INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Vision and Image Understanding, vol. 65, no. 3,01/03/1997) , une méthodologie de recalage perspective 3D-2D de courbes et de surfaces gauches. Il s'agit de déterminer la transformation projective (composition d'une transformation rigide et d'une transformation perspective) qui amène un objet 3D sur une image 2D de cet objet. Une première estimée de la transformation est déterminée en utilisant des lignes et des plans bitangents. Une distance entre l'objet 3D (qui peut être constitué de courbes 3D) et l'image 2D est alors définie en considérant les tangentes. Cette distance est minimisée en utilisant une extension de l'algorithme ICP. Des applications possibles sont citées dans le domaine de la radiologie interventionnelle. Les résultats reportés concernent les structures vasculaires cérébrales dont un volume préopératoire 3D est acquis par un morphomètre (angiographie rotationnelle) et l'image peropératoire 2D est une angiographie. Aucun descriptif ni résultat n'est donné concernant un procédé de localisation éventuel. En effet, la constitution du jeu de données préopératoires 3D que sont par exemple les lignes centrales 3D de l'arbre vasculaire cérébral, très dense topologiquement, à partir d'une méthode de segmentation classique a pour conséquence sur la localisation une non unicité de la solution et pose un problème difficile à résoudre. Dans des publications plus récentes, les auteurs considèrent d'ailleurs une acquisition peropératoire sous deux incidences afin d'améliorer la précision du recalage par leur technique, ce qui permettrait aussi de lever les ambiguïtés pour la localisation. D'autre part, la considération de structures arborescentes simples et peu denses topologiquement risque de rendre difficile la détermination d'une première estimée par lignes et plans bitangents.
Le document PENNEY G.P., Registration of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided Interventions, Thèse du King's Collège, London, Décembre 1999 décrit une méthode de recalage entre une image 3D préopératoire TDM et une image 2D à rayons X de type fluoroscopie. Le recalage, basé sur les données d'intensité, est réalisé par un procédé exploitant des mesures de similarité (corrélation locale et différence de gradient) entre l'image 2D peropératoire et une vue en niveaux de gris simulée en considérant les structures osseuses. Différentes mesures de similarités sont comparées en considérant un fantôme de structures anatomiques
osseuses (rachis lombaire) et des images cliniques de stenting aortique. Les travaux se sont concentrés sur les problèmes de recalage, les problèmes de localisation sont cités dans les perspectives. Sur la base de l'approche présentée, il est envisagé de faire appel à deux vues pour la localisation.
Le document de brevet n FR 9910906 (GE MEDICAL SYSTEMS SA) décrit un procédé de recalage automatique d'images d'angiographie bi et tridimensionnelles, par comparaison de l'image d'angiographie numérique soustraite bidimensionnelle avec des données relatives à une image tridimensionnelle reconstruite à partir de séquences d'angiographie rotationnelle. Selon ce procédé, on estime un champ de distorsions dans l'image, on estime une matrice de projection conique et on effectue une approximation d'une transformation rigide dans l'espace égale à la différence entre un recalage initial basé sur le champ de distorsions et sur la matrice de projection conique et un recalage parfait. Ce procédé basé sur la corrélation d'images de niveaux de gris et sur les flots optiques ne considère pas la segmentation et la caractérisation des structures vasculaires.
Il ne s'applique qu'à des acquisitions préopératoires 3D réalisées par angiographie rotationnelle et ne traite pas du problème de localisation dans le volume 3D préopératoire.
C - OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.
L'un des objectifs est de proposer et de mettre en oeuvre des techniques de planification et de guidage de procédures interventionnelles dans des structures anatomiques (angioplastie transluminale, brachythérapie endovasculaire, ...). Même si l'approche de l'invention intègre les grandes composantes du planning interventionnel (caractérisation des données patient, simulation de l'intervention), l'enjeu sur le plan clinique réside dans l'exploitation des données image peropératoires pour l'assistance et le guidage de l'intervention. Il s'agit d'apporter des solutions effectives (essentiellement informatiques) aux problèmes de traçabilité de l'intervention, de fiabilisation et de sécurisation des gestes opératoires, rendus de plus en plus complexes dans les interventions chirurgicales modernes. La démarche, fondée sur l'exploitation
quantitative de données multimodales issues de l'imagerie, vise à privilégier la réalisation des gestes accomplis par le spécialiste dans sa pratique quotidienne, à l'opposée d'une démarche orientée robotique qui remplacerait tout ou partie de ces gestes. Toutefois, les résultats obtenus par la présente invention, même si ce n'est pas l'objectif poursuivi initialement, peuvent avoir des retombées dans le domaine de la robotique médicale.
Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention est de fournir un procédé d'assistance et de guidage de navigation d'un outil dans des structures anatomiques arborescentes de type tubulaire, ce procédé pouvant être mis en #uvre avec une acquisition d'images 2D peropératoires effectuée sous une seule incidence. En d'autres termes, l'objectif est de fournir un tel procédé qui ne nécessite aucun calcul de triangulation, ni aucune reconstruction 3D, pour la localisation de l'outil.
L'invention a également pour objectif de fournir un tel procédé permettant de faciliter la planification de l'intervention par le praticien, ainsi que l'intervention ellemême.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel procédé qui facilite le réglage par le praticien du système d'acquisition d'images 2D peropératoires.
Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un tel procédé ne nécessitant pas l'utilisations de marqueurs artificiels.
D - RÉSUMÉ DES CARACTÉRISTIQUES ESSENTIELLES DE L'INVENTION Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un procédé d'assistance et de guidage de navigation d'un outil dans des structures anatomiques. Ce procédé comprend : - une phase de planification, comprenant les étapes suivantes : * acquisition d'une image 3D préopératoire, associée à un référentiel 3D préopératoire et dans laquelle apparaissent des premières structures anatomiques arborescentes ; * segmentation desdites premières structures anatomiques arborescentes apparaissant sur l'image 3D préopératoire, de façon à obtenir un modèle descriptif définissant les branches des premières structures anatomiques
arborescentes au moyen de premières primitives 3D ainsi que les relations entre lesdites branches ; - une phase d'intervention, comprenant les étapes suivantes : * acquisition, sous au moins une incidence, d'une séquence temporelle d'images 2D peropératoires associées à un référentiel 2D peropératoire, au moins une desdites images 2D peropératoires, dite au moins une image 2D peropératoire de référence, faisant apparaître lesdites premières structures anatomiques arborescentes ; * segmentation des premières structures anatomiques arborescentes apparaissant sur ladite au moins une image 2D peropératoire de référence, de façon à obtenir des premières primitives 2D ; * recalage entre le référentiel 3D préopératoire et le référentiel 2D peropératoire, consistant à déterminer au moins certains des paramètres d'une transformation géométrique de type prédéterminé entre le référentiel 3D préopératoire et le référentiel 2D peropératoire, par minimisation d'au moins un critère de distance entre, d'une part, la projection dans ladite au moins une image 2D peropératoire de référence d'au moins certaines des premières primitives 3D dites premières primitives 3D de recalage et, d'autre part, au moins certaines des premières primitives 2D dites premières primitives 2D de recalage ; * localisation et suivi dudit outil dans ladite image 3D préopératoire, consistant, pour au moins certaines des images 2D peropératoires, en : >- une détection dans l'image 2D peropératoire d'au moins un marqueur présent sur l'outil, >- une fourniture à un praticien d'informations de localisation ponctuelle dudit au moins un marqueur dans l'image 3D préopératoire, indiquant dans l'image 3D préopératoire le point de l'une des premières primitives 3D, dites premières primitives 3D activées, le plus proche de ou situé à l'intersection avec une droite de rétro-projection qui d'une part passe par le point de l'image 2D peropératoire où ledit au moins un marqueur a été
détecté et d'autre part est obtenue avec ladite transformation géométrique de type prédéterminé.
La présente invention se situe donc dans le cadre général de la planification et de l'assistance par ordinateur aux interventions, avec pour fondement méthodologique les concepts de la réalité virtuelle restreinte à sa composante imagerie (notamment, mais non exclusivement, basée sur la navigation exploratoire virtuelle).
mentionné ci-dessus, il peut concerner les voies circulatoires ou différents canaux physiologiques dès lors que des images préopératoire 3D et peropératoire 2D sont disponibles. Concernant ces dernières, il est toutefois nécessaire de distinguer clairement les structures anatomiques d'intérêt sur les images. De plus, l'hypothèse est faite que les structures anatomiques d'intérêt, ou les parties de ces structures, utilisées pour le recalage se déforment peu entre l'instant d'acquisition préopératoire et l'instant d'acquisition peropératoire. Le domaine d'application pris comme exemple dans la suite concerne la conduite de navigation dans des structures vasculaires.
Différentes stratégies peuvent être dégagées à partir de la géométrie du problème décrite dans la partie ii), celles-ci se distinguant non seulement sur le plan de l'espace de recherche des paramètres adopté, mais aussi sur le plan du protocole de recalage à suivre. Dans tous les cas, une estimation initiale de la transformation #IP est donnée par la simulation. Les paramètres initiaux de rotation et de translation sont utilisés à titre indicatif par le praticien, pour effectuer un premier réglage du système d'acquisition au début de l'intervention. Après injection d'un produit de contraste dans les vaisseaux, il réalise de manière classique - au moyen d'un appareil de scopie avec un bras en C par exemple et sans modification du protocole habituel - une séquence temporelle d'images sous l'incidence sélectionnée, qui lui permet de visualiser les structures anatomiques d'intérêt sur l'écran de contrôle. Une des sorties vidéo de l'appareil de scopie étant connectée à une carte d'acquisition (incluant éventuellement des fonctions de numérisation et de traitement d'image) insérée dans un ordinateur de type PC, la séquence d'image sur laquelle est superposée la projection (60) des lignes centrales 3D des vaisseaux pré-calculée en simulation, selon la transformation #IP et le modèle de distorsion typique ou mesuré de l'appareil considéré, est restituée en temps réel sur un deuxième écran de contrôle (figure 6). Le praticien peut ainsi affiner le réglage de l'incidence pendant cette première acquisition, en cherchant à faire coïncider approximativement l'image des vaisseaux injectés avec les lignes centrales 3D projetées.
La prise en compte du jeu de paramètres issu de la simulation virtuelle permet d'optimiser la phase de réglage de l'appareil, tant au niveau du temps d'acquisition, et donc de l'irradiation subie par le patient, qu'au niveau de l'incidence sélectionnée. Elle
permet aussi de disposer de conditions initiales sur les paramètres recherchés dans le processus de recalage proches de la solution finale, pour améliorer la convergence de l'algorithme d'optimisation (iii.c.). L'incidence d'acquisition étant fixée, deux modes de réalisation de la procédure de recalage qui s'appuient fortement sur la modélisation fine du système d'acquisition (décrite en ii.) sont possibles.
Dans un premier mode de réalisation, il s'agit d'estimer les dix paramètres de la transformation #IP, c'est à dire les paramètres intrinsèques du système d'acquisition (transformation #IS) et les paramètres extrinsèques de la transformation rigide #SP qui est la combinaison des transformations #SR et #RP. Les distorsions géométriques correspondant à l'incidence sélectionnée peuvent être estimées plus précisément dans une phase préliminaire classique grâce à une grille radio-opaque plane placée à proximité et parallèlement au plan du capteur d'image. Ainsi, la transformation recherchée se compose de six paramètres de rotation et de translation (Txsp, Tysp, #zsp, #xsp, #ysp, 9zsp) alignant le repère préopératoire 3D sur le repère 3D du système d'acquisition et des quatre paramètres intrinsèques du système d'acquisition (uo, vo, Fu, Fv). Le recalage est ensuite effectué sur cet espace de recherche à partir des seules structures anatomiques suivant le plan méthodologique développé dans la partie précédente.
Dans un second mode de réalisation, le modèle intrinsèque du système d'acquisition #IS est déterminé par une procédure de calibrage qui peut inclure aussi l'estimation des distorsions géométriques. Plusieurs approches ont été reportées dans la littérature. Il est nécessaire d'utiliser une mire de calibrage faisant apparaître des points radio-opaques couvrant un espace utile 3D. Celle-ci peut être disposée dans le champ opératoire et prendre une forme géométrique s'adaptant à l'anatomie du patient. Une solution moins contraignante pour la procédure interventionnelle consiste à fixer devant le détecteur d'image deux plans solidaires munis de points radio-opaques, strictement parallèles et distants entre eux d'environ 10 cm. Une méthode de calibrage multi-plans peut alors être appliquée, le modèle de projection perspective se déduisant simplement à partir du modèle multi-plans. Une fois les paramètres intrinsèques déterminés, la transformation recherchée se limite à la transformation #SP. Le recalage sur les caractéristiques anatomiques segmentées consiste alors à calculer les six paramètres
(Txsp, Tysp, Tzsp, #xsp, #ysp, #zsp). On procède suivant la même méthodologie que celle décrite précédemment mais l'espace de recherche des paramètres est moins important. iv. Rétroprojection et localisation Lorsque la phase de recalage, et la mise en correspondance des structures segmentées 3D et 2D qui en résulte, est achevée, les paramètres de la transformation #' (estimée de la transformation géométrique 3D/2D) sont déterminés.
Comme illustré sur la figure 7, le correspondant 72 sur l'image 2D peropératoire 73 de tout point 71 de l'espace 3D préopératoire 74 est donc connu. Inversement, la droite de projection (ou de retro-projection) issue du centre de projection et passant par un point 2D quelconque 72 est déterminée simplement en calculant les coordonnées du centre de projection et du vecteur directeur de la droite dans l'espace 3D préopératoire.
Théoriquement, la droite de projection 70 est insuffisante pour localiser un outil ponctuel dans un volume. Cependant, à la différence des problèmes de reconstruction 3D, les données volumiques et en particulier l'arbre vasculaire segmenté par navigation exploratoire virtuelle sont connues. Comme, par ailleurs, les outils endovasculaires sont guidés dans la lumière du vaisseau par un cathéter, leur localisation dans le volume préopératoire est réalisée par retroprojection dans le volume segmenté constitué de l'arbre vasculaire et par le calcul du point 71 de l'arbre vasculaire (lignes centrales des vaisseaux) le plus proche de la droite de projection.
Plus précisément, les différentes branches de l'arbre vasculaire 3D discret issues de la navigation exploratoire virtuelle sont interpolées de façon à être décrites par un ensemble W de points 3D w,. Après recalage des lignes centrales 3D et des lignes centrales 2D, une estimation #' de la transformation est trouvée. (d, ) étant la droite de projection selon #' passant par q1 (point 2D devant être localisé) le calcul du point de l'ensemble W le plus proche de (di) donne le résultat de la localisation après recalage.
Ainsi, si wj est ce point, alors qi est retroprojeté en wj(wj = Loc(q, , #') ).
La détection des points de l'image peropératoire 2D 73 devant être localisés dans l'espace préopératoire 3D 74 est réalisée par des algorithmes classiques de traitement d'image. Elle est effectuée sur la carte d'acquisition standard incluant des fonctions de traitement d'image. En effet l'outil (ballonnet, source d'irradiation, ...) étant matérialisé par des points radio-opaques le délimitant et le produit de contraste étant naturellement
évacué des structures vasculaires à ce stade du processus, la détection des points à localiser dans l'image ne pose pas de difficultés particulières. Outre la localisation indépendante de certains points de l'outil dans l'espace préopératoire 3D, la considération de plusieurs points permet aussi de déterminer son orientation par rapport aux structures anatomiques environnantes.
La figure 8 présente un exemple de contenu de deux écrans d'affichage 80,81 au cours d'une opération. Sur le premier écran 80, le praticien visualise une vue réelle d'une image 2D peropératoire 82, dont une vue schématique est représentée dans la partie haute de la figure 7. Sur le second écran 81, il visualise un ensemble d'informations restituées pendant l'intervention (voir description ci-après).
Ainsi dans l'exemple sur la figure 8, une séquence temporelle d'images 2D peropératoires 82 est acquise (sous la même incidence que l'image 2D peropératoire de référence) après évacuation du produit de contraste et introduction d'un cathéter 84 sur lequel est placé l'outil. Le terme outil est utilisé au sens large, celui-ci pouvant désigner un ballon, une endoprothèse, une source d'irradiation ... L'image peropératoire 2D à rayons X 82 fait alors apparaître l'outil (dans l'exemple un ballon non encore dilaté) matérialisé par deux points radio-opaques 85,83. La région d'intérêt 86 agrandie permet de mieux distinguer les deux points radio-opaques 85,83. Comme illustré sur la figure 7, qui est une vue schématique simplifiée de l'exemple réel de la figure 8, ces points sont détectés puis localisés ponctuellement sur les primitives activées 76 dans le référentiel 3D pré-opératoire. Dans cet exemple, les primitives activées 76 sont trois branches de l'arbre vasculaire.
La branche 75 associée à l'un des points est mise en évidence par la localisation contextuelle. En effet, outre la localisation ponctuelle décrite ci-dessus, il est possible, à partir de la description structurelle de l'arborescence (modèle descriptif), d'effectuer une localisation contextuelle. Cette dernière permet d'indiquer dans quelle branche de la structure arborescente se situe le point localisé et le parcours suivi par l'outil. A partir de cette localisation contextuelle, un processus d'activation / désactivation permet d'activer au cours de l'évolution de l'outil un nombre limité de branches possibles pour les localisations futures et de lever ainsi les ambiguïtés dans le cas de structures
Typiquement, ces puits 24 ont une profondeur comprise entre 5 à 20 micromètres, qui dépend du nombre et de l'épaisseur des couches formant le dispositif de l'invention, et une section d'environ 10x10 micromètres carrés.
Ces puits 24 sont creusés par gravure.
Leurs flancs sont isolés des matériaux semi-conducteurs
constituant les différentes couches par des dépôts de matériau isolant 25, tels que des oxydes ou des nitrures.
Un traitement de passivation des surfaces peut être réalisé avant le dépôt de tels matériaux isolants.
Les lignes métallisées permettant la collection du courant issu de ces puits métallisés 24 peuvent avantageusement présenter une section triangulaire 29 sur la face avant du dispositif de l'invention, comme illustré sur la figure 3. Une telle caractéristique permet de supprimer les effets d'ombrage dus aux métallisations sur cette face.
Ces pointes ou sections triangulaires 29, du fait de leur forme et du matériau utilisé, typiquement de l'aluminium, permettent de rediriger la lumière incidente 30 vers l'intérieur des cellules.
Les dimensions typiques de telles pointes 31 sont données ci-dessous : - distance entre les parois correspondantes de deux pointes 31 : p#50 m, - distance entre deux pointes 31 : d=35 m, - largeur d'une pointe 31 : 1=15 m, - hauteur de chaque pointe 31 : h#28 m.
Une cellule de 10 mm2 comporte environ 6000 plots. 6% de la surface est ainsi couverte par des plots.
Exemple d'un procédé de réalisation d'une cellule Dans un exemple d'empilement GaInP (gap 1,7 ev)/Si (gap ev) permettant un rendement de
conversion potentiel de 43%, comme illustré sur les figures 4A à 4E, un tel procédé peut comprendre les étapes suivantes : - réalisation d'une cellule silicium (sauf métal) comme illustré sur la figure 4A, cette cellule comportant un substrat support silicium 41 faiblement dopé (par exemple de type p) et deux zones 42 et 43 fortement dopées respectivement de type n et p dans l'exemple considéré afin de réaliser la jonction et permettre la formation de contacts ohmiques, - réalisation d'une cellule GaInP : sur un substrat support 44 par exemple en AsGa, formation d'une couche d'arrêt 50 à la gravure chimique du substrat support, par exemple en AlGaAs et épitaxie des couches utiles formant la cellule AlInP, puis GaInP dopé n, GaInP et GaInP dopé p (respectivement couches 45,46, 47 et 48), comme illustré sur la figure 4B, - dépôt d'une couche d'oxyde sur au moins une des deux cellules, formant dans l'exemple considéré la couche 49de la deuxième cellule, - collage des deux ensembles ainsi constitués par les techniques classiques de collage, par adhésion moléculaire par exemple. La couche isolante sépare ainsi les deux cellules, - retrait du substrat support 44 par exemple par abrasion mécanique puis chimique avec arrêt de la gravure chimique sur la couche d'arrêt. On obtient ainsi la structure illustrée sur la figure 4C, - formation des contacts : gravure des puits, passivation et isolation électrique des flancs des puits (dépôts 52), remplissage des puits par dépôt
métallique (typiquement en aluminium), par exemple un dépôt CVD 51 ("Chemical Vapor Déposition"), comme illustré sur la figure 4D, - réalisation des métallisations de collection du courant de section triangulaire 53 sur la face avant : dépôt d'aluminium par pulvérisation, lithographie, gravure aluminium par voie sèche (gaz chlorés : BC13, C12 ; gaz neutre : argon), comme illustré sur la figure 4E.
Des variantes sont possibles pour ce procédé en particulier afin de permettre la réutilisation du substrat support 44. Au lieu d'une couche d'arrêt, on crée dans le substrat support 44 une zone fragilisée par exemple par implantation d'ions hydrogène à travers le substrat support (procédé "smart-cut" décrit dans le brevet américain US 5 374 564). Après formation des couches actives de la cellule, et collage sur la première cellule, on sépare ensuite le substrat support au niveau de cette zone fragilisée par traitement thermique et/ou application de forces mécaniques.
Une troisième variante consiste à utiliser une couche sacrificielle réalisée entre le substrat support 44 et les couches actives 45 à 48 par exemple en AlAs. Pour séparer le substrat support, cette couche est par la suite sélectivement dissoute.
Une quatrième variante, qui concerne une solution avec élimination d'un substrat AsGa par dissolution, est illustrée sur les figures 5A à 5D.
Comme illustré sur la figure 5A, sur le substrat AsGa 60 sont réalisés une épitaxie d'une
B. 9) Purification de l'ADN chromosomique : gel préparatif Préparer un gel d'agarose à 1%, en TAE, des grands puits seront prévu pour les échantillons.
Reprendre la totalité de l'ADN, soit 20 l, ajouter 4 l de solution de dépôt. En parallèle déposer le marqueur de poids moléculaire dans les proportions suivantes : 5 l H20 5 l du marqueur 1 Kb DNA 2 l de la solution de dépôt.