Brevet FR2970638A1 — publié le 20120727

Procédé et système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet La présente invention concerne un système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet et un procédé d'aide au positionnement associé à celui-ci. Le sujet est un sujet d'analyse ou un patient. En particulier, l'invention s'applique au domaine de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS). La stimulation magnétique transcrânienne est une technique de stimulation corticale, dont le principe repose sur la génération d'un champ magnétique focalisé de haute intensité. Cette technique permet de stimuler une zone neuroanatomique cible de manière indolore et non invasive. La stimulation est réalisée au moyen d'une bobine dans laquelle circule un fort courant électrique qui induit la génération d'un champ magnétique focalisé. Du fait du caractère focal, les applications en neurologie et psychiatrie sont nombreuses, par exemple le traitement de la dépression... Pour assurer la précision et la reproductibilité de la stimulation entre les séances de traitement, il est nécessaire et maintenant classique, d'utiliser la neuronavigation pour guider le positionnement de la bobine de stimulation sur la tête du sujet. La neuronavigation permet une mise en correspondance géométrique de l'anatomie réelle du sujet avec son anatomie représentée via une modalité d'imagerie, de préférence du type imagerie par résonance magnétique (IRM). Ainsi, il est possible de guider précisément le clinicien vers la zone cible, localisée sur I'IRM par le suivi en temps réel de la position du point stimulé, et de le comparer avec la position désirée de stimulation. On connaît déjà dans l'état de la technique, des dispositifs d'aide à la localisation de la cible corticale anatomique. Parmi ceux-ci, le document WO 2010/084 262 décrit un dispositif permettant de mettre en correspondance de façon automatique la tête du patient avec des images du patient acquises par IRM grâce à un algorithme de recalage qui, à partir de points de correspondance anatomiques entre la tête du patient et les images IRM, parvient à calculer la transformation du repère tridimensionnel du patient vers le repère des images IRM. Néanmoins, ce type de guidage et les techniques classiques de neuronavigation nécessitent l'acquisition d'une image par IRM du patient. Or, cette modalité d'imagerie est contraignante pour des raisons de coût et de facilité d'accès. En effet, cette imagerie étant un examen de référence pour l'anatomie cérébrale, le délai moyen d'attente en France est de 34,6 jours en janvier 2010 pour ce type d'examen. De plus, le coût moyen est de 300 euros, ce qui semble important au regard du nombre important de patients pouvant bénéficier de la TMS pour la dépression (la dépression est un enjeu majeur de santé publique, avec un taux de prévalence de 15% de la population). L'invention a pour but de proposer un système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet permettant de s'affranchir des images acquises par IRM tout en assurant un positionnement fiable de l'outil médical. A cet effet, l'invention a pour objet un système d'aide au positionnement d'un outil médical du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de prédiction de la localisation d'une zone intracrânienne cible de l'outil médical comportant : - un modèle tridimensionnel générique d'une tête comportant une peau et une zone intracrânienne cible générique, - une image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet, - des moyens de recalage surfacique adaptés pour établir une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet, - des moyens de rééchantillonnage de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage, et - des moyens de localisation de la zone intracrânienne cible du sujet à partir de la localisation de la zone cible convertie permettant de positionner l'outil médical sur la tête du sujet. Suivant des modes particuliers de réalisation, le système d'aide au positionnement comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : - l'image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet est une image de type scanner X ; - l'image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet est une image surfacique acquise par un système de localisation tridimensionnelle ; - l'outil médical est une bobine d'un dispositif de stimulation magnétique intracrânienne ; et - la zone intracrânienne cible est le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC). Selon un autre aspect, l'invention a également pour objet un procédé d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - localisation d'une zone intracrânienne cible générique sur un modèle tridimensionnel générique d'une tête comportant une peau, - extraction de la surface de la peau de la tête du modèle tridimensionnel générique, - extraction de la surface de la peau de la tête du sujet à partir d'une image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet, - recalage surfacique adapté pour établir une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet, - rééchantillonnage de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage, et - localisation de la zone intracrânienne cible du sujet à partir de la localisation de la zone cible convertie permettant de positionner l'outil médical sur la tête du sujet. Suivant un mode particulier de réalisation, le procédé d'aide au positionnement est dépourvu d'une étape d'acquisition d'images d'au moins la tête du sujet par imagerie par résonance magnétique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet selon l'invention, et - la figure 2 est un schéma-bloc illustrant le procédé mis en ceuvre par le système d'aide au positionnement de la figure 1. L'invention va maintenant être décrite en détail en faisant référence à une zone neuroanatomique cérébrale précise : le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC). Grossièrement, cette zone neuroanatomique correspond à l'interface entre les aires 9 et 46 de l'atlas cytoarchitectonique de Brodmann. Toutefois, l'invention n'est aucunement limitée à cette zone mais s'applique à toute zone cérébrale. Le système d'aide 10 illustré sur la figure 1 est destiné à positionner un outil médical 12 sur la tête d'un sujet 14. Le sujet 14 est un sujet d'analyse, par exemple un individu soufrant de dépressions, de troubles obsessionnels compulsifs, de douleurs neuropathiques ou d'hallucinations auditives en schizophrénie et nécessitant une stimulation magnétique transcrânienne du cortex préfrontal dorsolatéral de son cerveau. En outre, l'outil médical 12 est de préférence un dispositif de stimulations électromagnétiques, telles que des stimulations magnétiques transcrâniennes, comportant une bobine de stimulation 16, dans laquelle circule un fort courant électrique qui induit la génération d'un champ magnétique focalisé sur la cible corticale à atteindre : le DLPFC. Le système d'aide 10 comporte un dispositif de neuronavigation 18, c'est-à-dire un dispositif de guidage par l'image, et un système de positionnement 20, en trois dimensions, afin de suivre en temps réel la position du point stimulé par la bobine de stimulation 16 et de la comparer avec la position désirée de stimulation. Le système de positionnement 20 comprend un outil de positionnement 22, tel qu'un bandeau 24 fixé autour de la tête du sujet d'analyse 14, et une caméra 26 en relation directe ou indirecte avec l'outil de positionnement 22. La caméra 26 est par exemple une caméra binoculaire. Le bandeau 24 est marqué et adapté pour être reconnu par la caméra 26 et définit ainsi un référentiel attaché de façon fixe à la tête du sujet 14. De plus, le système d'aide 10 comporte un dispositif informatique 40 comportant une première mémoire 42 capable de stocker des données comme par exemple une mémoire de type RAM pour « Random Access Memory » en anglais. Cette première mémoire 42 est agencée pour stocker une cartographie tridimensionnelle générique d'une partie au moins de la tête d'un modèle et comportant au moins le cerveau modèle, également appelée atlas. Le cerveau auquel est fait référence à ce stade est un cerveau que l'on peut qualifier de cerveau modèle ou encore de cerveau générique. Par exemple, il s'agit d'un atlas IRM digitalisé d'un cerveau modèle. La cartographie tridimensionnelle générique comprend la localisation de la zone cible, ici le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC) et la peau de la tête modèle comportant le cerveau modèle. La première mémoire 42 stocke également des données de désignation précises de la zone cible : le DLPFC. En outre, le dispositif informatique 40 comprend une seconde mémoire 44 capable de stocker des données, par exemple du type RAM. La seconde mémoire 44 est agencée pour recevoir et stocker une image de travail d'une partie au moins de la tête du sujet d'analyse. L'image de travail est une image tridimensionnelle surfacique de la peau de la tête du sujet. Elle est obtenue soit par une méthode d'imagerie médicale autre que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) soit par un dispositif de localisation/suivi tridimensionnelle (ou « optical tracking » en anglais), par exemple le dispositif MICRONTRACKER de la société CLARON TECHNOLOGY ou le dispositif POLARIS@ de la société Northern Digital Inc NDI). Un tel système comporte une caméra binoculaire qui filme la scène, un bandeau marqué reconnu par la caméra et servant de référentiel attaché de façon fixe par rapport à la tête du sujet, un pointeur marqué reconnu par la caméra et un ordinateur branché à la caméra. La caméra binoculaire et le bandeau du dispositif de localisation tridimensionnelle sont par exemple ceux du système de positionnement 20. Le dispositif informatique 40 comprend également un moyen de recalage surfacique 46 qui reçoit des données de cartographie tridimensionnelle générique et des données de travail respectivement de la première mémoire 42 et de la seconde mémoire 44. C'est à partir de ces données que le moyen de recalage surfacique 46 établit une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet. Le dispositif informatique 40 comprend également un moyen de rééchantillonnage 48 de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage transmise par le moyen de recalage surfacique 46. Le moyen de rééchantillonnage 48 est adapté à transmettre les données représentatives de la zone cible convertie au dispositif de neuronavigation 18. Le système d'aide 10 comprend une interface homme-machine 30 connectée au dispositif de neuronavigation 18 et adaptée pour afficher des images de visualisation transmises par le dispositif de neuronavigation 18. En fonctionnement, le système d'aide 10 met en ceuvre les étapes du procédé 100 d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet illustré sur la figure 2. Au cours d'une étape 102, un neuroanatomiste localise une zone cible prédéfinie 104, par exemple le CPFDL gauche, ainsi que des points de repère anatomiques, qui serviront ensuite au recalage, sur un atlas IRM digital tête entière, c'est-à-dire comportant une cartographie tridimensionnelle générique d'une partie au moins de la tête et du cerveau. Cette étape est réalisée une seule fois pour toutes les séances de stimulation. Par exemple, l'atlas IRM digital tête entière est l'atlas IRM décrit dans l'article de Lalys F, Haegelen C, Ferre JC, El-Ganaoui 0, Jannin P., intitulé « Construction and assessment of a 3-T MRi brain template » publié dans Neuroimage en août 2009. Ensuite la surface 106 de la peau de l'atlas est extraite au cours d'une étape 108 via des techniques de segmentation classiques. Les données numériques correspondant à la surface 106 de la peau de l'atlas extraite sont stockées dans la première mémoire 42 du dispositif informatique 40 du système d'aide 10. Parallèlement, au cours d'une étape 110, la surface 112 de la peau du sujet est extraite. Pour cela, si une imagerie médicale autre que I'IRM a été réalisée préalablement sur la tête du patient au cours d'une étape 114, par exemple une imagerie par scanner X (ou CT pour « Computed Tomography » en anglais), la surface 112 de la peau est extraite de façon automatique à partir des images scanner X via une technique de segmentation classique par le dispositif informatique 40. Selon une variante, si aucune modalité d'imagerie médicale n'a été réalisée préalablement sur le patient, par exemple ni imagerie par résonance magnétique (IRM) ni scanner X (CT), l'étape 110 d'extraction de la peau du sujet nécessite une étape 116 d'acquisition et de reconstruction de la peau du sujet mise en ceuvre par un système de localisation tridimensionnelle. Le sujet est installé dans le champ de vision de la caméra 26 du système de localisation tridimensionnelle. Le bandeau 24 de ce système de localisation tridimensionnelle est fixé sur la tête du sujet et reconnu par la caméra 26. Le bandeau définit alors un référentiel attaché de façon fixe par rapport à la tête du sujet. Un opérateur utilise alors un pointeur du système de localisation tridimensionnelle également reconnu par la caméra 26 et permet ainsi d'échantillonner la tête du sujet avec un nuage de points définis par la position du pointeur dans le référentiel définit par le bandeau 24. La caméra filme la scène, c'est-à-dire les différentes positions du pointeur. Les signaux correspondant aux points sont transmis au dispositif informatique 40 et sont stockés dans une mémoire du dispositif informatique 40. Ils sont numérisés afin d'être traités par le dispositif informatique 40 pour en extraire ou reconstruire la surface 112 de la peau à partir de ce nuage de points. Le nuage de points enregistré est pré-traité par lissage, puis les données (ou points) aberrantes sont exclues et des normales aux courbes définies par le nuage de points sont calculées. Enfin, un algorithme de Poisson permet de reconstruire une surface lisse et régulière à partir du nuage épars de points. La surface 112 de la peau du sujet ou toute autre donnée numérique représentative de celle-ci est ensuite enregistrée dans la deuxième mémoire 44 du dispositif informatique 40. La précision de la reconstruction surfacique de Poisson a été validée à partir d'un fantôme, par exemple un mannequin, ayant subi un échantillonnage via la méthode décrite ci-dessus et une imagerie scanner X. Elle a été évaluée en effectuant un recalage surfacique, via un algorithme du type algorithme itératif de point le plus proche (ICP pour « iterative Closest Point » en anglais), du nuage de points vers la surface de la peau extraite du scanner X et en appliquant la transformation calculée à la surface de Poisson reconstruite à partir du nuage de points. Les résultats de l'évaluation montrent : - une erreur moyenne point-surface de 1,5 mm entre le nuage de points initial et la reconstruction de la peau à partir de l'image obtenue par scanner X, et - une erreur moyenne point-surface de 1.6 mm entre la reconstruction de Poisson et la reconstruction de la peau à partir de l'image obtenue par scanner X. Le procédé 100 se poursuit par une étape 118 de recalage de la surface de la peau de l'atlas et la surface de la peau du sujet. En fait, la surface de la peau de l'atlas est déformée sur la surface de la peau du sujet. Cette étape 118 de recalage surfacique est réalisée par le moyen de recalage surfacique 46 du dispositif informatique 40 en plusieurs étapes appliquées de façon successive. Le moyen de recalage surfacique 46 reçoit les données de cartographie tridimensionnelle générique, c'est-à-dire la surface de la peau du modèle, et les données de travail, c'est-à-dire la surface de la peau du sujet, respectivement de la première mémoire 42 et de la seconde mémoire 44. Tout d'abord, le moyen de recalage surfacique 46 réalise une étape d'initialisation du recalage à partir des repères anatomiques localisés sur l'atlas par le neuroanatomiste au cours de l'étape 102 et sur le sujet lors de l'étape 110 d'extraction de la peau du sujet soit à partir des images acquises par scanner X, en 114, soit à partir de l'échantillonnage de la peau du sujet en 116. Ensuite, le moyen de recalage surfacique 46 applique un recalage surfacique rigide de la reconstruction de la peau extraite de l'atlas IRM vers la surface de la peau du sujet via un algorithme de type ICP. Puis, il réalise un recalage surfacique affine de la reconstruction de la peau extraite de l'atlas IRM vers la surface de la peau du patient, via un algorithme de type ICP. Ensuite, le moyen de recalage surfacique 46 effectue un recalage surfacique non-linéaire de la reconstruction de la peau extraite de l'atlas IRM vers la surface de la peau du sujet. Par exemple, un tel recalage surfacique non-linéaire est décrit dans l'article de Benoît Combès et Sylvain Prima, intitulé "An efficient EM-ICP algorithm for symmetric consistent non-linear registration of point sets." et présenté au cours de la 13' conférence internationale "Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAO" en septembre 2010. Au cours d'une étape 120, la transformation de recalage calculée lors de l'étape de recalage surfacique 118 est appliquée au CPFDL gauche localisé par le neuroanatomiste sur l'atlas IRM pour avoir sa position par rapport à la surface de la peau extraite à l'étape 110. Bien entendu la transformation de recalage comprend l'ensemble des transformations calculées lors des différentes étapes de recalage décrites ci-dessus. On obtient ainsi les coordonnées du CPFDL gauche dans le repère anatomique du sujet représenté par la reconstruction de la peau qui sont transmises au dispositif de neuronavigation. Celui-ci met alors en correspondance le repère réel dans lequel évolue le sujet d'analyse et le repère anatomique du sujet (la surface de la peau). Une image de visualisation est formée à partir de données de visualisation transmises par le dispositif de neuronavigation et qui font correspondre, en partie au moins, l'image de travail et la cartographie convertie, tout en indiquant, dans l'image de visualisation, une zone qui correspond aux données de désignation converties. Cette image de visualisation est transmise à l'interface utilisateur 30 qui l'affiche afin d'être vue par le clinicien ou l'opérateur. Ainsi, le CPFDL gauche est localisé chez le patient de façon automatisée sans intervention particulière d'un clinicien. C'est au moyen de l'image de visualisation que l'opérateur positionne une bobine 16 pour l'émission d'impulsions électromagnétiques. Ce positionnement de la bobine du dispositif de TMS est ajusté par rapport aux images de visualisation présentées sur l'interface utilisateur 30, via l'outil de positionnement 22 et la caméra 26. Par la suite au cours des séances de stimulation magnétique transcrânienne (TMS), le système d'aide à la localisation cérébrale de l'invention permet de suivre avec précision et en temps réel, la zone effectivement stimulée par les stimulations magnétiques de la TMS grâce au dispositif de neuronavigation 18. Validation Une validation de la méthodologie de recalage surfacique peau de l'atlas / peau du patient pour la localisation du CPFDL gauche a été effectuée sur un ensemble de plusieurs patients : - un groupe A de sujets d'analyse ayant subit une imagerie par scanner X en plus d'une imagerie par résonance magnétique, et - un groupe B de sujets d'analyse sans autre modalité d'imagerie que leur image par résonance magnétique (IRM). Le CPFDL gauche a tout d'abord été repéré par un neuroanatomiste sur chaque IRM patient et sur l'atlas IRM Jannin dont la référence complète est indiquée ci-avant. Puis, la peau de l'atlas IRM a été segmentée de façon classique. Ensuite, pour chaque sujet, la méthode suivante a été appliquée : A. Extraction de la surface de la peau du patient : - Pour le groupe A, via une technique classique de segmentation de la peau à partir des images obtenues par scanner X. - Pour le groupe B, selon l'étape 110 de reconstruction de la peau sans modalité d'imagerie décrite ci-dessus grâce à un dispositif de localisation tridimensionnelle. B. Recalage surfacique atlas - patient selon l'étape 118 de recalage surfacique peau de l'atlas IRM - peau du sujet décrite ci-dessus. B.1. Recalage rigide de la surface de la peau du sujet extraite vers l'IRM du patient : - Pour le groupe A, par un recalage volumique rigide de l'image scanner X du sujet et de son image IRM. - Pour le groupe B, par un recalage surfacique rigide du nuage de points obtenu à l'étape précédente et de la surface de la peau extraite de I'IRM. B.2. Recalage volumique direct de I'IRM de l'atlas vers I'IRM du sujet selon le procédé d'aide à la Localisation Cérébrale décrit dans le document WO 2010/084 262. C. Application des transformations calculées au cours de l'étape B à la zone cible (CPFDL gauche) pointée sur l'atlas par le neuroanatomiste. D. Comparaison de la position du CPFDL repéré par le neuroanatomiste sur I'IRM du sujet, du CPFDL recalé selon le procédé de l'invention et du CPFDL recalé par la méthode volumique décrite dans le document WO 2010/084 262. Résultats Pour le groupe A, les résultats obtenus sont : - une erreur moyenne de 9,65mm entre la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage surfacique et la localisation du CPFDL repérée sur I'IRM du sujet par le neuroanatomiste, et - une erreur moyenne de 12,1 mm entre la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage surfacique et la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage volumique. Pour le groupe B, les résultats obtenus sont : - une erreur moyenne de 8,9mm entre la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage surfacique et la localisation du CPFDL repérée sur I'IRM du sujet par le neuroanatomiste, et - une erreur moyenne de 8,7mm entre la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage surfacique et la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage volumique. On comprend ainsi que de tels système et procédé d'aide au positionnement d'un outil sur la tête d'un patient selon l'invention à partir d'un atlas anatomique permettent d'assurer un positionnement fiable de l'outil et par conséquent une excellente reproductibilité entre les séances de stimulation et ce, à partir d'une connaissance de la morphologie surfacique du sujet. En outre, ce système permet une neuronavigation sur atlas facile et rapide à mettre en ceuvre, puisqu'elle ne nécessite pas d'imagerie par IRM. Par ailleurs, ce système et ce procédé sont moins coûteux que ceux de l'art antérieur, puisque le coût de l'examen IRM est supprimé. L'invention a été décrite dans le cadre de la stimulation du cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC). Bien entendu, l'invention n'est aucunement limitée à cette zone mais s'applique à toute zone cérébrale, par exemple le cortex moteur.10 REVENDICATIONS1.- Système d'aide (10) au positionnement d'un outil médical (16) sur la tête d'un sujet (12), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de prédiction de la localisation d'une zone intracrânienne cible de l'outil médical comportant : - un modèle tridimensionnel générique d'une tête comportant une peau et une zone intracrânienne cible générique (104), - une image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet, - des moyens de recalage surfacique (46) adaptés pour établir une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet, - des moyens de rééchantillonnage (48) de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage, et - des moyens de localisation de la zone intracrânienne cible du sujet à partir de la localisation de la zone cible convertie permettant de positionner l'outil médical sur la tête du sujet. 2.- Système d'aide au positionnement d'un outil médical selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet est une image de type scanner X. 3.- Système d'aide au positionnement d'un outil médical selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet est une image surfacique acquise par un système de localisation tridimensionnelle. 25 4.- Système d'aide au positionnement d'un outil médical selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'outil médical est une bobine (16) d'un dispositif de stimulation magnétique intracrânienne (12). 5.- Système d'aide au positionnement d'un outil médical selon l'une quelconque 30 des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la zone intracrânienne cible est le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC). 6.- Procédé (100) d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 35 - localisation d'une zone intracrânienne cible générique sur un modèle tridimensionnel générique d'une tête comportant une peau,20- extraction de la surface de la peau de la tête du modèle tridimensionnel générique, - extraction de la surface de la peau de la tête du sujet à partir d'une image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet, - recalage surfacique adapté pour établir une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet, - rééchantillonnage de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage, et - localisation de la zone intracrânienne cible du sujet à partir de la localisation de la zone cible convertie permettant de positionner l'outil médical sur la tête du sujet. 7.- Procédé (100) d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est dépourvu d'une étape d'acquisition d'images d'au moins la tête du sujet par imagerie par résonance magnétique.15