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

Cette these decrit la conception et l'evaluation de systemes robotiques de ponctions percutanees d'aiguilles guides par imagerie medicale. Les ponctions percutanees 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 frequentes sont les biopsies, les ablations de tumeurs par radiofrequence, la cryotherapie, le drainage et la curietherapie, entre autres. Le couplage de l'imagerie medicale avec l'insertion d'une aiguille donne suite a un nombre de difficultes pour le clinicien, tels que l'alignement precis de l'aiguille a la trajectoire planifiee dans l'image, la realisation de trajectoires complexes et hors-plans difficiles a visualiser, et la compensation du mouvement et deformation des tissus mous. La robotique peut etre utilise pour assister a ces procedures pour simplifier les defis et potentiellement ameliorer leur precision, leur benefices cliniques et leurs taux d'inclusion. Cette these expose les defis techniques et cliniques auxquels il faut faire typiquement face pendant la conception et l'evaluation de tels robots de ponction, tout en restant sur les aspects qui les differentient d'autres robots medicaux. Une revue de l'etat de l'art est utilise pour decrire ces defis et pour presenter les divers solutions deja proposes pour leur faire face. Sur cette base, deux tels systemes robotiques, developpes pendant cette these, sont decrits en detail, donnant ainsi des exemples concretes des nombreuses contraintes imposes dans le cadre de ponctions d'aiguilles guides par imagerie medicale. Le premier systeme, s'appelant PROSPER, est dedie aux interventions prostatiques transperineales guides par imagerie ultrasonique, en particulier la curietherapie. Le robot est fixe a la table chirurgicale et une sonde echographique 3D transrectale lui est rigidement relie, permettant ainsi un calibrage preoperatoire entre l'espace du robot et l'espace image. Le protocole developpe pour ce systeme inclue un recalage echo-echo peroperatoire pour compenser le mouvement et la deformation de la prostate pendant l'insertion des aiguilles. Ce chapitre expose les defis d'un systeme qui n'est pas physiquement present dans l'espace de l'image et qui tient en compte le divers contraintes intrinseques a l'environnement des tissus mous. Le deuxieme systeme s'appelle LPR et est destine a la radiologie interventionnelle des regions thoraciques et abdominopelviennes, sous guidage TDM et IRM. Il est fixe sur le corps du patient et positionne et insere une aiguille selon une trajectoire et visant une cible choisis par le radiologue dans l'image. Le robot est calibre a l'image en peroperatoire par moyens de mires multimodales incorpores dans la structure du robot. Il est entierement compatible avec les deux modalites d'imagerie en terme de qualite d'image et contraintes de taille. Par rapport au robot PROSPER, ce chapitre montre comment la presence du robot dans l'espace de l'image donne suite a un nombre d'autres defis qui doivent etre consideres pour permettre son acceptabilite clinique. Dans les descriptions des deux systemes, l'accent est mis sur les solutions innovantes mises en place dans le but de fournir des vrais benefices cliniques aux patients ainsi qu'aux cliniciens. Des prototypes de chaque systeme ont ete developpes et evalues sur des fantomes synthetiques en termes de leur precision et compatibilite preclinique.