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"This thesis presents a single-slice based fast stereotactic registration and tracking technique along with a corresponding modular system for guiding robotic mechanism or interventional instrument to perform needle-based interventions under live MRI guidance. The system can provide tracking of full 6 degree-of-freedom (DOF) in stereotactic interventional surgery based upon a single, rapidly acquired cross-sectional image. The whole system is constructed with a modular data transmission software framework and mechanical structure so that it supports remote supervision and manipulation between a 3D Matlab tracking user interface (UI) and an existing MRI robot controller by using the OpenIGTLink network communication protocol. It provides better closed-loop control by implementing a feedback output interface to the MRI-guided robot. A new compact fiducial frame design is presented, and the fiducial is wrapped with a passive resonant coil. The coil resonates at the Larmor frequency for 3T MRI to enhance signal strength and enable for rapid imaging. The fiducial can be attached near the distal end of the robot and coaxially with a needle so as to visualize target tissue and track the surgical tool synchronously. The MRI-compatible design of fiducial frame, robust tracking algorithm and modular interface allow this tracking system to be conveniently used on different robots or devices and in different size of MRI bores. Several iterations of the tracking fiducial and passive resonant coils were constructed and evaluated in a Phillips Achieva 3T MRI. To assess accuracy and robustness of the tracking algorithm, 25 groups of images with different poses were successively scanned along specific sequence in and MRI experiment. The translational RMS error along depth is 0.271mm with standard deviation of 0.277mm for totally 100 samples. The overall angular RMS error is less than 0.426 degree with standard deviation of 0.526 degree for totally 150 samples. The passive resonant coils were shown to significantly increase signal intensity in the fiducial relative to the surroundings and provide for rapid imaging with low flip angles. "

L’efficacité de la stimulation cérébrale profonde subthalamique dans certains cas de maladie de Parkinson est maintenant bien établie. Toutefois, des progrès restent possibles, à la fois en terme de contrôle du geste chirurgical et en terme de définition de la cible chirurgicale. Dans la première partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’optimisation du contrôle de l’implantation des électrodes de stimulation cérébrale profonde. Nous avons tout d’abord analysé rétrospectivement les résultats obtenus en réalisant une imagerie tridimensionnelle per-opératoire pour le contrôle de positionnement des électrodes. Nous nous sommes ensuite intéressés à la possibilité d’utiliser un repère de visée radiologique per-opératoire. Nous avons revu pour cela une série de patients ayant subi une réimplantation d’électrodes, pour lesquels l’électrode déjà en place était utilisée comme point de repère à la fois pour définir la cible de la réimplantation et pour contrôler radiologiquement l’implantation de la nouvelle électrode. Dans la seconde partie, nous avons travaillé à l’optimisation de la cible subthalamique. Nous avons tout d’abord évalué la pertinence du repérage du faisceau mamillo-thalamique sur des coupes IRM axiales comme marqueur de la coordonnée y du bord antérieur du noyau subthalamique. Ensuite, nous avons tâché de proposer une normalisation tridimensionnelle de l’espace stéréotaxique à partir de données recueillies dans une série de volontaires sains. Enfin, pour une série de patients opérés avec un bon résultat, nous avons cherché à corréler la position des contacts actifs en stimulation chronique avec des points de repères profonds visibles en IRM. Nous avons pu proposer ainsi une cible normalisée dont les coordonnées sont : x = 0,44xbord latéral du V3 + 10,71mm; y = 0,69xfaisceau mamillothalamique + 1,62 mm ou 0,34 distance CACP + 2,52 mm; z = 0,72 hauteur du thalamus – 16 mm. Cette cible sera évaluée dans une future étude prospective. / The clinical efficacy of subthalamic deep brain stimulation is now well established. Nevertheless, progress is possible, regarding especially (1) the accuracy of electrodes implantation and (2) the definition of the surgical target. In the first part of this work, we worked on the optimization of DBS electrodes implantation. First, we analyzed retrospectively the results obtained by using intra-operative 3D imaging for the control of microelectrodes and definite leads placement. Thereafter, we considered the possibility to use a radiological landmark for intraoperative controls. To this end, we studied the cases of patients who underwent reimplantation of DBS electrodes. The initial electrode (still implanted) was used as a landmark: (1) for the deifntion of the reimplantation target and (2) for the radiological control of the new lead positioning. In the second part, we worked on the optimization of the surgical target. First, we assessed the interest of the mamillothalamic tract as a landmark of the anteroposterior coordinate of the anterior border of the STN in MR axial images. Thereafter, we tried to identify MR landmarks for tridimensionnal normalization of the stereotactic space. Finally, we tried to correlate the coordinates of active contacts with MR-defined landmarks in a series of patients that had been operated with good clinical results. Based on our results, we can propose the following coordinates for a new normalized subthalamic target : x = 0.44xlat edge 3rd ventricle + 10.71mm; y = 0.69xmamillo-thalamic tract + 1.62 mm or 0.34 ACPC length + 2.52 mm; z = 0.72xthalamus height – 16 mm. We will assess this target in a future prospective study.