Lors de discectomie par thoracoscopie, les outils de visualisation procurent peu d’information de profondeur et le champ de visualisation de la caméra miniature insérée dans le patient est relativement restreint. Aussi, le mouvement simultané de la caméra et des instruments chirurgicaux peut provoquer une désorientation. Ainsi, la courbe d’apprentissage pour l’utilisation de cette technologie est très abrupte et un nombre restreint de chirurgiens choisissent l’intervention minimalement invasive malgré les avantages qu’elle peut procurer aux patients. En effet la discectomie par thoracoscopie réduit les pertes sanguines, le traumatisme des tissus entourant le disque afin d’accéder à la zone d’intérêt et le temps d’hospitalisation. Les discectomies sont prescrites à certains patients scoliotiques afin de redonner de la flexibilité à la colonne avant l’instrumentation (pose de vis et tige pour corriger la déformation). La résection du disque intervertébral est faite partiellement et la quantité du disque réséqué dépend du degré de flexibilité que le chirurgien désire redonner au patient. En effectuant la discectomie par thoracoscopie, il est impossible pour le chirurgien de visualiser rapidement la quantité de disque restant en plus d’avoir les désavantages de désorientation et de petit champ de vision de la caméra miniature insérée dans le patient. Il est donc pertinent de tenter de réduire les problèmes de visualisation rencontrés lors des thoracoscopies en procurant au chirurgien la possibilité d’examiner en 3D les structures anatomiques du patient pendant la chirurgie sans ajouter de radiations supplémentaires au patient. Ce système d’assistance permettrait également d’accroître la sécurité du patient et la qualité de la chirurgie en donnant aux chirurgiens la possibilité de localiser en 3D la moelle épinière et en leur donnant également la possibilité de visualiser la quantité de disque restant. Ainsi, l’intérêt de fusionner les images vidéo avec un modèle pré-opératoire 3D est alors tout indiqué.

À ce jour, quelques équipes ont travaillé sur l’élaboration de systèmes d’assistance chirurgicale pour des procédures minimalement invasives mais les solutions apportées ne = sont pas applicables pour les interventions sur les disques soit en raison d’utilisation d’imagerie invasive ou de marqueurs invasifs qui doivent être fixés sur chaque niveau vertébral soit avant la chirurgie pour l’acquisition d’images pré-opératoires ou pendant la chirurgie pour effectuer le recalage.

Cette étude a donc pour objectifs de proposer, développer et valider les étapes de préparation du modèle 3D pour la navigation lors de chirurgies minimalement invasives du rachis. La préparation du modèle comprend une phase de segmentation automatique des disques intervertébraux et une phase de recalage du modèle 3D pré-opératoire avec une radiographie intra-opératoire afin que ce modèle représente la position du patient en début de chirurgie.

Ce projet vise à vérifier 2 hypothèses :​ 1) Le modèle tridimensionnel des disques intervertébraux peut être construit automatiquement à l’aide d’images par résonance magnétique avec une précision d’au moins 2 mm dans la direction transverse afin de représenter précisément la structure principale d’intérêt lors d’une discectomie par thoracoscopie et 2) Il est possible d’effectuer une mise à jour du modèle 3D préopératoire à l’aide d’un seul plan radiographique per-opératoire précisant la position du patient lors de la chirurgie dans le but de procurer au chirurgien un environnement augmenté facilitant la procédure de discectomie par thoracoscopie.

La première partie de l’étude a permis de proposer une technique de segmentation automatique des disques intervertébraux de patients scoliotiques à partir d’images par résonance magnétique (IRM). Cette segmentation automatique, repose sur la technique du watershed, sur l’utilisation d’opérateurs morphologiques, et est associée à un système de reconnaissance de forme basé sur des caractéristiques de texture. Une étude clinique effectuée sur une cohorte de 11 patients scoliotiques a permis de démontrer qu’il était possible de segmenter automatiquement les disques de patients scoliotique et que le problème de sursegmentation peut être éliminé grâce à l’étape de classification.

Dans une deuxième étude, nous avons étudié la précision de la segmentation automatique proposée. Les métriques utilisées pour évaluer la segmentation automatique est le volume en voxels et le Dice Similarity Coefficient (DSC) qui permet de quantifier la superposition entre le volume estimé par la technique et le volume obtenu par une segmentation manuelle faite par trois experts. Les résultats ont montré que le DSC peut atteindre jusqu’à 0.79 (± 0.04) selon le type de séquence IRM utilisé. Aussi, l’effet de cinq facteurs pouvant influencer les résultats a été évalué soit la variabilité inter-patient, la position du disque par rapport à l’apex de la courbure, le type de séquence IRM choisie, le degré de déformation de la scoliose et l’utilisateur (expert). Parmi les cinq facteurs étudiés, seul le type de séquence IRM a un effet significatif sur les résultats de la segmentation automatique. Il est donc important de choisir la bonne séquence IRM afin d’avoir des résultats de segmentation automatique satisfaisant. La mesure de volume a quant à elle montré que la segmentation automatique sous-estimait systématiquement la grosseur des disques intervertébraux et que dans le plan sagittal, la distance entre le point le plus postérieur du disque segmenté et celui déterminé par les experts est en moyenne 1.8 mm (± 0.8 mm). Finalement, les résultats ont aussi montré que la variabilité interexperts (segmentation manuelle) était légèrement supérieure à la variabilité entre un expert donné et la segmentation automatique. Ceci permet donc d’affirmer que la segmentation automatique est aussi fiable que la segmentation manuelle faite par des experts.

Par la suite, une étude sur le recalage 3D/2D entre les données pré-opératoire IRM du patient en décubitus dorsal et les données intra-opératoires du patient en décubitus latéral provenant d’une seule vue radiographique (Rx), a permis d’étudier l’utilité d’un modèle articulé dans un contexte de recalage de structure semi-rigide comme la colonne vertébrale. Le modèle articulé est représenté par des ensembles consécutifs d’articulations intervertébrales reliant chacune des vertèbres. Le changement de position entre les deux acquisitions d’images modifie la position relative d’une vertèbre par rapport à l’autre dans l’espace. Avec une image Rx dans le plan antéropostérieur, le processus d’optimisation développé pour minimiser l’erreur de rétroprojection du modèle 3D afin qu’il représente la position de l’image Rx, cause en un problème connu de dislocations de vertèbres dans le plan latéral. Ainsi, l’utilisation du modèle articulé qui représente un ensemble de vecteurs de translation et rotation reliant chacune des vertèbres de la colonne, permet de contraindre la solution dans le processus d’optimisation. La validation de cette technique de recalage 3D/2D a été réalisée en deux phases. La première phase a été faite en utilisant des données intra-opératoires simulées avec l’ajout de différents niveaux de bruit aléatoire ayant une distribution normale dans les données. Les résultats des simulations ont montré que l’erreur (mTRE 3D) est de 4.42 mm (± 0.83) pour un niveau de bruit correspondant à une erreur de 0.9 mm. Les résultats de la deuxième partie de l’étude ont montré que pour 3 cas cliniques de patients scoliotiques, l’erreur (mTRE 3D) est de 3.38 mm. L’étude montre donc qu’il est possible d’effectuer un recalage 3D/2D à l’aide d’une seule vue radiographique intra-opératoire présentant un changement de posture du patient grâce à l’utilisation d’une contrainte dans le processus d’optimisation.

Finalement, suite au recalage rigide des points de contrôle à l’interface disque/vertèbres, associé à un patient présentant un changement de posture, l’espace entre deux vertèbres consécutives change ce qui entraine une déformation des disques intervertébraux doivent se déformer afin de combler l’espace. Un recalage élastique des disques intervertébraux est donc nécessaire. Dans une étude préliminaire nous avons montré qu’il était possible de déformer les disques avec l’utilisation des mêmes points de contrôle que ceux employés pour le recalage rigide (positionnés sur l’interface disque/vertèbre supérieure et disque/vertèbre inférieure). La technique proposée permet d’effectuer un recalage élastique 3D/3D grâce à la technique de krigeage combinée à un critère de validation croisée qui permet de déterminer automatiquement le type de polynômes qui prédit le mieux le type de déformation associée à chaque niveau vertébral. L’étude préliminaire montre qu’à partir de 10 points de contrôle par disque les résultats de la déformation ne varient pas significativement. Aussi, à l’aide de 3 simulations de déformations différentes et de 10 points de contrôle pour chaque disque, l’étude a montré que le choix du type de polynôme est important puisque l’erreur moyenne sur un ensemble de points de validation (différents des points de contrôle) peut augmenter d’un facteur de trois selon le type de polynôme choisi pour le terme de comportement moyen et le terme de fluctuation locale utilisés dans l’équation de krigeage.

Ainsi, ce projet a permis de démontrer que la segmentation automatique des disques intervertébraux est possible grâce à l’utilisation de l’information du gradient d’intensité et de texture des images et qu’elle peut être obtenue avec une précision supérieure à 2 mm dans la direction transverse. Ce projet a aussi permis de conclure qu’il est possible d’effectuer un recalage 3D/2D à l’aide d’un seul plan intra-opératoire Rx grâce à l’utilisation du modèle articulé qui permet de tenir compte des changements relatifs d’une vertèbre par rapport à l’autre tout en contraignant la solution dans une zone plausible.

L’apport innovateur de ce projet est le développement et la validation d’une nouvelle technique de segmentation automatique des disques intervertébraux qui exploite le contenu d’intensité et de texture des images par résonance magnétique en utilisant entre autre, des méthode de détection de contour basé sur de l’information de gradient et des méthodes de reconnaissance de formes. L’innovation provient aussi de la technique de recalage 3D/2D qui est fait à l’aide d’une seule radiographie intra-opératoire et qui permet le recalage d’une structure articulée comme la colonne vertébrale.

Visualization tools available while doing thoracoscopic diskectomy do not show depth information and the field of view of the miniaturized camera inserted into the patient is small. Also, simultaneous movement of the camera and surgical tools may result in disorientation. The learning curve for the use of this technology is very steep and numbers of surgeons choose not to use minimally invasive surgery despite important advantages for the patients. Indeed, thoracoscopic diskectomy reduce blood loss, trauma of surrounding soft tissues to access intervertebral disks and hospitalization time. Diskectomy are prescribed to specific scoliotic patients to gain flexibility of the spine before instrumentation surgery (fixation of screws and rod to correct the deformation). The intervertebral disk is partly resected depending on the level of flexibility the patient has to gain according to the surgeon. During thoracoscopic diskectomy, it is impossible for the surgeon to rapidly visualize the remaining disk tissue and this further increase the disadvantages for the surgeons. Hence, it is relevant to try to reduce visualization problems encountered during thoracoscopic diskectomy by providing to the surgeons a 3D view of the whole spine during the surgery, without adding supplementary radiation to the patient. The computer assisted surgery system would also increase the security of the patient by allowing the surgeons to localize rapidly in 3D the spinal canal as well as the remaining disk. The fusion of the video images with 3D spine of the patient is of great interest for the surgeons.

As of today, some teams have worked on the development of computer assistance surgery system for minimally invasive procedures but the proposed solutions are not appropriate for our clinical context mainly because of the use of invasive imaging modality or the use of invasive markers that need to be rigidly attached to bones for the pre-operative imaging or during the surgery for the registration process.

The aim of this study is to propose, develop and validate the steps for the preparation of the 3D model for the navigation during minimally invasive surgery of the spine. The preparation of the model involves a step of automatic segmentation of intervertebral disk and a registration step to obtain the pre-operative 3D model of the spine into the intra-operative position.

This project verifies two hypotheses 1) the tri-dimensional model of intervertebral disks can be automatically reconstructed from MRI with a precision of at least 2 mm in the transverse direction in order to precisely represent the main structure of interest of a thoracoscopic diskectomy.

The first part of the study proposed an automatic segmentation of intervertebral disks from scoliotic patient on MRI. This automatic segmentation based on the watershed technique and morphological operators is combined to a pattern recognition technique using texture features of the images. The clinical study done on a cohort of 11 scoliotic patients, showed that it was possible to automatically segment intervertebral disks and the over segmentation problem can be eliminate with the classification process.

To investigate the precision of the proposed segmentation process, a second study was conducted. The metrics used to evaluate the automatic segmentation is the volume measured in voxles and the DSC which quantifies the superposition between the volume estimated by the automatic process and the real volume estimated by manual segmentation done by 3 experts. Results show that the DSC can reach up to 0.79 (± 0.04) depending on MRI sequences used. Moreover, five factors that can possibly influence the results of the automatic segmentation were evaluated:​ inter-patient variability, position of the disk relative to the apex of the curvature, the type of MRI sequence, the degree of severity of the scoliosis and the user (expert). Among these studied factors, only the type of MRI sequence had an effect on the results of the proposed automatic segmentation process. Therefore, it is important to choose the proper MRI to obtained satisfactory results of the automatic segmentation of the intervertebral disks. The measurement of the volumes showed that the proposed method systematically under estimated the size of the disks and that in the sagittal plane, the distance between the more posterior points of the segmented disk and to the one obtained from the manual segmentation, has a mean value of 1.8 mm (± 0.8 mm). Lastly, the results also showed that the inter users variability (manual segmentation) is slightly superior to the variability between the manual segmentation and the automatic segmentation. This confirms that the automatic segmentation is as reliable as the manual segmentation done by experts

Following the automatic segmentation of the intervertebral disks, is a study on the 3D/2D registration between pre-operative MRI data of the patient lying supine and intraoperative X-ray data of the patient lying on the side. This study investigates the use of an articulated model in a registration context involving semi rigid structure like the spine. The articulated model of the spine is presented as consecutive articulation linking each vertebrae one to the other. A change in the patient positioning between image acquisitions modifies the relative position of the vertebra in the 3D space. With a single X-ray in the sagittal plane, the optimization process developed to minimize the error between the retro projection points of the 3D model and the corresponding points on the X-ray results in a known vertebral dislocation problem in the lateral plane. Therefore the use of an articulated model, consisting of a vector of translations and rotations linking each vertebrae of the spine, is used to constrain the solution during the optimization process. The validation of the 3D/2D registration technique is done in two phases. The first phase consists of using simulated intraoperative data with the addition of normally distributed random noises. The results of the simulations showed that the mTRE 3D error is of 4.42 mm (± 0.83) for a noise level corresponding to an error 0.9 mm in the manual identification of control points. The results of the second phase of the study showed that for the three clinical cases of scoliotic patients, the mTRE 3D is of 3.38 mm. Hence the study demonstrates that it is possible to achieve a 3D/2D registration with a single intraoperative X-ray of patient presenting a change of posture if a constraint is used in the optimization process.

Finally for a patient presenting a change of posture, the rigid registration of the control points located at the interface disk/vertebra has to be followed by an elastic registration so that the new space between two consecutive vertebrae can be filled up properly with the intervertebral disk. A preliminary study illustrated that it was possible to deform the disk with the same control points as the ones used for the rigid registration. The proposed technique consists of a 3D/3D elastic registration perform with kriging combined with a criteria of cross validation to automatically choose the optimal combination of polynomial able to best predict the type of deformation occurring in the different spine level during a specific change of posture. The preliminary study illustrates that from 10 control points and over, the results of the proposed elastic deformation method do not change significantly. Also, using three simulations of different deformations and 10 control points for each intervertebral disk, results showed that the choice of the type of polynomial used in the kriging equation is important since the mean error on the validation points can be up to three times higher depending on the type of polynomials used.

With this project, we can conclude that the automatic segmentation is possible with the use of gradient and textural information and can be obtained with a precision superior to 2 mm in the transverse direction. We can also conclude that it is possible to achieve a 3D/2D registration with a single intraoperative X-ray plane with the use of an articulated model which takes into account the change of the relative position of the vertebras while constraining the solution in a plausible zone.

The innovation for the proposed application first lies in an automatic segmentation method which takes advantages of gradient and textural information of MR images and the use of contour detection technique based on watershed and pattern recognition. The innovation also comes from the proposed 3D/2D registration technique that can be done with a single intraoperative X-Ray and which allows the registration of an articulated structure like the spine.