Design and evaluation of robotic systems for medical image guided percutaneous needle interventions

Conception et évaluation de systèmes robotiques de ponction d'aguilles percutanées sous contrôle d'imagerie médicale

Nikolai Hungr (1)

1 TIMC-IMAG - Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications, Grenoble - UMR 5525

This thesis describes the design and evaluation of robotic systems for medical image guided percutaneous needle interventions. Percutaneous needle interventions have become increasingly more common in the diagnosis and treatment of a variety of illnesses in the human population. Examples include biopsies, radiofrequency ablation, cryotherapy, abscess drainage, and brachytherapy, amongst others. The coupling of medical imaging to the insertion of a needle raises a number of difficulties for the physician, such as accurately aligning the needle to the planned trajectory in the image, realizing complex out-of-plane trajectories that are difficult to visualize and compensating for soft tissue motion. Robotics can be used to assist these procedures and simplify these challenges, potentially resulting in more accurate procedures, better clinical outcomes and greater patient eligibility. This thesis outlines the technical and clinical challenges typically faced during the design and evaluation of such needle insertion robots. Focus is given primarily to the aspects which differentiate needle insertion robots from other medical robots. A review of the state of the art is used to describe these challenges and to present some of the solutions that have been proposed to face them. On this basis, two such robotic systems, developed during this thesis, are described in detail, providing concrete examples of the variety of design constraints imposed in a medical image guided needle insertion setting. The first system, called PROSPER, is for ultrasound(US)-guided transperineal prostate interventions, in particular brachytherapy. It is mounted to the surgical table and a 3D transrectal US probe is rigidly connected to it, allowing one-time pre-operative calibration between the image and the robot coordinate spaces. The protocol developed for this system includes intra-operative US-US registration in order to compensate for prostate motion and deformation during insertion. This chapter exposes the challenges of a system that is not physically present in the imaging space and that takes into account the various constraints inherent to a soft tissue environment. The second system, called the LPR, is for thoracic and abdominopelvic interventional radiology procedures under CT and MRI guidance. It is mounted on the patient's body and positions and inserts the needle according to the trajectory and target chosen by the radiologist in the image. The robot is calibrated to the image intra-operatively using multi-modal fiducials embedded in the robot's structure. It is fully compatible with both imaging modalities in terms of image quality and space constraints. As opposed to the PROSPER robot, this chapter shows how the presence of the robot in the imaging space brings about a number of additional challenges that must be faced for its clinical acceptability. In the descriptions of both systems, emphasis is placed on the novel solutions put into place with the goal of providing a real clinical benefit to both patients and clinicians. Prototypes of each system were developed and evaluated on synthetic phantoms in terms of their pre-clinical compatibility and accuracy.

Cette thèse décrit la conception et l'évaluation de systèmes robotiques de ponctions percutanées d'aiguilles guidés par imagerie médicale. Les ponctions percutanées d'aiguilles sont devenues de plus en plus communs dans la diagnostique et le traitement d'un assortiment de maladies humaines. Des exemples d'interventions fréquentes sont les biopsies, les ablations de tumeurs par radiofréquence, la cryothérapie, le drainage et la curiethérapie, entre autres. Le couplage de l'imagerie médicale avec l'insertion d'une aiguille donne suite à un nombre de difficultés pour le clinicien, tels que l'alignement précis de l'aiguille à la trajectoire planifiée dans l'image, la réalisation de trajectoires complexes et hors-plans difficiles à visualiser, et la compensation du mouvement et déformation des tissus mous. La robotique peut être utilisé pour assister à ces procédures pour simplifier les défis et potentiellement améliorer leur précision, leur bénéfices cliniques et leurs taux d'inclusion. Cette thèse expose les défis techniques et cliniques auxquels il faut faire typiquement face pendant la conception et l'évaluation de tels robots de ponction, tout en restant sur les aspects qui les différentient d'autres robots médicaux. Une revue de l'état de l'art est utilisé pour décrire ces défis et pour présenter les divers solutions déjà proposés pour leur faire face. Sur cette base, deux tels systèmes robotiques, développés pendant cette thèse, sont décrits en détail, donnant ainsi des exemples concrètes des nombreuses contraintes imposés dans le cadre de ponctions d'aiguilles guidés par imagerie médicale. Le premier système, s'appelant PROSPER, est dédié aux interventions prostatiques transpérinéales guidés par imagerie ultrasonique, en particulier la curiethérapie. Le robot est fixé à la table chirurgicale et une sonde échographique 3D transrectale lui est rigidement relié, permettant ainsi un calibrage préopératoire entre l'espace du robot et l'espace image. Le protocole développé pour ce système inclue un recalage écho-écho peropératoire pour compenser le mouvement et la déformation de la prostate pendant l'insertion des aiguilles. Ce chapitre expose les défis d'un système qui n'est pas physiquement présent dans l'espace de l'image et qui tient en compte le divers contraintes intrinsèques à l'environnement des tissus mous. Le deuxième système s'appelle LPR et est destiné à la radiologie interventionnelle des régions thoraciques et abdominopelviennes, sous guidage TDM et IRM. Il est fixé sur le corps du patient et positionne et insère une aiguille selon une trajectoire et visant une cible choisis par le radiologue dans l'image. Le robot est calibré à l'image en peropératoire par moyens de mires multimodales incorporés dans la structure du robot. Il est entièrement compatible avec les deux modalités d'imagerie en terme de qualité d'image et contraintes de taille. Par rapport au robot PROSPER, ce chapitre montre comment la présence du robot dans l'espace de l'image donne suite à un nombre d'autres défis qui doivent être considérés pour permettre son acceptabilité clinique. Dans les descriptions des deux systèmes, l'accent est mis sur les solutions innovantes mises en place dans le but de fournir des vrais bénéfices cliniques aux patients ainsi qu'aux cliniciens. Des prototypes de chaque système ont été développés et évalués sur des fantômes synthétiques en termes de leur précision et compatibilité préclinique.

Mots clés: Robotics; Medical imaging; Puncture; MRI; CT; Ultrasound

Mots clés: Robotique; Imagerie médicale; Ponction; IRM; CT; Ultrasons

Domaines: Médecine humaine et pathologie

Nikolai Hungr. Conception et évaluation de systèmes robotiques de ponction d'aguilles percutanées sous contrôle d'imagerie médicale. Médecine humaine et pathologie. Université de Grenoble, 2014. Français. ⟨NNT : 2014GRENS003⟩. ⟨tel-00997017⟩