Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients.  L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5). Atherosclerosis is a disease caused by the accumulation of lipid deposits inducing the remodeling and hardening of the vessel wall, which leads to a progressive narrowing of arteries. These lesions are generally located on the coronary, carotid, aortic, renal, digestive and peripheral arteries. With regards to peripheral vessels, lower limb arteries are frequently affected. The severity of arterial lesions are evaluated by the stenosis degree (reduction > 50.0 % of the lumen diameter) using angiography, magnetic resonance angiography (MRA), computed tomography (CT) and ultrasound (US). However, to plan a surgical therapeutic intervention, a 3D arterial geometric representation is notably preferable. Imaging methods such as MRA and CT are very efficient to generate a three-dimensional imaging of good quality even though their use is expensive and invasive for patients.  3D-ultrasound can be perceived as a promising avenue in imaging for the location and the quantification of stenoses. This non invasive, non allergic (i.e, nephrotoxic contrast agent) and non-radioactive imaging modality offers distinct advantages in convenience, low cost and also multiple diagnostic options to quantify blood flow in Doppler. Since medical robots already have been used with success in surgery and orthopedics, our team has conceived a new medical 3D-US robotic imaging system to localize and quantify arterial stenoses in lower limb vessels. With this new technology, a clinician manually teaches the robotic arm the scanning path. Then, the robotic arm repeats with high precision the taught trajectory and controls simultaneously the ultrasound image acquisition process at even sampling and preserves safely the force applied by the US probe. Consequently, the reconstruction of a lower limb arterial geometry in 3D with this system could allow the location and quantification of stenoses with high accuracy. The objective of this research project consisted in validating and optimizing this 3D-ultrasound imaging robotic system. The reliability of a 3D reconstructed geometry obtained with 2D-US images captured with a robotic system depends considerably on the positioning accuracy and the calibration procedure. Thus, the positioning accuracy of the robotic arm was evaluated in the workspace with a lower limb-mimicking phantom design (article 1 - chapter 3). In addition, a Z-phantom was designed to assure a precise calibration of the robotic system. These optimal methods were used to validate the system for the clinical application and to find the transformation which converts image coordinates of a 2D-ultrasound image into the robotic arm referential. From these results, all objects scanned by the robotic system can be adequately reconstructed in 3D. Multimodal imaging vascular phantoms of lower limb arteries were used to evaluate the accuracy of the 3D representations (article 2 - chapter 4, article 3 - chapter 5). The validation of the reconstructed geometry with this system was performed by comparing surface points with the manufacturing vascular phantom file surface points. The accuracy to localize and quantify stenoses with the 3D-ultrasound robotic imaging system was also determined. These same evaluations were analyzed in vivo to perceive the feasibility of the study.

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