Insertion robotisée d'une aiguille flexible par asservissement visuel échographique

Flexible needle steering using ultrasound visual servoing

• Auteur / Autrice : Jason Chevrie
• Direction : Alexandre Krupa, Marie Babel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance le 13/12/2017
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Échographie

Commande automatique

Robotique en médecine

Mots clés libres

Robotique en médecine

Échographie

Commande automatique

Traitement d'images

Chirurgie mini-Invasive

Medical robotics

Ultrasonography

Automatic control

Image processing

Minimally Invasive Surgical Procedures

Résumé

Le guidage robotisé d'une aiguille a été le sujet de nombreuses recherches ces dernières années afin de fournir une assistance aux cliniciens lors des procédures médicales d'insertion d'aiguille. Cependant le contrôle précis et robuste d'un système robotique pour l'insertion d'aiguille reste un grand défi à cause de l'interaction complexe entre une aiguille flexible et des tissus ainsi qu'à cause de la difficulté à localiser l'aiguille dans les images médicales. Dans cette thèse nous nous concentrons sur le contrôle automatique de la trajectoire d'une aiguille flexible à pointe biseautée en utilisant la modalité échographique comme retour visuel. Nous proposons un modèle 3D de l'interaction entre l'aiguille et les tissus ainsi qu'une méthode de suivi de l'aiguille dans une séquence de volumes échographiques 3D qui exploite les artefacts visibles autour de l'aiguille. Ces deux éléments sont combinés afin d'obtenir de bonnes performances de suivi et de modélisation de l'aiguille même lorsque des mouvements des tissus sont observés. Nous développons également une approche de contrôle par asservissement visuel pouvant être adaptée au guidage de différents types d'outils longilignes. Cette approche permet d'obtenir un contrôle précis de la trajectoire de l'aiguille vers une cible tout en s'adaptant aux mouvements physiologiques du patient. Les résultats de nombreux scénarios expérimentaux sont présentés et démontrent les performances des différentes méthodes proposées.

The robotic guidance of a needle has been the subject of a lot of research works these past years to provide an assistance to clinicians during medical needle insertion procedures. However, the accurate and robust control of a needle insertion robotic system remains a great challenge due to the complex interaction between a flexible needle and soft tissues as well as the difficulty to localize the needle in medical images. In this thesis we focus on the ultrasound-guided robotic control of the trajectory of a flexible needle with a beveled-tip. We propose a 3D model of the interaction between the needle and the tissues as well as a needle tracking method in a sequence of 3D ultrasound volumes that uses the artifacts appearing around the needle. Both are combined in order to obtain good performances for the tracking and the modeling of the needle even when motions of the tissues can be observed. We also develop a control framework based on visual servoing which can be adapted to the steering of several kinds of needle-shaped tools. This framework allows an accurate placement of the needle tip and the compensation of the physiological motions of the patient. Experimental results are provided and demonstrate the performances of the different methods that we propose.