Surgical navigation for prostate biopsy

Le cancer de la prostate est devenu depuis deux décennies le cancer le plus fréquent de l’homme dans le monde et représente la troisième cause de décès par cancer chez l’homme en France. La biopsie de prostate est l’examen de confirmation diagnostique standard de ce cancer. Elle permet, par des prélèvements systématisés ou dirigés vers une cible, l’analyse anatomopathologique du tissu prostatique. Guidée par échographie transrectale, l’objectif de la biopsie est de réaliser une cartographie prostatique avec une série de prélèvements multiples bien distribués dans le volume de la prostate. Cependant, la réalisation de biopsies de prostate présente de nombreuses difficultés pour le clinicien car le geste demande une représentation 3D d’un organe très déformable et mobile. Ainsi l’accès à une cartographie précise des biopsies effectuées a un intérêt pour l’amélioration de la qualité des biopsies, la traçabilité des biopsies et l’apprentissage du geste.En partant de ce constat clinique, l’objectif de cette thèse est la conception d’un système de suivi pour la navigation et le guidage de la biopsie de prostate écho-guidée par voie rectale compatible avec une application clinique. Notre approche se base sur une méthode de recalage 2D-3D rigide, qui met en correspondance une image 2D échographique et un volume échographique de référence acquis en début de procédure. Le recalage 2D-3D d’images échographiques est complexe parce que l’information hors-plan n’est pas présente dans l’image 2D et les images échographiques sont très bruitées. Nous avons développé une méthode, dite hybride, qui consiste en la mise en correspondance de caractéristiques de l’image à partir d’une distance basée sur les intensités de pixels/voxels et sur une proximité euclidienne. La précision et robustesse de l’algorithme ont été évaluées sur des données de 20 patients acquises durant des procédures de biopsies de prostate dans deux centres hospitaliers français. Nous avons montré que l’amélioration de la TRE avant et après recalage est statistiquement significative. Près de 75% des TRE obtenues étaient inférieures à 5mm, qui est le seuil clinique de significativité des tumeurs.Par la suite, nous avons mis en application la méthode de recalage dans le cadre du suivi. Une expérimentation sur fantôme prostatique intégrant une sonde équipée d’un capteur de localisation est réalisée pour déterminer la faisabilité et l’apport en termes de précision pour la navigation pour la biopsie de prostate. Les premiers résultats obtenus par notre méthode de suivi montrent une preuve de concept approfondie pour une application clinique. L’information donnée par le capteur inertiel est difficile à exploiter de manière optimale. De nouvelles expérimentations dans des conditions plus favorables devraient être réalisées. Les premiers résultats du suivi sont malgré tout prometteurs dans l’objectif d’une application clinique.La perspective principale pour la méthode de suivi est son intégration dans la plateforme MIRAS, (commercialisée par Koelis) pour continuer l’évaluation. L’ajustement de la méthode et l’amélioration des temps de calcul sont les deux axes majeurs à approfondir pour faire naı̂tre un premier prototype de guidage temps-réel pour la biopsie de prostate. La collaboration de longue date entre les cliniciens et chercheurs de ce projet est un atout essentiel pour la future validation clinique.Prostate cancer is the most common cancer world-wide for males and the second leading cause of cancer death in France. Prostate biopsy procedures, performed to obtain and analyze tissue samples of the gland, are required for diagnosis. The clinical standard protocol is currently performed under UltraSound (US) control following a systematic protocol. Unfortunately, prostate cancer diagnosis is complicated by the lack of image quality and the low intrinsic contrast between tumor and non-tumor on US images. Conventional biopsies are performed under Transrectal UltraSound (TRUS) guidance. Precisely localizing the biopsy sites is challenging because the gland has a symmetric shape and because the prostate moves and is deformed by the patient motion and the TRUS probe pressure.This work aims at designing a system for navigated prostate biopsies combining a low-cost tracking system and a 2D-3D US registration method. To achieve this objective, our approach is based on hybrid 2D-3D ultrasound (US) rigid registration method for navigated prostate biopsy that enables continuous localization of the biopsy trajectory during the exam.Accuracy and robusteness was evaluated on a significant patient data set recorded in routine uncontrolled conditions from two different hospitals. The results show that 75% of the cases with error less than 5mm, which is clinically acceptable.Thereafter, we developed experiments to evaluate the tracking. The method was tested in a prostate phantom and a probe tracking by a inertial sensor. It was shown that it can do a better localization than and inertial measurement unit. Those first results obtained by our tracking method have established a proof of concept for a future clinical application. We highlighted that the sensor data are complex to exploit in optimal conditions. Additional experiments sould be performed in more realistic conditions.The method adjustment and the computing time-enhancement are the two main approaches to develop to create a first prototype of real-time tracking for navigated prostate biopsy. The long-standing cooperation between clinicians and researchers is an essential asset for a future clinical validation