered in the pre-operative planning or intra-operatively, it could lead to surgical complications, side effects or ineffectiveness. In this paper, we present a patient-specific method to update the pre-operative planning based on a physical simulation of the brain shift. A minimization process estimates parameters of the simulation in order to compute the brain tissue deformation matching the partial data taken from intra-operative modalities. The simulation is based on a patient-specific biomechanical model of the brain and the cerebro-spinal fluid. We validate the method on a patient with a post-operative MRI