Les procédures gastro-intestinales de l’oesophage impliquent un contrôle ou une surveillance périodique de l'anatomie interne (réalisation de multiples biopsies le long de l’oesophage). Le suivi et la relocalisation inter-opératoires de ces sites de biopsies (pour un même patient opéré plusieurs fois) est un challenge bien connu. L'objectif de cette thèse est de proposer une solution informatisée afin de guider le gastroentérologue pendant de telles procédures. Nous proposons un cadre novateur utilisant un système de suivi électromagnétique pour réaliser des enregistrements d'intervention de l’oesophage, couplant la vidéo à la profondeur de l'endoscope inséré. Ces enregistrements sont ensuite utilisés afin de repositionner l'endoscope de façon précise sur des sites de biopsie préalablement ciblés. Cette navigation consiste en une synchronisation vidéo entre la vue endoscopique courante et celles des surveillances endoscopiques précédentes enregistrées. Une première version de notre système est évaluée de manière incrémentale sur des données d'abord synthétiques puis réelles recueillies sur des cochons. Les résultats montrent que la relocalisation est obtenue avec une précision de l'ordre de 10mm, considérée comme largement acceptable par les experts. En outre, une expérience qualitative simulant une tâche réelle de relocalisation de site de biopsie, évaluée par 10 gastroentérologues, démontre les avantages du système de guidage assisté. Ce cadre est finalement étendu afin d'améliorer encore la précision de la relocalisation à partir d'une sélection optimale de l'image vidéo pré-enregistrée dont le point de vue est le plus proche de celui de l'image endoscopique courante / Gastrointestinal (GI) procedures, specifically, oesophageal interventions involve periodic monitoring or surveillance of the internal anatomy, which involve obtaining biopsies at different regions along the oesophagus. The tracking and relocalization of these biopsy sites ``inter-operatively'' poses a significant challenge for providing targeted treatments. This thesis, clarifies the concept of relocalization, and analyses the need for a platform to aide GI endoscopy. Based on the understanding of the clinical context in oesophageal procedures; a novel framework to use electromagnetic tracking system is proposed, which is used to perform a ``recording'' of an intervention. This framework and the recording is then used to provide a guided navigation to the GI expert, during a follow-up surveillance endoscopy; for accurate re-positioning of the endoscope at previously targeted sites. This is achieved using inter-operative video synchronization, and the various steps involved in achieving this are described in this thesis. A careful analysis of noise affecting the system is performed, to propose quantitative analysis using synthetic and realdata collected on pigs. A set of qualitative experiments were also proposed using 10 experts to indicate benefit to the GI community. The quantitative experiment indicated that the relocalization was achieved with an accuracy of 10mm, and the qualitative experiments showed that the biopsy site relocalization rate improved from 47.5% to 94%. The thesis then proceeds to provide two additional improvements using additional information collected during the GI intervention for a complete solution

<p>This thesis explores the implementation of an electromagnetic positioning system to track medical instruments used in minimally invasive surgeries. The end application is for catheter cardiac ablation. Cardiac ablation is a low-risk procedure that can correct arrhythmia. In the procedure, a diagnostic mapping catheter is inserted into the heart to identify locations causing incorrect heartbeat, and an ablation catheter applies radiofrequency (RF) thermal energy, which burns tissue that emits abnormal heart rhythm. Current techniques which determine the mapping catheter’s tip position while a patient is undergoing heart surgery are usually invasive, often inaccurate, and require some forms of imaging. </p><p><br></p> <p>Most existing electromagnetic (EM) tracking systems track a tiny sensing coil on the catheter tip by placing planar magnetic transmitters in reference locations around a patient. However, the tracking speed of these systems is extremely limited apart from deficiency in positioning accuracy due to poor sensitivity of the small sensor. In this study, we develop a unique real-time tracking system which can track the position and orientation of a medical catheter tip inside a human heart. A configuration of a small transmitting coil on the catheter tip with multiple larger receiving coils placed at reference locations is investigated. </p><p><br></p> <p>We propose a novel tracking system based on a single uniaxial transmitter (1.5 mm diameter) placed on a medical catheter tip and two triaxial receivers placed in reference locations. The electromagnetic field generated by the uniaxial transmitter is controlled by an operational amplifier LC tank driver with a unique active feedback sensing system in the form of a digital phased lock loop (DPLL), which <a>generates a low noise low distortion</a> AC signal for the LC circuit. Such control is vital because the small transmitting coil has a relatively large DC resistance, resulting in copious amounts of heat. This unique transmitter driver active feedback system is optimized to ensure a stable magnetic field transmitted with minimal noise and distortion.</p><p><br></p> <p>Precise and efficient calibration and compensation techniques are developed for the proposed system. The calibration techniques include mutual coupling correction, which rectifies one of the main limitations of a triaxial coil-based implementation. In addition, a novel divergence mitigation method for the position algorithm is developed in the form of a software-based reference sensing coil distance offset. This is advantageous compared to a hardware-based solution, which involves adding more coils to the system, in turn, leading to decreased tracking speed and higher risk of interference among coils. Because of its simplicity, the proposed EM tracking system also has the advantage of supporting a wide dynamic range, multiple catheters, and can be applied to other medical systems in need of real-time positioning.</p><p><br></p> <p>This EM tracking system is demonstrated on a test bench in a research lab and in a pre-clinical environment with a 3D-printed heart inside a phantom. The tested system features a fast update rate of 200 Hz and an average position error of 1.6 mm, which indicates that the proposed system can successfully track a catheter RF tip with millimeter precision. </p><p><br></p> <p> This dissertation presents the proposed EM tracking system. First, the motivation of this research and a review of existing tracking methodologies used in the medical field are presented. Then, the hardware design of individual modules and magnetic positioning firmware are described, which is followed by discussions of full system integration and calibration, as well as system test results. A summary, highlighting novelties of the tracking system, and discussion of future research directions are included in the final chapter.</p>

Notre pratique courante de la chirurgie orthognathique se heurte aux limites des outils standard de planification et de simulation ainsi qu’à l’absence d’assistance peropératoire. L’objectif de notre travail était de développer de nouveaux outils répondant à cette problématique. Ainsi, dans un premier temps, un algorithme de segmentation semi-automatique a permis une modélisation 3D patient-spécifique rapide et précise. Nous avons ensuite élaboré un logiciel de simulation des parties molles fondé sur un modèle mécanique de type masse-ressort permettant une précision millimétrique. Enfin, nous avons conçu un système de navigation temps-réel fondé sur un guidage électromagnétique mini-invasif doté d’une interface utilisateur intuitive. Son évaluation a montré une réduction de la variabilité inter-opérateurs. En plus de son caractère pédagogique, ce système bénéficiait particulièrement aux débutants. Les chirurgiens ont souligné l’intérêt de ce système, tant pour les dysmorphoses complexes que pour les cas de routine. Ces développements constituent ainsi une suite logicielle susceptible d’améliorer la qualité de prise en charge des patients. / In our routine practice of orthognathic surgery, we face the limitations of conventional planning and simulation tools, and the lack of convenient intraoperative assistance. If computer science has provided satisfactory solutions for planning, yet simulation and navigation appear improvable. The aim of our research was to provide novel tools to improve these issues. Therefore, we first developed a semi-automated segmentation pipeline allowing accurate and timeefficient patient-specific 3D modeling. We then conceived 1mm-accurate facial soft tissue simulation software based on a mechanical massspring model. Finally, we developed a real-time navigation system based on minimally-invasive electromagnetic tracking, featuring a novel user-friendly interface. Evaluation showed that our software reduced time and accuracy discrepancy between operators. Along with educational purposes, such a system benefited especially trainees. Surgeons emphasized system relevance in the treatment of both, complex and common deformities. Such developments establish a software suite that could provide significant improvement for patient optimal care.

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre de la navigation endovasculaire assistée par ordinateur. L’objectif principal est d’étudier et de proposer de nouvelles solutions pour la localisation et le suivi des dispositifs endovasculaires en mouvement par rapport aux structures anatomiques, considérées comme immobiles ou mobiles. Il s’agit à terme de faciliter le geste interventionnel, en maximisant la précision et la fiabilité des procédures, tout en minimisant le recours aux rayons X et au produit de contraste. Les travaux et résultats obtenus concernent : - L’étude d’approches de recalage permettant de fusionner des données 3D pré-opératoires décrivant les structures anatomiques et des données intra-opératoires de localisation 3D électromagnétique (positions d’un cathéter équipé d’un capteur magnétique en son extrémité). Dans le contexte du traitement des anévrismes aortiques abdominaux, deux méthodes de recalage ne nécessitant pas de marqueur externe et exploitant uniquement les trajectoires endovasculaires (avec hypothèse de correspondance totale ou partielle) ont été proposées. Les tests ont été réalisés sur fantôme physique. Bien que la précision de localisation des systèmes électromagnétiques soit encore limitée, ceux-ci pourraient être utilisés pour aider la navigation endovasculaire, comme par exemple, lors du cathétérisme d’artères collatérales. - L’élaboration d’une méthode de tracking des calcifications et de repères dans les séquences d’images fluoroscopiques, dans le contexte des procédures d’implantation endovasculaire de valve aortique (TAVI). Nous avons proposé une méthode de tracking par modèle d’apparence adaptatif (TMAA). L'approche a été évaluée sur 13 séquences fluoroscopiques dans le cadre des procédures TAVI valve native et 5 séquences fluoroscopiques dans le cadre des procédures TAVI valve-in-valve. Elle fournit une erreur de localisation moyenne inférieure à 1 mm et un temps de traitement de 32,23 ms/trame. L’évaluation de cette méthode et son application sur données patients ont permis de montrer la précision et la compatibilité du tracking avec une utilisation clinique. / This work is part of computer-assisted endovascular navigation. The aim of this thesis is to study and to propose new solutions for the localization and the tracking of moving endovascular devices within anatomical structures, which can be considered fixed or moving. The objective is to facilitate the endovascular intervention, by maximizing the accuracy and reliability of procedures, while minimizing the use of X-rays and contrast agents. The works concern : - The study of registration approaches to align pre-operative 3D data describing the anatomical structures and intra-operative 3D electromagnetic data (positions of a catheter equipped with a magnetic sensor at its tip). In the context of the treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA), two fiducial-free registration methods that exploit only the endovascular trajectories (with total or partial correspondence hypothesis) have been proposed. The tests were performed on an AAA phantom. Although the localization accuracy of electromagnetic systems is still limited, these could be used to assist endovascular navigation (e.g., catheterization of collateral arteries). - The elaboration of a method to track calcifications and markers in fluoroscopic sequences, in the context of transcatheter aortic valve implantation (TAVI) procedures. We proposed a method of tracking by adaptive appearance model (TMAA). The approach was evaluated on 13 fluoroscopic sequences as part of TAVI native valve procedures and 5 fluoroscopic sequences as part of TAVI valve-in-valve procedures. The average localization error was less than 1 mm and the average processing time was 32.23 ms/frame. The evaluation of this method and its application on patient data has made it possible to show the precision and the compatibility of the tracking with a clinical use.