Donn´ ees r´ eelles

Conditions Nous avons effectu´e une exp´erience sur un chien en mai 2002 dans le

labo-ratoire d’Intuitive Surgical `a Sunnyvale, Californie. Nous d´ecrivons dans le chapitre suivant l’int´egration logicielle des m´ethodes expos´ees et les conditions d’acquisition des donn´ees. Pour des raisons mat´erielles, nous n’avons pas pu faire passer un examen de coronarographie au

(a) 1`ere vue, superposition initiale. (b) 1`ere vue, apr`es la d´esignation de 4 amers.

(c) 2nde vue, un 5eme amer est d´esign´e. (d) 2nde vue apr`es le pointage des amers 6 et 7.

(e) 3^emevue apr`es le pointage des amers 8 et 9. (f) 4<sup>eme</sup>vue apr`es le pointage du dernier amer.

Fig. 6.7 –R´esultat de simulation : ´evolution de la superposition au fur et `a mesure de la d´esignation des amers. Les ellipses, sur la vue finale, correspondent `a l’incertitude (confiance de 95%) sur les points des art`eres projet´ees.

6.9 R´esultats 139 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7

index de l’amer pointé

Cout normalisé

Évolution du coût du modèle au sommet de la pile

(a) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

index de l’amer pointé

Nombre de modèles dans la pile

Évolution du nombre de modèles dans la pile

(b)

(c) Superposition avec les param`etres du 3`eme mod`ele de la pile dans la premi`ere vue.

(d) Superposition ´equivalente dans la 4`eme vue.

Fig. 6.8 –R´esultat de simulation : (a) coˆut normalis´e du mod`ele au sommet de la pile en fonction du nombre d’amers d´esign´es, (b) ´evolution du nombre de mod`eles de la pile, (c)(d) superposition, sur les premi`eres et derni`eres vues, utilisant les param`etres du 2`eme mod`ele de la pile finale. Les ellipses correspondent `a l’incertitude (confiance de 95%) sur les points des art`eres projet´ees.

chien. Nous avons donc reconstruit, apr`es calibrage de l’endoscope avec la m´ethode d´ecrite dans le chapitre 4, une partie de l’arbre coronaire d’apr`es les images endoscopiques. En-fin `a cause d’un probl`eme logiciel, les coordonn´ees articulaires de l’endoscope n’ont pu ˆetre enregistr´ees simultan´ement aux images endoscopiques (deux flux vid´eo synchronis´es).

Comme illustr´e figure 6.9(a) et en comparant `a la figure 2.8, les conditions de visibilit´e des art`eres sont diff´erentes sur l’homme et sur le chien : sur ce dernier, on peut apercevoir les veines et les art`eres aux parcours parall`eles tr`es apparents. Cette exp´erience permet donc de tester principalement le pointage dans les images endoscopiques st´er´eoscopiques et le principe g´en´eral de la m´ethode et non la pertinence r´eelle de l’aide apport´ee par la r´ealit´e augment´ee dans le cas d’un cœur couvert de graisse.

M´ethode Une s´equence d’images enregistr´ees apr`es l’ouverture du p´ericarde est

s´electionn´ee. La superposition de l’arbre coronaire est initialis´ee manuellement (figure 6.9(a)). Les images qui servent `a d´esigner les amers (fin de diastole) sont s´electionn´ees manuellement. On peut imaginer, `a terme, synchroniser l’acquisition des images `a l’´electrocardiogramme (ECG). Une autre piste, que nous avons commenc´e `a explorer, consisterait `a construire un ECG visuel `a partir des images endoscopiques. Nous avons effectu´e quelques essais de suivi de points sur les images endoscopiques afin de d´eterminer des ´el´ements discriminants du mou-vement cardiaque. Cependant le moumou-vement observ´e est violent et d’autres d´eveloppements sont n´ecessaires.

R´esultat du recalage Les param`etres de l’algorithme sont r´egl´es aux valeurs utilis´ees pour la simulation. Quatre amers sont d´esign´es dans la premi`ere image. Il s’agit de deux bifurca-tions et de deux amers de type art`ere. La technique de mise en correspondance st´er´eoscopique fonctionne et ces quatre mesures sont des mesures doubles (figures 6.9(a) et 6.9(b)). Une so-lution est imm´ediatement trouv´ee comme illustr´e figures 6.9(c) et 6.9(d). Au cycle cardiaque suivant, on peut apercevoir sur les figures 6.9(e) et 6.9(f) un d´ecalage de la superposition au niveau de l’art`ere inf´erieure. Trois nouveaux amers sont d´esign´es (figure 6.10(a) et 6.10(b)). La mise en correspondance st´er´eoscopique des amers 6 et 7 ´echoue. Celle de l’amer 5 est fausse (pr´esence de la pince du robot). Les r´esultats montrent que cette mesure a ´et´e ex-clue de l’estimation des param`etres du mod`ele (mesure aberrante). Le d´ecalage observ´e est corrig´e.

Validit´e sur les cycles cardiaques suivants La planche de figures 6.11 montre la

super-position obtenue sur les images de fin de diastole des cycles cardiaques suivants (vue gauche de l’endoscope et d´etail). Elle reste valide : quelques pixels de diff´erence sont observ´es sur les images 6.11(b), 6.11(d) et 6.11(f). Ces images peuvent donc ˆetre utilis´ees pour d´esigner de nouveaux rep`eres, l’hypoth`ese de reproductibilit´e du mouvement cardiaque ´etant valide au moins `a court terme. Ceci pourrait ˆetre mis `a profit pour d´eplacer l’endoscope dans le champ op´eratoire et d´ecouvrir des amers compl´ementaires sur d’autres zones du cœur.

La validit´e de la superposition `a plus long terme demande `a ˆetre v´erifi´ee : reproductibilit´e du battement cardiaque, effet de la respiration sur le poumon droit. Nous mesurons cet effet dans les exp´erimentations d´ecrites au chapitre suivant. Cependant la superposition n’est utile que dans la phase, de dur´ee limit´ee, de recherche des cibles op´eratoires. Il est simplement n´ecessaire d’avoir sur une courte dur´ee les conditions favorables `a la d´esignation coh´erente d’amers. Ceci peut ˆetre obtenu, notamment, par le contrˆole de la respiration du patient.

6.9 R´esultats 141

1

2

3

4

(a) Image gauche, instant t₀

mesures doubles

1

3 4

2

(b) Image droite, instant t₀

1

2

3

4

(c) Image gauche, instant t0

1

2

4

3

(d) Image droite, instant t0

(e) Image gauche, instant t0+ Tcycle (f) Image droite, instant t0+ Tcycle

Fig. 6.9 –Exp´erience in-vivo : ´evolution de la superposition, au fur et `a mesure de la d´esignation d’amers et `a diff´erents instants. Remarquer le d´ecalage au niveau de l’art`ere inf´erieure en (e) et (f ) qui est corrig´e dans la suite de l’interaction (voir figure 6.10).

mesures simples

5

6

7

(a) Image gauche, instant t₀+ T_cycle

mise en correspondance fausse

5

(b) Image droite, instant t₀+ T_cycle

Fig. 6.10 –Exp´erience iv-vivo : d´esignation de trois nouveaux amers et correction du recalage (vues droites et gauches).

6.10 Conclusion du chapitre et contributions

Nous avons, dans ce chapitre, expos´e une m´ethode totalement nouvelle de recalage du mod`ele pr´e-op´eratoire des art`eres coronaires sur les images endoscopiques, en interaction avec le chirurgien.

1. Nous avons d´efini une m´ethode d’interaction du chirurgien avec le syst`eme de guidage qui lui permet de d´esigner des amers (bifurcations et art`eres) directement sur le champ op´eratoire, au cours de l’exploration du p´ericarde.

2. Nous avons ensuite analys´e les caract´eristiques des mesures ainsi apport´ees et du probl`eme `a r´esoudre, ´etudi´e les solutions `a des probl`emes voisins dans la litt´erature pour finalement formuler un probl`eme d’optimisation r´esolu selon un sch´ema algorith-mique original.

3. Nous d´eveloppons une approche multi-mod`eles robuste bas´ee sur la formulation d’hy-poth`eses concernant l’identit´e des amers d´esign´es. Notre m´ethode tente `a la fois

d’in-corporer de nouvelles mesures `a des mod`eles existants mais permet aussi de voir

l’´emergence de configurations nouvelles.

4. Cette gestion des mesures est effectu´ee en temps r´eel. Nous pouvons ainsi pr´esenter tr`es rapidement un ou plusieurs r´esultats (sur demande du chirurgien) mis `a jour et `a la pr´ecision quantifi´ee, au fur et `a mesure de la disponibilit´e de nouvelles donn´ees. Nous avons ´egalement montr´e par des simulations que l’algorithme surmontait les difficult´es provoqu´ees par des donn´ees aberrantes nombreuses, structur´ees, mˆeme si celles-ci sont pr´esentes au d´ebut du processus de recalage.

5. Enfin nous avons en grande partie valid´e le processus d’interaction sur des donn´ees exp´erimentales sur un chien : s´election des images, d´esignation des amers, recalage. D’autres validations sont n´ecessaires pour, en particulier, mesurer la validit´e du r´esultat `

a plus long terme. Elles sont en partie d´ecrites dans le chapitre suivant.

L’ensemble de l’approche est int´egr´ee dans un syst`eme reli´e au robot pour r´ecup´erer coor-donn´ees articulaires et flux vid´eo synchronis´es (nous d´etaillons cette architecture dans le

6.10 Conclusion du chapitre et contributions 143

(a) Image gauche, instant t0+ 2 Tcycle (b) D´etail, instant t0+ 2 Tcycle

(c) Image gauche, instant t0+ 3 Tcycle (d) D´etail, instant t0+ 3 Tcycle

(e) Image gauche, instant t0+ 4 Tcycle (f) D´etail, instant t0+ 4 Tcycle

Fig. 6.11 –Exp´erience in-vivo : superposition des art`eres et des amers pr´ec´edemment d´esign´es, sur les images de fin de diastole de cycles cardiaques cons´ecutifs : vues gauches de l’endoscope et d´etails. Sur les vues de d´etail, la diff´erence d’orientation de l’´etoile qui marque l’amer d´esign´e vient d’une animation dans le logiciel d´evelopp´e. Remarquer le mouvement des pinces du robot.

chapitre suivant). Le r´esultat du recalage temps r´eel peut ˆetre r´einject´e dans les images dis-ponibles dans la console de contrˆole du robot, l’affichage ´etant automatiquement mis `a jour pour suivre les changements de point de vue. Ce prototype a ´et´e test´e par les chirurgiens qui sont tr`es favorables `a l’approche leur laissant, en particulier, un contrˆole du r´esultat.

Chapitre 7

Int´egration et exp´erimentations

7.1 Int´egration logicielle et mat´erielle

La vision globale sous la forme d’un syst`eme de chirurgie assist´ee par ordinateur adopt´ee au cours de cette th`ese s’est traduite dans le codage et l’int´egration des diff´erentes ´etapes au sein d’une plate-forme logicielle commune. Celle-ci a ´et´e originellement d´evelopp´ee pour la pla-nification et la simulation de l’intervention : le logiciel STARS [Adhami, 2002]. L’int´egration de notre approche a permis d’aller jusqu’aux validations in-vivo au bloc op´eratoire.