Examen de GMCAO
Master ISTI IRMC 19 février 2008 durée : 2 heures Documents autorisés
Lisez l'article fourni, puis répondez aux questions.
L'article est un extrait de l'encyclopédie Wikipédia décrivant le système de radiochirurgie Cyberknife.
Quelques précisions :
* Du vocabulaire anglais / français est donné en page 2.
* cGy est l'abréviation de centiGray unit, unité de mesure de radiation.
* Les images appelées Digitally Reconstructed Radiographs (DRRs) sont des images bi
dimensionnelles représentant la projection perspective rayon X du patient (c'estàdire du même type que des images rayon X classiques) mais générées par ordinateur à partir d'un volume d'images provenant d'un CTscanner.
* Seule la question 9 nécessite des calculs. Les réponses ne devront pas excéder 10 phrases par question, excepté pour la question 4.
1. Listez les avantages du système Cyberknife par rapport aux systèmes classiques de radiochirurgie. Quels sont d'après vous les inconvénients possibles de l'utilisation de ce système ? (2 pts)
Avantages : meilleure précision de positionnement, rapidité des mouvements et donc du traitement. Conséquences : possibilités de traiter plusieurs patients à la suite, de fragmenter les traitements : beaucoup plus de souplesse
Inconvénients : L'article ne parle pas de mécanismes de vérification, taille du robot, potentiellement dangereux, coût, encombrement
2. Expliquez quelle est la méthode utilisée pour obtenir la position de la cible anatomique (la tumeur) dans le repère des imageurs dans le cas de figure où la cible est directement visible.
Comment s'appellent les techniques mises en oeuvre ? Quels sont les paramètres qu'il faut connaître ? (2 pts)
Une fois la tumeur localisée dans chacune des images rayon X, on peut déterminer une ligne de vue pour chaque imageur. La cible réelle se trouve à l'intersection de ces lignes de vue ou au point qui minimise les distances aux lignes de vue. Cette technique est appelée triangulation. Elle nécessite de connaître parfaitement la position relative des 2 imageurs rayon X (paramètres extrinsèques) et leurs paramètres intrinsèques de projection perspective.
3. On suppose que la position de la cible est connue dans le repère des imageurs. Comment 1
fautil procéder pour déterminer les positions que doit prendre le robot pour atteindre la cible ? Quels paramètres fautil connaître ? (2 pts)
Une fois la position de la cible déterminée dans le repère des imageurs, il faut taduire cette position dans le repère de base du robot. Pour cela il faut connaître la position relative entre repère de base du robot et repère de l'imageur. Les positions à prendre par l'effecteur exprimées dans le repère de base du robot sont calculées de sorte que l'accélerateur linéaire soit dans l'axe de la cible.
Pour cela il faut connaître la position de l'accélerateur par rapport à l'effecteur du robot. Enfin, pour positionner l'effecteur il faut utiliser le modèle géométrique inverse du robot. Le modèle géométrique du robot (direct et / ou inverse) doit donc être connu.
4. Représentez par un schéma l'ensemble des repères associés aux différents objets. Précisez quelles transformations et quels capteurs doivent être étalonnés et quelles sont les mesures réalisées spécifiquement pour chaque patient, de façon préopératoire et peropératoire.
Ecrivez de façon symbolique la position de l'effecteur du robot comme combinaison de transformations mesurées et étalonnées. (Les questions 2 et 3 sont préparatoires à cette question). (4 pts)
Mesures préopératoires : position de la cible par rapport à des marqueurs anatomiques ou des marqueurs spécifiques Tmarq_cible
Mesures peropératoires : position des marqueurs (ou directement de la cible) dans les images rayon X : Timageur1_marq
Pour chaque tumeur, le chirurgien definit les positions de traitement souhaitées : Tcible_accelerateur
Capteurs devant être étalonnés : les 2 imageurs rayon X (d'après Q2), le robot (d'après Q3) Positions relatives devant être étalonnées : Tbaserobot_imageur1 (Q3) et Timageur1_imageur2 (Q2) et Teffecteur_accelerateur (Q3)
Tbaserobot_eff = Tbaserobot_imageur1 Timageur1_marq Tmarq_cible Tcible_accelerateur Taccelerateur_eff
5. Proposez une méthode d'étalonnage pour déterminer la position relative des deux imageurs à rayon X. (2 pts)
Une possibilité consiste à utiliser un marqueur de géométrie connu que l'on place de sorte à ce qu'il soit visible par les 2 imageurs. Si les paramètres intrinsèques des capteurs ont été obtenus par ailleurs, il est possible de faire une estimation de la pose du marqueur par rapport à chacun des imageurs : Tcap1_marq et Tcap2_marq. La position relative des imageurs est obtenue par composition des poses. : Tcap1_cap2 = Tcap1_marq * inv(Tcap2_marq)
Cette méthode est basique mais risque de donner de mauvais résultats. Pour améliorer la précision il est souhaitable d'utiliser plusieurs positions différentes du marqueur et de déterminer simultanément la position relative recherchée et les poses de chaque marqueur qui minimisent les erreurs de reprojection des marquages dans les images X.
6. Dans la méthode de recalage avec des marqueurs (paragraphe Fiducial de l'article), l'auteur explique que les marqueurs ne doivent pas être placés au hasard. Expliquez pourquoi. (2 pts)
2
Il y a 2 contraintes à respecter : les marqueurs doivent être proches de la cible et pas trop proches les uns des autres.
La première contrainte vient du fait que si les marqueurs sont éloignés de la cible, une faible erreur de localisation de ceuxci (préopératoire et / ou peropératoire) peut conduire à une erreur importante sur la cible par un effet de bras de levier.
Si les marqueurs sont trop proches les uns des autres, les erreurs d'estimation de la pose de l'ensemble des marqueurs pendant l'opération peuvent être importantes malgré de petites erreurs individuelles sur chaque marqueur.
7. Dans la méthode de recalage utilisant le système Synchrony, le système de suivi initial utilisant une caméra a été remplacé dans les nouvelles versions du Cyberknife par un système Optotrak. Quels sont les avantages de ce système par rapport à une simple caméra CCD ? (1 pt)
Le système optotrak est constitué de 3 caméras et offre par triangulation une précision d'estimation de pose bien supérieure à celle que l'on peut obtenir à l'aide d'une simple caméra. La précision en profondeur est notamment fortement améliorée.
8. Le système Synchrony permet un recalage en tempsréel. D'après vous, peuton considérer qu'il s'agit d'un système asservi ? Expliquez pourquoi. (2 pts)
On ne peut pas vraiment considérer ce système comme étant asservi, car si on déplace (involontairement par exemple) le capteur la position obtenue pour le système de traitement est directement affectée. Ce n'est pas le cas pour un système utilisant un asservissement visuel, pour lequel un déplacement du capteur (pas trop important) n'influence pas la position obtenue. La principale différence réside dans le fait que pour le système Cyberknife le suivi est réalisé dans le repère d'un capteur alors que la commande est réalisée dans le repère de base du robot, les deux étant distincts, leur rapport devant être connu.
9. L'auteur de l'article parle d'une précision du traitement de 0,5 mm. Sachant que la source de radiation peut être située à 1m du patient, déterminez la précision de positionnement en translation et en rotation que le système global doit permettre. Qu'en pensezvous ? (3 pts) La précision nécessaire en translation est de 0.5mm et en rotation de 0.028 degrés. La précision en translation semble possible mais celle en rotation est totalement illusoire étant donné tous les recalages nécessaires. On peut supposer que l'auteur parle en fait de répétabilité plus que de précision.
10. Pour étalonner la position du robot par rapport aux imageurs, on place un cristal isotrope à l'intersection des axes optiques des 2 imageurs à rayon X (l'isocentre). Le cristal est ensuite éclairé par un rayon laser placé dans l'axe du rayon de traitement. Le robot est amené dans différentes positions. Pour chaque position, on recherche l'orientation qui maximise l'éclairage du cristal (le rayon laser passe alors par l'isocentre des deux imageurs à rayon X).
A la lumière de cette technique d'étalonnage, expliquez pourquoi le système RoboCouch permet d'améliorer de façon importante la précision du système CyberKnife. (4 pts)
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L'étalonnage est réalisé en amenant le robot dans des positions pour lesquelles le rayon de traitement passe parfaitement à l'isocentre des imageurs. Pour ces positions particulières enregistrées, l'erreur pour atteindre l'isocentre est donc très faible, indépendamment des erreurs de recalage. En revanche les erreurs peuvent être très grandes pour d'autres orientations et d'autres positions de cible. En autorisant le déplacement direct du patient, le système roboCouch permet de réaliser le traitement toujours au même endroit (l'isocentre). Comme le robot robocouch est cartésien, la précision de positionnement possible est bien meilleure que celle du Cyberknife. ainsi, la précision de traitement accessible est bien améliorée.
Vocabulaire to allow : permettre assumption : hypothèse breathing : respiration
to carry out : réaliser, mener à bien clamp : pince, système de serrage couch : lit
feature : caractéristique
frame : dans le cas de l'article signifie cadre – frameless : sans cadre gantry : plateforme
lung : poumon skull : crâne
spine : colonne vertébrale to spread out : écarter to update : mettre à jour to warp : déformer
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