Echographie laparoscopique pour la chirurgie mini-invasive, la biopsie et les procédures d'ablation

Ultrasound laparoscopic guidance for minimally invasive surgery, biopsy, and ablation procedures

• Auteur / Autrice : Chinmay Samant
• Direction : Michel de Mathelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : David Fofi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel de Mathelin, David Fofi, Pascal Vasseur, Alexandre Hostettler, John Klepper, Adlane Habed
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Fofi, Pascal Vasseur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cytodiagnostic

Biopsie

Coelioscopie

Chirurgie mini-invasive

Mots clés libres

Hand-Eye Calibration

Robotics

Hybrid-Tracking

Laparoscopes

Résumé

La chirurgie laparoscopique minimalement invasive guidée par l'image permet la réduction de la durée des séjours à l'hôpital pour le patient, réduisant ainsi les traumatismes postopératoires et accélérant le temps de guérison. Avec les progrès récents des techniques d'imagerie, les chirurgiens peuvent planifier une chirurgie de manière efficace et en toute confiance en utilisant différentes modalités d'image telles que la tomodensitométrie / IRM, les images échographiques, etc. Les techniques de fusion d'images en temps réel permettent la superposition de différents types d'images pour fournir une vue complète au chirurgien. Un aspect important de la fusion en temps réel est que l'instrument laparoscopique est suivi en temps réel à l'aide de capteurs. Dans cette thèse, nous présentons une analyse détaillée de ces technologies de suivi tout en fournissant une nouvelle configuration de capteurs pour le suivi d'images par laparoscope à ultrasons. Nous présentons une chaîne cinématique pour la configuration des capteurs et nous fournissons une solution pour la réduction du bruit présent dans les données des capteurs en utilisant la technique de moyennage des rotations. Le Hand-Eye calibration (étalonnage main-œil) est également un élément fondamental des systèmes de suivi hybrides. Nous présentons une révision détaillée de cette technique. Nous présentons également une méthode déterministe, robuste et précise pour résoudre le problème d'étalonnage main-œil, même pour de grandes quantités de valeurs aberrantes et des niveaux élevés de bruit de mesure. La méthode proposée est basée sur une reformulation d'un problème de programmation semi-définie à contraintes de rang où la robustesse est renforcée via une approche d'optimisation pondérée de façon itérative.

Minimally invasive image-guided laparoscopic surgery allows shorter hospital stays for the patient reducing post-operative trauma and faster healing time. With the recent advances in imaging techniques, surgeons can efficiently and confidently plan a surgery by using different image modalities such as CT/MRI scans, ultrasound images etc. Real-time image fusion techniques can overlay the images from different modalities together to provide a comprehensive view to the surgeon. An important aspect of real-time fusion is that the laparoscopic instrument is tracked in real-time using sensors. In this thesis, we present a detailed analysis of such tracking technologies while providing a novel sensor setup for ultrasound laparoscope image tracking. We present a kinematic chain for the sensor setup and provide a solution for noise reduction in the sensor data using rotation averaging technique. Hand-Eye calibration is also a fundamental part of hybrid tracking systems. We present a detailed review of this technique. We also present a deterministic, robust and accurate method for solving Hand-Eye calibration problem even for large amounts of outliers and high levels of measurement noise. The proposed method is based on a reformulation of a rank-constrained semi-definite programming problem allowing for robustness to be enforced via an iteratively re-weighted optimization approach.