Guidage robotisé d’une aiguille flexible sous échographie 3D pour la curiethérapie de prostate

In France in 2012, 25% to 30% of the 40,000 prostate cancer cases were treated with brachytherapy. During this procedure, the clinician inserts manually about thirty needles into the prostate through the perineum using ultrasound images to locate the prostate and the needles. Radioactive seeds are released into the prostate at specific pre-planned locations using needle’s cannula. The success of this operation is closely related to the distribution and homogeneity of the radioactive dose distribution in the prostate, therefore the precision with which the seeds are positioned. This accuracy is affected by prostate motions and deformations due to the insertion of the needles and their bending during insertion. This work aims at increasing the precision, reliability, and efficiency of the needle tip positioning. To achieve this objective, our approach is based on a robotic transperineum needle insertion device called PROSPER and developed at TIMC-IMAG Laboratory. Positioning inaccuracy due to tissue deformations will be corrected using natural bevel-tip needle bending during insertion. In that purpose, a control strategy, using regular update of the needle path planning, will be set in closed-loop. This approach was born in LIRMM laboratory and is greatly optimized to satisfy the specifications of our system. However, this control is based on a regular feedback of needle position and bending. We choose 3D ultrasound imaging for its availability in clinic, its low cost and its compactness. However, needle detection is very challenging in this modality due to a complexity of the images. This work introduces a robust method to track a needle in a stream of 3D ultrasound volumes using a Random Sample Consensus algorithm and a precise region of interest. This region is determined using a predictive model of needle deformation and increases drastically the robustness of our tracking. The needle steering system is validated using PVC and paraffin phantoms with a precision of 1 to 2 mm. Finally, the design and the use of echogenic needles allow to increase their visibility under 3D ultrasound, which was the most challenging obstacle for needle steering in ex-vivo tissue. Thanks to these echogenic needles, our system has been validated on ex-vivo animal tissues and it achieves a precision of 2 to 4 mm. This robotized needle steering system using flexible bevel-tip needle under 3D ultrasound is a first step toward a clinical application, especially because of the use of brachytherapy robotic device. This approach might be adapted for other percutaneous clinical procedure in the future, and could increase their precision and success.En 2012, la curiethérapie constituait 25% à 30% des opérations de traitement utilisées sur les 40.000 cas de cancer de prostate en France. Elle consiste à insérer manuellement une trentaine d’aiguilles creuses dans la prostate, à travers le périnée, en utilisant des images échographiques pour localiser la prostate et les aiguilles. Au moyen de ces aiguilles, des grains radioactifs sont positionnés dans la prostate à des endroits précis pré-planifiés grâce à l’imagerie. Le succès de l’opération est étroitement lié à la répartition et l’homogénéité de la dose radioactive répartie dans la prostate, donc à la précision avec laquelle les grains y sont placés. Cette précision peut être affectée par le déplacement et la déformation des tissus pendant l’insertion, ainsi que par la déformation de l’aiguille elle-même.Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectif d’améliorer la précision, la fiabilité et l’efficacité du positionnement des aiguilles. Pour atteindre ce but, notre approche se base sur un système robotisé d’insertion transpérinale d’aiguilles appelé PROSPER et développé au sein du laboratoire TIMC-IMAG. La déformation de l’aiguille, observée dans le cas de l’insertion d’une aiguille biseautée, est utilisée avantageusement pour compenser les mouvements des tissus pendant l’insertion. Pour cela, une stratégie de contrôle par une mise jour régulière de la planification du chemin de l’aiguille, en boucle fermée, est mise en œuvre. Cette approche a vu le jour grâce aux travaux du LIRMM et est optimisée pour répondre au mieux aux spécifications de notre système. Cette stratégie de contrôle repose sur un retour régulier de la position et de la déformation de l’aiguille. L’imagerie échographique 3D a été choisie pour sa disponibilité au bloc opératoire, son coût et sa compacité. L’inconvénient majeur de ce type d’imagerie réside dans la difficulté à détecter l’aiguille, due à la complexité des images obtenues. Ce manuscrit présente ainsi une méthode robuste pour suivre l’aiguille sur un flux de volumes 3D à partir d’un algorithme Random Sample Consensus dans une zone de recherche ciblée. La sélection de cette zone se base sur un modèle prédictif de la déformation de l’aiguille et permet d’obtenir un gain important en robustesse. Ce système est validé sur des fantômes en PVC et en gel de paraffine avec une précision finale de 1 à 2 mm. Enfin, la conception et l’utilisation d’aiguilles dites échogènes permet d’améliorer considérablement leur visibilité sous échographie, qui fait notamment défaut dans certaines pièces anatomiques. Notre système de guidage robotisé a donc pu être validé sur des tissus animaux grâce à ces nouvelles aiguilles et permet d’obtenir une précision de 2 à 4 mm en moyenne.Le dispositif de guidage d’aiguille flexible sous échographie 3D présenté dans ce manuscrit constitu une avancée importante vers une application clinique, notamment grâce à l’utilisation d’un prototype de robot de curiethérapie. Cette approche pourra aussi s’adapter à d’autres types de procédures percutanées dans l’avenir, et ainsi augmenter la précision et le succès de ces opérations