Système télé-échographie

Le principe de l’échographie

La définition

Parmi les différentes techniques d’imagerie médicale les plus couramment employées en routine hospitalière, on retrouve l’imagerie par rayons X, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et l’imagerie ultrasonore (US). L’échographie est une technique d’imagerie médicale, basée sur l’analyse de la propagation des ultrasons, qui permet la visualisation interne en 2 dimensions (2D) ou 3 dimensions (3D) de nombreux organes du corps humain. L’examen médical réalisé par un spécialiste en échographie est rapide, non invasif, reproductible et peu onéreux. Cette méthode d’imagerie temps-réel apporte donc un réel avantage dans le cadre d’applications telle que celui de la chirurgie mini-invasive. D’un point de vue technique, pour réaliser une coupe 2D d’un organe, la sonde ultrasonore doit être en contact continu avec la peau du patient (Fig. 1.1(a)), et l’image 2D obtenue est représentée en niveaux de gris (Fig. 1.1(b)).

Le principe

Un système d’échographie est composé d’une sonde échographique, d’un système informatique et d’un système de visualisation. La sonde échographique est à la fois l’émetteur et le récepteur des ondes ultrasonores ; elle est placée sur le corps du patient, émet des ondes ultrasonores et récupère les ondes réfléchies par les tissus présentant des impédances acoustiques différentes. Les signaux reçus sont transférés au système informatique pour générer l’image échographique qui s’affiche alors sur le système de visualisation.

Pour une interface air/tissu mou, le coefficient de réflexion R peut atteindre 99% et empêche la visualisation des tissus situés derrière cette interface ; c’est la raison qui conduit, lors d’un examen, à l’application d’un gel sur le corps du patient pour limiter la rupture d’impédance. En revanche, entre deux tissus mous d’impédance acoustique voisine, la valeur de R est inférieure à 10%, plus de 90% de l’onde US est transmise permettant alors la visualisation des structures anatomiques profondes. En fonction de la représentation du signal échographique, la modalité de l’échographie peut être classée en deux catégories (Fig. 1.3) :
– Mode A (amplitude), le signal échographique est représenté par l’amplitude des échos réfléchis résultant des modifications d’impédances des interfaces traversées. Le mode A ne génère pas directement une image échographique, mais plutôt un signal d’amplitude en fonction du temps. Cette technique est actuellement principalement utilisée en ophtalmologie pour mesurer la taille du globe oculaire ;
– Mode B (brillance), la sonde émet un ensemble d’ondes ultrasonores. En interpolant le niveau d’amplitude en niveau de gris et combinant les signaux réfléchis reçus, on génère une image en niveau de brillance ; c’est le mode le plus répandu actuellement. Selon les types de sonde utilisées, on obtient un champ de visualisation différent.

Les différentes sondes échographiques

Plusieurs types de sondes sont développés pour répondre aux différents besoins des centres hospitaliers. Dans cette section, nous présentons brièvement les différentes géométries de capteurs développés pour l’échographie.

Les transducteurs 2D. Ce sont les capteurs échographiques les plus utilisés par les experts. Ils sont de formes variées pour répondre aux différents examens considérés et aux contraintes anatomiques associées. La Fig. 1.4 présente quelques sondes 2D les plus utilisées : les sondes allongées intra-cavitaires souvent utilisées en gynécologie, et en urologie pour l’analyse de la prostate et la vessie ; le transducteur convexe donne un champ de vue sous la forme d’un secteur, plus large que la sonde linéaire. La sonde convexe est souvent utilisée pour les examens abdominaux.

Les transducteurs bi-plans. Les capteurs bi-plans sont utilisés sur les sondes transrectales et donnent deux images échographiques 2D perpendiculaires simultanées. Deux types de sonde bi-plans sont présentés dans Fig. 1.5. La sonde (a) offre à l’aide de deux plans ultrasonores perpendiculaires une image horizontale et une image verticale, et la sonde (b) fournit une image latérale et une image horizontale.

Les transducteurs 3D/4D. La figure 1.6(a) présente le principe du capteur 3D : le transducteur de la sonde 2D est motorisé pour réaliser un balayage mécanique dans l’espace, un ensemble des images échographiques 2D est généré par le système informatique et le volume virtuel 3D dense est reconstruit par méthode d’interpolation. Trois types de balayage sont proposés par [Rohling 1998] (Fig. 1.6(c)) : la rotation axiale souvent utilisée pour les sondes 3D transrectales, la rotation latérale et la translation sont couramment utilisées pour les sondes 3D abdominales.

Il existe également des sondes miniatures 2D dédiées à des applications de chirurgie mini-invasive (Fig. 1.7). Elles sont introduites dans le patient par l’intermédiaire d’un point d’incision. Le transducteur est ainsi positionné au contact d’un organe donné tel que le foie.

Les domaines d’utilisation

Les caractéristiques de l’échographie, méthode peu onéreuse, non invasive et temps-réel, lui permettent une utilisation dans de nombreux domaines pour :
– Visualiser les organes à l’intérieur du corps humain comme les glandes, vaisseaux, tumeurs, fœtus.. . En particulier, l’obstétrique constitue un domaine médical d’application privilégié de l’échographie ;
– Guider en chirurgie mini-invasive l’insertion de l’aiguille à l’intérieur du corps humain.
– Réaliser un diagnostic sur un patient localisé sur un site médicalement isolé ; cet acte de télémédecine nommée télé-échographie est apparue aux débuts des années 90.
– Commander les systèmes robotiques médicaux en modes semi-autonomes et autonomes par asservissement visuel basé sur des images échographiques .

État de l’art des travaux de télé-échographie robotisée

Le développement des systèmes numériques a conduit à l’amélioration de la qualité d’image et à la portabilité des systèmes et a permis d’introduire cette technique d’imagerie dans les domaines médicaux interventionnels et des thérapies en tant que “guide visuel”. Depuis les années 1990, le développement des technologies de l’information et de la communication permet aux experts de réaliser les examens échographiques à distance. Ce concept de la télé-échographie aide les experts pour l’examen de patients situés dans des zones géographiquement et médicalement isolées, comme par exemple, en zones montagneuses ou rurales, des zones de guerre etc. Cette approche de la médecine non invasive à distance à un impact socio-économique important car elle contribue à réduire les transports inutiles, du patient ou de l’expert, et donc à économiser du temps et de l’argent.

La télé-échographie non robotisée

Télé-échographie 2D non robotisée. La première génération de système de télééchographie 2D non robotisée à été étudiée à partir des années 1990. Un assistant pose la sonde échographique sur la peau du patient, l’image échographique est transmise à travers un réseau de communication à l’expert. L’expert analyse l’image échographique et l’assistant situé à côté du patient manipule la sonde en suivant les commandes orales de l’expert via un système de vidéo conférence. La Fig. 1.8 illustre le schéma de principe de la télé-échographique non robotisée 2D. Ce type d’approche de télémédecine est présenté dans [Emerson 1995], dans le système japonais [Umeda 2000] et dans le système de la NASA [Hamilton 2001, Melton 2001]. Dans le cas de la télé-échographie 2D non-robotisée, les images échographiques sont envoyées en temps réel. En revanche, comme l’expert ne peut pas manipuler directement la sonde, la qualité du diagnostic est faible comparée à un acte d’échographie classique. En effet, l’échographie est un geste expert-dépendant, et la modification de l’orientation de la sonde de quelques degrés par l’assistant peut conditionner le diagnostic final.

Télé-échographie non robotisée 3D Pour résoudre ce problème, un deuxième type de télé-échographie non robotisée est apparu vers la fin des années 1990. Ce type de télé-échographie non robotisée est qualifié de 3D car la sonde effectue un balayage de la zone à examiner; un volume échographique 3D est généré et envoyé vers l’expert. L’expert, muni d’une sonde virtuelle, analyse et diagnostique le patient à partir du volume généré post-examen; dans ce cas, l’examen n’est pas temps-réel. Le schéma de principe de la télé-échographie non robotisée 3D est présenté par la Fig. 1.9. Le système MUSTPAC [Littlefield 1998, Macedonia 1998] et le projet européen EU-TeleInViVo [Kontaxakis 2000, Sakas 2001] ont utilisé ce principe.

Utilisation du robot : locale / mobile

Le projet européen MIDSTEP (Multimedia Interactive DemonStrator TElePresence) [De Cunha 1998] est considéré comme l’un des premiers projets de télé-échographie (1996– 1999). MIDSTEP a ainsi permis de développer une plate-forme de télé échographie en utilisant un robot porte-sonde ultrasonore commercialisé par Armstrong UK. Le but de ce projet était de démontrer non seulement le concept de télé-échographie, mais aussi la faisabilité de la télé-présence et de la télé-opération en chirurgie (Fig. 1.11(a)). Le système développé au LIRMM  [Pierrot 1999] présente un système de télé-échographie (Fig. 1.11(b)) basée sur un robot Hippocrate qui porte une sonde échographique. Le robot Hippocrate est un robot sériel à 6 degrés de liberté (DDL) équipé sur l’effecteur d’un capteur d’effort. L’objectif de cette plate forme consiste à faire balayer la sonde en mode autonome sur la peau du patient afin de reconstruire un volume 3D de l’artère carotide. Ultrasound Robot est aussi un robot porte-sonde de la première génération, développé par Salcudean à l’université de British Columbia [Salcudean 1999]. C’est un robot à structure parallèle, qui est aussi équipé d’un capteur d’effort sur l’effecteur afin de garantir un contact entre la sonde et la peau du patient. La première méthode d’asservissement visuel [Abolmaesumi 2002] a été validée sur ce système. Cette méthode consiste à contrôler les 3 DDL du robot dans le plan image pour suivre une section d’intérêt de l’artère carotique.

Ces trois systèmes de télé-échographie ont un point commun : le robot est positionné auprès du patient et il est fixe. Dans ce manuscrit, nous les classifions en tant que systèmes locaux. Étant donné que le robot porte-sonde doit être amené à côté du patient, ce type de robot, de par son encombrement, offre peu de facilité de mobilité. Afin d’améliorer la capacité de mobilité de ces systèmes de télé-échographie robotisée, des travaux sur la conception et l’optimisation des structures ont été engagés afin de rendre ces systèmes plus légers et portables. Le système Syrtech [Gourdon 1999] (Fig. 1.12 (b)) développé par le Laboratoire Vision et Robotique  (LVR) de l’Université d’Orléans est le premier robot de télé-échographie sérielle sphérique portable à 3 DDL, dont le centre de rotation distant est constitué par le point de contact entre l’extrémité de la sonde et la peau du patient. Ce robot réalise 3 rotations mais ne possède pas de composante de translation. L’originalité apportée par ce projet est le système “main-libre”, appelé sonde fictive, utilisé du côté expert et qui fournit à celui-ci la sensation de manipuler une vraie sonde d’échographie contrairement aux systèmes type “joystick” proposés dans les précédents travaux. Le robot développé par Masuda à l’Université de Tokyo [Masuda 2001] est un robot parallèle à 6 DDL de 3.3 kg ; c’est un robot de télé-échographie portable (Fig. 1.12 (a)). Durant la phase opératoire, le robot se fixe sur le lit du patient, la sonde est montée sur l’espace central du robot sur un système de cardan, où 4 capteurs d’effort sont installés. L’expert manipule ce robot par 2 joysticks, l’un pour déplacer la sonde à la recherche de l’organe et l’autre pour la rotation propre de la sonde.

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Table des matières

Introduction
1 Système télé-échographie
1.1 Le principe de l’échographie
1.1.1 La définition
1.1.2 Le principe
1.1.3 Les différentes sondes échographiques
1.1.4 Les domaines d’utilisation
1.2 État de l’art des travaux de télé-échographie robotisée
1.2.1 La télé-échographie non robotisée
1.2.2 La télé-échographie robotisée
1.3 Architecture globale d’une plate-forme télé-échographie robotisée
1.3.1 La station “expert”
1.3.2 La station “patient”
1.3.3 Le lien de communication
1.4 Les objectifs de la thèse
1.4.1 L’analyse des contraintes du système de télé-échographie
1.4.2 Les objectifs
2 Asservissement visuel échographique
2.1 Introduction à l’asservissement visuel
2.1.1 Le principe
2.1.2 État de l’art des travaux en asservissement visuel échographique
2.2 Synthèse d’un asservissement visuel
2.2.1 Le principe de l’asservissement visuel classique
2.2.2 Spécificités du capteur échographique
2.2.3 Synthèse d’un asservissement visuel échographique
2.3 Contributions à l’estimation du vecteur normal
2.3.1 Estimateur de vecteur normal existant
2.3.2 Nouvel estimateur du vecteur normal proposé
2.4 Conclusion
3 Contour actif paramétrique
3.1 Segmentation des images échographiques
3.1.1 État de l’art
3.1.2 L’objectif
3.2 La modélisation
3.2.1 La formulation générique
3.2.2 Paramétrisation basée sur les descripteurs de Fourier
3.3 Initialisation
3.3.1 Initialisation basée sur une force de pression
3.3.2 Initialisation basée sur le seuillage adaptatif
3.4 Changement topologique
3.5 Implantation sur carte graphique
3.5.1 CUDA
3.5.2 Étude d’optimisation
3.5.3 Algorithme et implantation
3.6 Résultats obtenus
3.6.1 Résultats obtenus sur des images binaires
3.6.2 Résultats obtenus sur des images échographiques
3.6.3 Résultats obtenus lors du changement de topologie
3.6.4 Comparaison des temps de calculs sur CPU et GPU
3.7 Conclusion
4 Modes autonomes d’assistance à la télé-échographie robotisée
4.1 Définition des tâches d’assistance
4.2 Tâche de balayage automatique
4.3 Tâche de récupération de section anatomique
4.3.1 Asservissement en position
4.3.2 Asservissement visuel
4.4 Tâche de positionnement à partir d’une échographie virtuelle
4.5 Tâche de maintien de visibilité
4.5.1 Choix des informations visuelles
4.5.2 Loi de commande
4.6 Simulations et validations expérimentales
4.6.1 Tâche de balayage automatique
4.6.2 Tâche de récupération de section anatomique
4.6.3 Tâche de maintien de visibilité
4.7 Conclusion
5 Implantation et validation
5.1 La plate-forme Prosit
5.1.1 L’architecture du système Prosit
5.1.2 L’Interface Homme-Machine (IHM)
5.1.3 Robot Prosit
5.1.4 Sonde haptique
5.2 Intégration des modes d’assistances
5.2.1 Intégration de la tâche d’asservissement visuel
5.2.2 Synthèse de la tâche de maintien de visibilité
5.2.3 Etalonnage du système
5.3 Validation expérimentale
5.3.1 Expérimentation sur un fantôme abdominal
5.3.2 Validations sur patients volontaires
5.4 Conclusion
6 Conclusion

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