Brevet FR2926384A1 — publié le 20090717

PROCEDE DE TRAITEMENT D'IMAGES DE RADIOLOGIE INTERVENTIONNELLE ET SYSTEME D'IMAGERIE ASSOCIE DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine de l'imagerie médicale. Elle concerne plus particulièrement le traitement d'images en radiologie interventionnelle (images fluoroscopiques). Et plus particulièrement, elle concerne un procédé et un système io permettant un affichage temps réel de la position d'un instrument chirurgical dans une région d'intérêt d'un patient. ETAT DE LA TECHNIQUE 15 Le principe de la radiologie interventionnelle consiste, pour un praticien, à guider et à déployer un instrument chirurgical à l'intérieur du système vasculaire d'un patient en étant assisté par un système d'imagerie médicale. Un tel système d'imagerie médicale permet l'acquisition, le traitement 20 et l'affichage en temps réel d'images bidimensionnelles (2D) représentant le système vasculaire du patient et l'instrument chirurgical. Ces images permettent au praticien de guider l'instrument dans le système vasculaire. L'acquisition de ces images nécessite l'émission d'une faible dose de rayons X vers le patient sur lesquelles les vaisseaux sont visibles grâce à un 25 produit de contraste injecté au préalable dans le système vasculaire du patient. Pour visualiser l'instrument chirurgical à l'intérieur des vaisseaux du patient une image 2D ou 3D du système vasculaire du patient (c'est-à-dire un masque 2D ou 3D de la cartographie du système vasculaire du patient) 30 est acquise (en émettant une faible dose de rayons X vers le patient sur laquelle les vaisseaux sont rendus visibles par l'injection d'un produit de contraste) et est superposée à une image 2D acquise en temps réel. On peut à cet égard se référer à la publication scientifique suivante. S. Gorges et al. - 3D Augmented Fluoroscopy in Interventional Neuroradiology: Precision Assessment and First Evaluation on Clinical Cases - In Workshop AMI-ARCS 2006 held in conjunction with MICCAI'06, octobre 2006, Copenhague, Danemark. Un problème est que compte tenu du fait que deux images sont superposées, un quelconque défaut d'alignement est dommageable quant io au résultat visible : le praticien peut voir l'instrument à l'extérieur du système vasculaire ce qui est nuisible à la précision nécessaire au geste du praticien. Un tel défaut d'alignement est causé par le les mouvements physiologiques du patient (la respiration par exemple). Ces mouvements rendent complexes le guide de l'instrument puisque le praticien n'a accès 15 qu'aux images temps-réel sur lesquelles l'instrument peut apparaître à l'extérieur du masque 2D ou 3D. Par conséquent, un besoin de prendre en compte les mouvements physiologiques du patient est nécessaire pour améliorer d'une part la durée et d'autre part la qualité de l'intervention. 20 On connaît des techniques qui permettent de compenser les mouvements physiologiques d'un patient. Une technique est d'utiliser des capteurs internes ou internes (voir Jochen Krücker, Sheng Xu, Neil Glossop, Anand Viswanathan, Jôrn Borgert and Bradford J. Wood, Heinrich Schulz - Electromagnetic Tracking for 25 Thermal Ablation and Biopsy Guidance: Clinical Evaluation of Spatial Accuracy - Journal of Vascular and Interventional Radiology Volume 18, Issue 9, septembre 2007, pages 1141-1150 �). Cette technique nécessite la mise en oeuvre d'un dispositif de navigation electro-magnetique ou optique ce qui est une limitation clinique. Une autre technique est de se référer à un élément interne du corps du patient présentant un fort contraste, par exemple, le diaphragme, (Alexandre Condurachea, Til Aacha Kai Eckb, Jorg Brednob and Thomas Stehleb - Fast and robust diaphragm detection and tracking in cardiac x-ray projection images - In Proceedings of the SPIE volume 5747, pages 1766-1775, 2005). Enfin, cette dernière technique n'est pas compatible avec les dimensions du champ d'émission des rayons X pour l'acquisition des images fluoroscopiques. i0 PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention permet de caractériser et de compenser en temps réel le mouvement physiologique d'un patient au cours d'une intervention par la 15 détection de l'instrument chirurgical dans l'image acquise. Ainsi selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de traitement d'images pour l'imagerie interventionnelle dans lequel une région d'intérêt d'un patient est visualisée, comprenant une acquisition d'une succession d'images d'une région d'intérêt du patient. 20 Le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend en outre : une détection et un suivi, sur les images successives, d'au moins un instrument chirurgical introduit à l'intérieur de la région d'intérêt du patient, afin d'y isoler ledit instrument ; une comparaison de deux images successives sur lesquelles l'instrument chirurgical a été isolé pour y 25 identifier au moins une forme commune ; une estimation du déplacement de ladite forme commune entre ces deux images successives ; un traitement de recalage des différentes images successives en fonction des estimations de déplacements ainsi déterminées, ces estimations de déplacement étant considérées comme correspondant au déplacement provoqué par le 30 mouvement physiologique du patient à l'exception de tout autre mouvement. Pour détecter et suivre l'instrument chirurgical, on met en oeuvre les opérations consistant à : appliquer une opération de morphologie mathématique sur les images acquises ; filtrer les images sur lesquelles l'opération de morphologie mathématique à été appliquée de sorte que chaque pixel des images soit associé à une certaine probabilité ; traiter les probabilités obtenues pour réaliser un mappage destiné à faire ressortir un ensemble de pixels représentant l'instrument. Le traitement d'estimation détermine une déformation induite par le mouvement de l'instrument à l'exception de tout autre mouvement. io Par ailleurs, dans le cadre du traitement de recalage, la déformation estimée est appliquée -sur un masque tridimensionnel de la région d'intérêt du patient de manière à obtenir une image tridimensionnelle sur laquelle le mouvement physiologique du patient est compensé ; ou 15 - l'ensemble d'une image. Par conséquent, grâce au recalage en tenant compte seulement du mouvement physiologique, l'image délivrée au praticien est exempte de défauts d'alignement, l'instrument se trouve toujours à l'intérieur du masque du système vasculaire du patient. 20 En outre, l'invention permet de suivre en temps réel l'instrument chirurgical déplacé par le praticien mis en relation avec un masque 2D ou 3D représentant l'anatomie du patient. L'intervention s'en trouve améliorée : elle est plus rapide et plus efficace. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un système d'imagerie 25 médicale comprenant : des moyens pour obtenir une image d'une région d'intérêt d'un patient ; des moyens d'acquisition de deux images successives de la région d'intérêt du patient. Le système selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens de traitement apte à : détecter et suivre, sur les images 30 successives, d'au moins un instrument chirurgical introduit à l'intérieur de la région d'intérêt du patient, afin d'y isoler ledit instrument ; comparer deux images successives sur lesquelles l'instrument chirurgical a été isolé pour y identifier au moins une forme commune ; estimer le déplacement de ladite forme commune entre ces deux images successives ; traiter le recalage des différentes images successives en fonction des estimations de déplacements ainsi déterminées, ces estimations de déplacement étant considérées comme correspondant au déplacement provoqué par le mouvement physiologique du patient à l'exception de tout autre mouvement. Et enfin selon un troisième aspect, l'invention concerne un io programme d'ordinateur. Le programme d'ordinateur de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend des instructions machines pour la mise en oeuvre d'un procédé selon le premier aspect de l'invention. 15 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : 20 - la figure 1 illustre schématiquement un système d'imagerie médicale ; - la figure 2 illustre un procédé de traitement d'images en imagerie interventionnelle selon l'invention ; - les figures 3a, 3b et 3c illustrent respectivement un vaisseau du 25 patient ; le vaisseau comprenant un instrument à l'intérieur à un instant t ; le vaisseau comprenant l'instrument à un instant t+1 ; - les figures 4a, 4b, 4c et 4d illustrent des résultats obtenus au moyen du procédé selon l'invention. 30 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Système d'imaqerie médicale Au cours d'une intervention en radiologie interventionnelle, un praticien amène un instrument chirurgical vers une zone à traiter à l'intérieur du corps du patient en passant par le système vasculaire du patient. L'instrument chirurgical peut être un cathéter, un guide fil ou tout autre instrument connu de l'homme du métier. Pour faciliter le déplacement de l'instrument û comme déjà mentionné û le système d'imagerie médicale permet l'affichage de l'instrument à io l'intérieur du système vasculaire du patient. Sur la figure 1, on a illustré, schématiquement, le système d'imagerie médicale 1 permettant l'acquisition d'une image 2D d'un objet 2 et le traitement de l'image 2D acquise pour afficher l'image de sortie 3D pour assister le praticien dans la progression de l'instrument. 15 Le système d'imagerie médical 1 comprend un système d'acquisition d'image 3, un système de traitement d'images 5 et un système d'affichage 4. Le système d'acquisition 3 permet d'acquérir une image 2D représentant l'instrument chirurgical et le système vasculaire du patient en deux dimensions. 20 Le système de traitement 5 est par exemple un ordinateur. Le système de traitement 5 est couplé à des moyens mémoires 6 qui peuvent être intégrés ou séparés du système de traitement 5. Ces moyens mémoires 6 permettent de stocker notamment le modèle 3D du système vasculaire du patient. Ces moyens peuvent être formés par un disque dur, une disquette, 25 un CD-ROM. Le système d'acquisition d'image 3 est par exemple un système d'acquisition par rayons X ce dernier comprenant tout moyen connu permettant l'émission de rayons X sur l'objet 2 et l'acquisition d'images résultantes. 30 Description qénérale du procédé de traitement d'imaqe Dans ce qui suit nous considérons que l'instrument chirurgical est un cathéter. La figure 2 illustre schématiquement les étapes du procédé de traitement d'image. On considère que la région d'intérêt (le système vasculaire) du patient est visualisée au moyen du système d'imagerie médicale. Le procédé de traitement d'images est basé sur le principe suivant. Etape SO : Pour initialiser le procédé on se place à un instant to pour io lequel aucun défaut d'alignement dans une image fluoroscopique 3D (acquise et reconstruite par des moyens connus de l'homme du métier) n'est observé. Cette initialisation peut être effectuée manuellement par le praticien ou numériquement à l'aide d'un ordinateur par exemple. Etape S1 : on acquiert deux images successives It, It+, d'une région 15 d'intérêt du patient en émettant des rayons X sur cette région au moyen du système d'acquisition 3. Etape S2 : Au cours de cette étape, l'instrument chirurgical (cathéter, micro-cathéter, guide-fil) est détecté et est suivi dans les images fluoroscopiques acquises lt et 4+1. 20 Etape S3 : La position de l'instrument détecté dans l'image prise à l'instant t (instant courant) est comparée S30 à la position de l'instrument détecté dans l'image prise à l'instant précédent, l'instant t-1 afin d'estimer une forme commune entre les deux images et ainsi S31 le déplacement physiologique 2D. 25 Les figures 3a, 3b et 3c illustrent ce qu'il est entendu par forme commune. Sur la figure 3a est illustré un vaisseau 30 du système vasculaire dans lequel un cathéter 30 est introduit (figures 3b et 3c). Les figures 3b et 3c correspondent à deux images successives du 30 vaisseau comprenant le cathéter 31 dans deux positions différentes. La forme commune 32 que l'on cherche à estimer entre les deux images successives est la forme formée par le couple vaisseau/cathéter. En d'autres termes on ne cherche la portion commune de l'instrument mais bien sa forme commune. Sur la figure 3c on voit que l'instrument a subi une modification de longueur mais qu'il y a bien une forme commune 32 entre les deux images. Il est à noter que la manière d'estimer le déplacement 2D à partir du déplacement de l'objet dépend de l'application clinique et du type d'instrument. io A partir du déplacement estimé on détermine S32 la déformation M entre les deux images. Etape S4: Le déplacement estimé, la déformation M déduite est appliquée : - ou à l'image fluoroscopique complète en appliquant la fonction M à 15 l'image ; - ou au masque 3D (ou 2D) du système vasculaire du patient en appliquant la fonction M au masque 3D. Comme on l'aura compris le procédé repose sur l'estimation du 20 mouvement physiologique 2D en utilisant deux images acquises à deux instants successif t et t+1. Description détaillée des étapes du procédé de traitement d'imaqe Les étapes suivantes sont réalisées pour chacune des deux images It 25 et It+, acquises successivement. Etape S2 : cette étape vise à détecter et poursuivre le mouvement de l'outil dans le système vasculaire du patient. Au cours d'une étape S20 par une opération de morphologie mathématique sur les images acquises It et It+, on élimine tous les éléments 30 de l'image autre que l'instrument, par exemple les éléments ayant une épaisseur supérieure au diamètre d'un guide-fil, dans le cas où l'instrument est un guide fil. On trouvera une description des opérations de morphologie mathématique dans Jean Serra - Image Analysis and Mathematical Morphology (vo/.1), Academic Press - Londres, 1982. Au cours d'une étape S21 un filtrage est opéré sur l'image ainsi obtenue (par exemple, un filtre dit � Turning Oriented Filter�, voir par exemple, R. Kutka and S. Stier - Extraction of Line Properties Based on Direction Fields, Transactions on Medical Imaging - volume 15, p51-58, février 1996. io Un tel filtre permet d'associer à chaque pixel de l'image une certaine probabilité d'appartenir à des segments linéaires ayant une certaine orientation. Et au cours d'une étape S22, par un mappage appliqué aux probabilités obtenues, on obtient un ensemble de pixels représentant 15 l'instrument. Etape S3 : Les pixels appartenant à l'instrument détecté dans chaque image It et It+, sont ici appliqués à ces mêmes images en utilisant un algorithme ICP (� Iterative Closes Point �) qui est un traitement de recalage S32. On pourra 20 trouver une description générale de l'algorithme ICP dans Iterative Point Matching for Registration of Free-Form Curves and Surfaces (1992) (Zhengyou Zhang). Cet algorithme cherche de manière itérative la déformation M (c'est-à-dire la transformation) par la minimisation d'un critère C entre deux 25 ensembles de points F={(x;,y;)} et V={(w;,z;)}. Le critère à minimiser admet l'expression suivante C(M)=Eie lp(I IM(xI,k,yi,k)-(wi,k,Zi,k)I I), où p est un estimateur de M (voir P.J Huber, "Robust Statistics", Wiley, New York, 1981) correspondant à la fonction bi-weight de Tuckey. Cette fonction 30 p minimise l'influence des interférences. L'algorithme de poursuite de l'outil à l'intérieur du système vasculaire du patient peut se résumer de la manière suivante. Les étapes ci-dessous sont itérées sur toute la durée de l'intervention. Tant que (t) S I t = O ALORS - Soit Ft l'ensemble des pixels détectés dans la région d'intérêt de l'image Io - Soit Vt l'ensemble des pixels détectés dans la région d'intérêt de l'image Il SINON Soit Vt l'ensemble des pixels détectés dans la région d'intérêt de l'image It FIN SI EXECUTER l'algorithme ICP pour estimer la déformation Mt qui permet de passer de Ft à Vt Ftl = ce sont les points communs de Vt sélectionnés par l'algorithme ICP plus les points voisins sélectionnés par le filtre FOT. FIN TANT QUE Grâce à l'estimateur de la déformation M, la région d'intérêt peur contenir des objets détectés tels que des agrafes par exemple, qui suivent un mouvement différent de celui de l'instrument. Ces objets sont considérés comme interférents et ne seront pas pris en compte dans l'estimation du mouvement Grâce à l'algorithme ICP un changement de longueur du guide induit par le praticien (quand ce dernier progresse notamment dans le système vasculaire du patient) ne sera également pas pris en compte dans l'estimation du mouvement. En effet, seules les formes communes entre les images It et It+, sont prises en compte du fait que les changements soudain de longueur et de forme (initiés par le praticien) ne sont pas pris en compte par la fonction biweight de Tuckey. Il est à noter que la mise en oeuvre de l'algorithme ICP peut être effectuée sur une région d'intérêt en vue d'améliorer la vitesse du procédé de traitement. Etape S4 : Une fois la déformation M estimée elle est appliquée sur l'image fluoroscopique ou sur la cartographie 2D ou 3D du système vasculaire du patient. Cette dernière possibilité permet de déplacer le masque avec le io mouvement respiratoire du patient visible sur les images. Exemples de résultats obtenus avec le procédé décrit ci-dessus Le procédé ci-dessus décrit a été appliqué à quatre séquences d'images fluoroscopique (notées A, B, C et D). Ces séquences ont été 15 acquises sur un système Innova4100 C-arm - GE Healthcare. Les images ont pour dimensions 1000x1000 et la taille des pixels est de 0,2 mm. La longueur de chaque séquence est comprise entre 150 et 200 images. Chaque séquence correspond à une acquisition fluoroscopique sur un patient sur lequel une intervention d'embolisation d'une tumeur est 20 réalisée. Dans ces images, seul l'instrument est visible. Dans la séquence A, les agrafes sont visibles : le patient a dans cet exemple subit une intervention chirurgicale préalablement à l'intervention d'embolisation. 25 Enfin, les séquences A, B, C et D comprennent respectivement 3, 1, 6 et 2 cycles respiratoires. On note que le mouvement respiratoire peut provoquer un déplacement de l'instrument jusqu'à 25 mm. Afin d'évaluer la précision de l'algorithme de recalage ICP, l'erreur résiduelle sur la fonction de coût a été analysée. A cet effet, une 30 transformation d'enregistrement d'image est appliquée sur les points de l'instrument qui ont été identifies manuellement au début de la séquence après l'opération de filtrage S11. Soit n une image et soit Fn+1 un ensemble de points de l'instrument. Pour chaque image acquise à l'instant t, on détermine la distance de chaque point de coordonnées (x,y)E Ft+1 de l'ensemble Vn...t=Mn...t(Fn+1) où Mn...t est la transformation qui effectue le mappage des points de l'ensemble Vt des pixels détectés dans la région d'intérêt de l'image Itde l'image n à l'image t. Cette distance correspond à d=min(W,Z)E Vn....tIl(w-x)2+(z-y)211 et représente la distance entre l'instrument dans l'image t et l'instrument dans io l'image n après compensation du mouvement physiologique. Les résultats sont illustrés sur les figures 4a, 4b, 4c et 4d. La figure 4a illustre l'erreur moyenne de la transformation d'enregistrement d'image. On constate que cette erreur est inférieure à 3mm pour toutes les séquences et sur toute leur longueur. 15 Les figures 4b et 4c illustrent le pourcentage des points de l'instrument présentant respectivement une erreur de poursuite inférieure à 3mm et 6mm. Pour les séquences A et B la poursuite de l'instrument est précise : plus de 75% des points présentent une erreur de poursuite inférieure à 3mm 20 (voir figure 4c). On constate par ailleurs que pour la séquence D le pourcentage des points ayant une erreur inférieure à 3mm passe à 60% autour de l'image de la séquence numéro 50. Un tel phénomène s'explique ici par le fait que le mouvement du praticien n'est pas compensé. 25 La figure 4d illustre un tel phénomène. Les figures de gauche sont les images compensées et les figures de droite sont les images non compensées pour les images numérotées 10 et 60. On observe que le mouvement du patient compensé l'instrument est toutefois déformé dans les vaisseaux. En effet le procédé ne compense pas ce mouvement mais ceci a toutefois pour effet d'augmenter l'erreur de la transformation d'enregistrement d'image. Un tel procédé de traitement permet de réduire de manière significative l'erreur aux mouvements physiologiques et en particulier celui 5 induit par la respiration du patient. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'images pour l'imagerie interventionnelle dans lequel une région d'intérêt d'un patient est visualisée, comprenant - une acquisition (Si) d'une succession d'images (It, It+,) d'une région d'intérêt du patient ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre - une détection et un suivi (S2), sur les images successives, d'au moins un instrument chirurgical introduit à l'intérieur de la région d'intérêt du io patient, afin d'y isoler ledit instrument ; - une comparaison (S30) de deux images successives sur lesquelles l'instrument chirurgical a été isolé pour y identifier au moins une forme commune ; - une estimation (S31) du déplacement de ladite forme commune 15 entre ces deux images successives ; - un traitement de recalage (S4) des différentes images successives en fonction des estimations de déplacements ainsi déterminées, ces estimations de déplacement étant considérées comme correspondant au déplacement provoqué par le mouvement physiologique du patient à 20 l'exception de tout autre mouvement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour détecter et suivre l'instrument chirurgical, on met en oeuvre les opérations consistant à 25 - appliquer (S20) une opération de morphologie mathématique sur les images (It, It+,) acquises ; - filtrer (S21) les images sur lesquelles l'opération de morphologie mathématique à été appliquée de sorte que chaque pixel des images soit associé à une certaine probabilité ;- traiter les probabilités obtenues pour réaliser un mappage (S22) destiné à faire ressortir un ensemble de pixels représentant l'instrument. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement d'estimation détermine une déformation (M) induite par le mouvement de l'instrument à l'exception de tout autre mouvement. 4. Procédé selon l'une des revendications 3 à 4 caractérisé en ce dans le cadre du traitement de recalage, la déformation (M) estimée est appliquée sur un masque tridimensionnel de la région d'intérêt du patient de manière à io obtenir une image tridimensionnelle sur laquelle le mouvement physiologique du patient est compensé. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans le cadre du traitement de recalage, la déformation (M) estimée est appliquée à 15 l'ensemble d'une image. 6. Système d'imagerie médicale (1) comprenant : - des moyens pour obtenir une image d'une région d'intérêt d'un patient ; 20 - des moyens d'acquisition de deux images successives de la région d'intérêt du patient ; caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens de traitement apte à o détecter et suivre, sur les images successives, d'au moins 25 un instrument chirurgical introduit à l'intérieur de la région d'intérêt du patient, afin d'y isoler ledit instrument ; o comparer deux images successives sur lesquelles l'instrument chirurgical a été isolé pour y identifier au moins une forme commune ;o estimer le déplacement de ladite forme commune entre ces deux images successives ; o traiter le recalage des différentes images successives en fonction des estimations de déplacements ainsi déterminées, ces estimations de déplacement étant considérées comme correspondant au déplacement provoqué par le mouvement physiologique du patient à l'exception de tout autre mouvement. io 7. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de traitement sont aptes en mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 2 à 5. 8. Programme d'ordinateur caractérisé en ce qu'il comprend des 15 instructions machines pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 5.