Guidage robotisé d'une aiguille flexible sous échographie 3D pour la curiethérapie de la prostate

La curiethérapie constitue 25% à 30% des opérations de traitement utilisées sur les 40.000 cas de cancer de prostate par an en France. Elle consiste à mettre manuellement une trentaine d'aiguilles creuses dans la prostate, à travers le périnée, en utilisant des images échographiques pour localiser la prostate et les aiguilles. Au moyen de ces aiguilles, des grains radioactifs sont insérés dans la prostate à des endroits précis pré-planifiés grâce à l'imagerie. Le succès de l'opération est étroitement lié à la répartition et l'homogénéité de la dose radioactive répartie dans la prostate, donc à la précision avec laquelle les grains y sont placés. Cette précision est affectée par plusieurs facteurs. Premièrement, la prostate bouge et se déforme pendant l'insertion des aiguilles et lors des déplacements de la sonde échographique pour les acquisitions d'images. Deuxièmement, la taille de la prostate est susceptible d'augmenter pendant l'opération à cause des saignements occasionnés. Enfin, les aiguilles sont très minces et susceptibles de se courber pendant leur insertion.Le laboratoire TIMC-IMAG (équipe GMCAO) a mis au point un système robotisé d'insertion d'aiguilles transpérinéale, guidé par échographie 3D avec le but d'améliorer la précision, la fiabilité et l'efficacité de la pose des grains. Ces travaux ont montré une première faisabilité globale de l'approche avec un premier prototype de laboratoire. Cependant l'approche actuelle permet de corriger seulement en partie les bougés et déformations de la prostate en cours de geste grâce au couplage avec des méthodes d'imagerie 3D. La correction ne tire pas parti des informations très riches issues de l'imagerie : seule la profondeur d'insertion est modifiée pendant le geste. Le LIRMM (équipe DEXTER) a développé récemment une approche de planification adaptative pour le guidage d'aiguille flexible lors de leur insertion dans des procédures percutanées. La technique proposée permet la mise à jour du chemin suivi par l'aiguille en intégrant des informations obtenues en ligne par un retour visuel. Cette stratégie de planification et de contrôle est définie dans une architecture en boucle fermée et permet ainsi de compenser les incertitudes du système et les perturbations (déformations des organes, inhomogénéité des tissus, etc) auxquelles il est soumis.Le but de ces travaux de thèse est donc de coupler les savoir-faire de chacun des deux laboratoires afin d’apporter une solution de guidage d’aiguilles flexibles pour la curiethérapie de prostate. La réalisation de cet objectif passe, dans un premier temps, par l’élaboration d’un algorithme de suivi d’aiguille sous échographie 3D. Cet algorithme est confronté à la faible visibilité des aiguilles offerte par cette modalité d’imagerie, associée à diverses sources de bruit. Ces conditions rendent très difficile la détection de l’aiguille. Dans le but d’améliorer la robustesse de cet algorithme, la zone de recherche de l’aiguille dans le volume est déterminée par un modèle prédictif, qui constitue une première contribution de ce manuscrit. Le contrôle de l’aiguille par planification en boucle fermée a été adapté aux spécificités de l’imagerie échographique 3D ainsi qu’à celles du robot développé précédemment. Ce contrôle est couplé au retour visuel de l’aiguille donné par l’algorithme de détection. Ce dispositif a, par la suite, été testé sur fantômes puis sur pièce anatomique afin de déterminer la viabilité et la pertinence du système proposé.Ce travail constitue donc une première étape vers une future application clinique du guidage d’aiguilles flexibles. Si voir un système robotique insérer seul une aiguille flexible en clinique est encore un rêve lointain, l’idée d’un système d’assistance à l’insertion d’aiguille, où le clinicien et le robot travaillent de pairs, est une solution envisageable dès maintenant.