Les gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur (GMCAO) sont des techniques destinées à aider les médecins à planifier puis à réaliser des interventions chirurgicales. Les progrès du génie biologique et médical, de l'informatique et de la robotique ont permis l.expansion rapide de ces techniques dans de multiples spécialités, dans le but d'optimiser le geste chirurgical. Les objectifs sont clairs : gain de précision, diminution du traumatisme opératoire, réduction des voies d'abord, raccourcissement de la durée des interventions avec pour conséquences, réduction de la morbidité et de la mortalité, de la durée d'hospitalisation, de la durée de convalescence et d.arrêt de travail, et du coût global. Les contraintes sont nombreuses avec au premier plan la sécurité d'utilisation. La chirurgie assistée par ordinateur, qui fait partie plus généralement des GMCAO, est déjà couramment utilisée en chirurgie orthopédique ou en neurochirurgie et la neuronavigation, désormais répandue dans tous les grands centres de neurochirurgie a fait de gros progrès depuis les débuts de la stéréotaxie [Benabid99]. Les applications dédiées aux tissus mous restent par contre encore peu développées en raison de difficultés propres liées à la mobilité des organes et à la déformation des tissus. Dans ce domaine, le développement de ces techniques est un axe de recherche important permettant d'élargir progressivement le spectre des GMCAO : guidage de ponction à visée diagnostique ou thérapeutique de divers organes, navigation per-opératoire lors d'interventions de chirurgie viscérale ou chirurgie téléopérée. Le programme GMCAO a été initié à Grenoble en 1985 au sein du laboratoire TIMC1 qui grâce à une étroite collaboration avec le CHU de Grenoble a pu étendre progressivement le champ d'application à de multiples spécialités médico-chirurgicales. Après un bref rappel général sur les GMCAO et sur la problématique concernant les tissus mous, notre contribution dans ce domaine en chirurgie cardiaque sera introduite et suivie d'une présentation synoptique de la thèse.

L’arthrose est un véritable problème de santé publique. Plus de dix millions de personnes sont atteintes en France et 35 millions aux États-Unis. L’arthrose du genou représente 35% du nombre total d’arthrose avec plus de 1,3 million de patients en Europe. Il existe de nos jours plusieurs solutions permettant de traiter l’arthrose du genou, suivant le caractère dégénératif de la maladie, allant du traitement chirurgical conservateur, tel que l’ostéotomie supérieure du tibia, jusqu’au traitement chirurgical prothétique, tel que l’arthroplastie totale du genou. Le succès à long terme de ces interventions repose (1) sur le contrôle de l’alignement du membre inférieur au cours de l’intervention, réalisé par l’intermédiaire de l’angle HKA entre les centres hanche, genou et cheville, et (2) sur une planification chirurgicale permettant de préparer l’intervention, et notamment, définir la position optimale des coupes osseuses pour la mise en place d’une prothèse à partir de modèles 3D de l’os du patient issus d’images tomodensitométriques (TDM) ou IRM. Nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à l’étude et l’évaluation, dans un contexte clinique, de la précision et la robustesse des techniques utilisées en chirurgie assistée par ordinateur pour la localisation du centre hanche, nécessaire au calcul de l’angle HKA. Nous avons ainsi proposé une nouvelle méthode, mini-invasive, et particulièrement adaptée pour l’ostéotomie supérieure du tibia. Nous nous sommes ensuite intéressés aux méthodes de segmentation permettant d’extraire la surface osseuse du genou à partir d’IRM pour la phase de planification. Nous avons également proposé une nouvelle approche, automatique, qui se base sur des modèles actifs de forme ou Active Shape Model (ASM). Compte tenu des résultats très encourageants, l’intégration de nos contributions en routine clinique pourrait, potentiellement, améliorer le service médical rendu pour le traitement de l’arthrose du genou. / Osteoarthritis is a real public health problem. More than ten million people are affected by osteoarthritis in France and 35 million in the United States. Knee Osteoarthritis represents 35% of the total number of osteoarthritis with more than 1.3 million patients in Europe. Today, there are several solutions to treat knee osteoarthritis depending on the degenerative nature of the disease : from conservative surgical treatment, such as High tibia Osteotomy (HTO), to prosthetic surgical treatment, such as Total Knee arthroplasty (TKA). The long-term success of these interventions is (1) the control of the lower limb alignment, during the intervention, which can be obtained by measuring the HKA angle between the hip, the knee and the ankle centers, and (2) the surgical planning allowing the preparation of the intervention, and for instance, the definition of the optimal cuts for the placement of a knee prosthesis based on the 3D model of the patient bone obtained from computerized tomography (CT) or MRI. We were interested, first, in the study and evaluation, in a clinical context, of the accuracy and precision of the methods used in computer-assisted orthopedic surgery for the localization of the hip center. We have thus proposed a new minimally invasive method especially adapted to HTO. We were interested, then, to the segmentation methods allowing the extraction of the knee bony surface from MRI for the surgical planning. We have also proposed a new automatic approach based on active shape models (ASM). Given the very encouraging results, the integration of our contributions in the clinical routine could, potentially, improve the medical benefits for the treatment of knee osteoarthritis.

La ponction rénale percutanée est un geste d'urologie courant préliminaire à l'ablation de calculs. La taille réduite des cavités rénales, la présence de structures nobles, et l'information limitée que fournit l'imagerie interventionnelle, rendent complexe l'insertion de l'aiguille de ponction. En collaboration avec le service d'urologie de la Pitié-Salpêtrière, nous avons étudié la faisabilité d'un système d'assistance informatisée au geste de ponction. Notre travail a connu deux phases. D'abord, un protocole basé sur le triptyque planification/recalage/guidage a été validé ; il repose sur la segmentation manuelle des images scanner pré-opératoires et échographiques per-opératoires et sur un algorithme de recalage de nuages de points 3D. Dans un deuxième temps, une nouvelle méthode de recalage iconique permettant de s'affranchir des étapes de segmentation a été mise au point. Ces deux approches ont été mises en œuvre et expérimentées sur des fantômes, des pièces anatomiques et sur des données de patients. Nous en présentons les fondements et l'évaluation.

L'échographie est un outil qui s'impose de plus en plus dans le domaine des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur (GMCAO). Les médecins et les chirurgiens disposent en conséquence d'un excellent outil de travail qui les aide à planifier et surtout à réaliser des interventions chirurgicales. Pour cela, ils ont besoin également de logiciels automatiques et faciles à utiliser fondés sur d'algorithmes robustes, précis et rapides. L'objectif majeur de cette thèse est d'exploiter la dualité segmentation- recalage pour extraire de l'information pertinente des images échographiques. Cette information permettra ensuite le recalage automatique et précis des structures anatomiques contenues dans le modèle pré-opératoire issu de l'imagerie TDM/IRM et des données per-opératoires contenues dans les images échographique. Le résultat du recalage sera utilisé ultérieurement pour prêter assistance à un outil guidé par ordinateur. Dans une première partie, nous proposons des méthodes de filtrage, segmentation et calibrage des images échographiques. Un intérêt majeur a été accordé au développement des algorithmes de traitement robustes, précis et rapides. Une deuxième partie a été dédiée à la dualité segmentation-recalage et à la compensation des déformations élastiques des tissus mous. Des algorithmes de segmentation de haut niveau des images échographiques ont été développés. Ils se fondent sur la fusion des résultats fournis par la segmentation de bas niveau, des connaissances anatomiques a priori et de l'information apportée par le modèle pré-opératoire. La troisième partie est réservée à la description détaillée des applications et à l'interprétation des résultats. Les applications traitées sont : l'orthopédie du rachis - visée pédiculaire, l'orthopédie du bassin - visée sacro-iliaque, la radiothérapie de la prostate et la ponction d'un épanchement péricardique. Finalement, les développements futurs de cette approche sont discutés.

Cette thèse se situe dans le cadre de la chirurgie de la prothèse totale de la hanche (PTH) assistée par ordinateur. Le but de ce travail est l'obtention d'un modèle 3D du bassin du patient à partir de données incomplètes. <br />Actuellement dans un processus conventionnel, la planification de la PTH se fait avec une radiographie tandis que les systèmes d'assistance chirurgicale de la PTH, utilisent un volume 3D du bassin construit à partir d'images médicales IRM, TDM ou Scanner. Néanmoins la reconstruction du volume 3D s'avère limitée par plusieurs facteurs : (i) le temps d'attente de rendez vous pour l'examen de ce type est trop long, (ii) les appareils sont peu accessibles pour les cliniques, (iii) la difficulté de la segmentation automatique pour l'obtention du volume 3D et (iv) l'impossibilité de l'exposition aux études IRM, Scanner ou TDM pour certains patients. <br />A partir de cette problématique, ce travail de thèse apporte deux contributions principales : <br />– une étude des principales caractéristiques du bassin et du fémur utiles pour la reconstruction d'un modèle 3D, <br />– une méthodologie pour l'obtention d'un volume 3D du bassin à partir d'une radiographie et quelques images échographiques. <br />La méthode proposée est composée de trois étapes : (i) obtention des données radiographiques et échographiques du bassin du patient, (ii) inférence de l'atlas du bassin du patient et (iii) obtention du modèle 3D par la déformation d'un maillage s'adaptant à l'atlas inféré. Dans ce travail un atlas est constitué par un ensemble de points caractéristiques du bassin. Pour résoudre les problèmes liés à la représentation d'un atlas générique, à l'inférence et au traitement de l'information des données radiographiques et échographiques nous avons fait appel aux techniques bayésiennes.

Dans le cadre général des interventions assistées par ordinateur, nos travaux, abordés essentiellement en terme d'imagerie virtuelle, se sont focalisés sur la phase préopératoire (analyse, modélisation, simulation) dans un objectif de planification réaliste de traitements mini-invasifs de lésions vasculaires (angioplastie transluminale, pose d'endoprothèse aortique, brachythérapie endovasculaire). De nouvelles fonctionnalités d'analyse locale et de description géométrique associées à un capteur virtuel sont proposées. A l'issue de cette exploration virtuelle analytique des données patient (imagerie TDM), la description géométrique de structures complexes ainsi que la détermination de paramètres caractérisant les structures vasculaires sont envisagées au regard du planning interventionnel et évaluées sur modèle animal et sur données patient. Une première approche de simulation spécifique patient d'interactions outils / tissus en angioplastie transluminale est finalement proposée.

Il existe aujourd'hui de nombreux systèmes robotiques commerciaux pour l'assistance au geste chirurgical. Les interventions d'orthopédie, de neurologie, de chirurgie laparoscopique ou cardiaque peuvent désormais être assistées par des systèmes mécaniques et informatiques. Depuis les premiers robots d'aide au geste chirurgical dérivés des robots industriels, aux robots actuels, l'objectif est de développer des systèmes d'aide aux gestes médicaux et chirurgicaux qui apportent des bénéfices importants au chirurgien et au patient. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'intéresse plus particulièrement à l'aide au geste chirurgical en chirurgie mini-invasive robotisée. La problématique abordée est de permettre à un robot chirurgical de compenser mécaniquement les mouvements physiologiques de l'organe ou du tissu opéré, afin de proposer au chirurgien une zone de travail virtuellement immobile. En effet, ces mouvements sont des perturbations pour le chirurgien qui télé-manipule un robot, car il doit les compenser lui-même à chaque fois qu'une tâche précise est requise à la surface d'un organe ou d'un tissu, en les accompagnant manuellement quand c'est possible. Ceci limite aujourd'hui le développement, entre autres, des opérations à coeur battant. L'objectif est de proposer un système de commande qui permette au robot de se déplacer de façon synchronisée avec l'organe et d'accompagner ainsi son mouvement. Ce travail se restreint aux mouvements physiologiques dus à la respiration et aux battements du coeur. Ceux-ci sont périodiques avec une période qui ne varie pas pendant l'intervention. Le principe utilisé pour commander le déplacement du robot est celui de l'asservissement visuel direct rapide, où les images d'une caméra d'observation endoscopique sont traitées en temps réel, avec une cadence d'asservissement jusqu'à 500 images par seconde. Le robot est commandé à l'aide de lois de commande prédictives dans lesquelles des modèles internes simples du robot et des mouvements à filtrer sont inclus. Les développements présentés dans cette thèse sont illustrés par deux ensembles de résultats, pour la compensation des mouvements respiratoires du foie d'une part, et le suivi du coeur battant d'autre part. Des dispositifs expérimentaux ont été mis en place autour d'un robot médical Aesop (Computer Motion, USA) et un prototype de robot chirurgical de la société Sinters de Toulouse. Des expériences de laboratoire et des tests in vivo en conditions chirurgicales réelles ont été réalisés.