Amélioration de la planification stéréotaxique : des enseignements de la pratique clinique vers un logiciel dédié

Improving the stereotaxic planning : from daily clinical practice to expert software

• Auteur / Autrice : Marc Zanello
• Direction : Johan Pallud, Bertrand Devaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 27/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de psychiatrie et neurosciences de Paris (2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Évelyne Emery
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Évelyne Emery, Claire Haegelen, Stéphane Derrey, Romain Carron, Michel Lefranc
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claire Haegelen, Stéphane Derrey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stimulation cérébrale profonde

Électroencéphalographie

Neurochirurgie

Analyse des données

Hémorragie

Crâne

Complications chirurgicales

Imagerie par résonance magnétique

Biopsie

Stéréotaxie

Mots clés libres

Stéréotaxie

Biopsie guidée par imagerie

Imagerie par résonance magnétique

Complications postopératoires

Hémorragie intracrânienne

Analyse de données

Programme informatique

Stereotaxic techniques

Image-guided biopsy

Magnetic resonance imaging

Postoperative complications

Intracranial hemorrhage

Data analysis

Software

Résumé

La neurochirurgie stéréotaxique, visant à atteindre avec une précision millimétrique des cibles intracérébrales, connaît un important essor. Si les outils chirurgicaux ont énormément progressé depuis 30 ans, la planification de la trajectoire stéréotaxique reste du ressort exclusif du neurochirurgien. La stimulation cérébrale profonde ou la stéréoélectroencéphalographie sont des actes peu courants, pratiqués exclusivement par des équipes dédiées et des neurochirurgiens experts. Au contraire, la biopsie en conditions stéréotaxiques d'une lésion cérébrale - tumorale ou d'étiologie indéterminée - est fréquent et considérée comme devant faire partie du bagage de tout neurochirurgien. La trajectoire à emprunter devant une lésion produisant un effet de masse sur le parenchyme cérébral peut être complexe à déterminer. L'objectif de cette thèse est donc de déterminer s'il existe une utilité à développer un logiciel d'aide à la planification des trajectoires stéréotaxiques et de le mettre en œuvre, le cas échéant. Ce travail a été mené de façon translationnelle, en partant des constats cliniques pour en arriver à une solution logicielle. Premièrement, les caractéristiques cliniques et radiologiques de 377 patients adultes ayant bénéficié d'une biopsie stéréotaxique robotisée pour un gliome supratentoriel ont été recueillis de façon standardisée. Ce travail, plus grande série de biopsies robotisées, a permis de constater un taux significatif de déficit neurologique post-biopsie (supérieur à 7% des cas) et un taux de complications (hémorragiques/biopsies non contributives) supérieur à 2%. Il a également permis de proposer un score pour différencier les patients à risque de complications et donc nécessitant un transfert vers un autre hôpital. Les trajectoires des biopsies ayant entraîné des hématomes significatifs ont fait l'objet d'une reconstitution dans les 3 plans de l'espace avec normalisation sur le template MNI. Ce travail, le premier mené sur des trajectoires de biopsie stéréotaxique, a permis de mettre en évidence que plus de 70% des hématomes mesurant plus de 2 cm de plus grand axe sont secondaires à des erreurs de trajectoire. Une revue systématique de la littérature selon les recommandations PRISMA s'est intéressée aux solutions d'automatisation des trajectoires stéréotaxiques développées actuellement. Les outils développés ou en cours de développement concernent principalement la stimulation cérébrale profonde et la stéréoélectroencéphalographie et ne sont pas disponibles en libre accès. La comparaison entre la planification manuelle et la planification assistée par ordinateur est toujours en faveur de la seconde. Un atlas de 154 trajectoires stéréotaxiques réalisées lors des biopsies de glioblastome (gliome agressif) supratentoriel de l'adulte a été réalisé grâce aux radiographies acquises durant la réalisation desdites biopsies, permettant l'analyse de la variation de l'intensité du signal tout au long de la trajectoire sur la séquence tridimensionnelle T1 après injection de produit de contraste. Cette analyse a révélé que les variations d'intensité de signal sont à même de révéler plus de 60% des erreurs de trajectoire responsable de saignement intraparenchymateux. Un logiciel expert d'aide à la planification a été développé à l'aide de cet atlas stéréotaxique et est en cours de validation prospective. Ce travail a montré l'intérêt de développer des solutions d'aide à la planification stéréotaxique afin de diminuer les complications liées aux actes de neurochirurgie stéréotaxique. Ces solutions doivent permettre à terme de proposer une planification entièrement automatisée accélérant et améliorant la prise en charge des patients.

Stereotaxic neurosurgery, aiming to reach intracerebral targets with millimeter precision, experienced a significant growth. If important progress has been made concerning the neurosurgical tools during the last 30 years, the stereotaxic trajectory planning remains exclusively handmade by the neurosurgeon. Deep brain stimulation or stereoelectroencephalography are rare surgical procedures, performed by dedicated teams and specialized neurosurgeons. On the contrary, stereotaxic biopsy of a brain lesion is frequent and considered to be part of the basic knowledge of any neurosurgeon. However, the correct trajectory can be hard to define, especially in context of large tumor with mass effect. The objective of this thesis is to investigate the value of developing an expert software to improve stereotaxic trajectory planning and to implement it in daily clinical practice, if necessary. This work is in line with translational research definition, starting from daily clinical observations to propose a new software solution. First, the clinical and radiological characteristics of 377 adult patients who underwent a robot-assisted stereotaxic biopsy for a supratentorial glioma were collected according to a standardized procedure. This work, the largest series of robot-assisted stereotaxic biopsy, revealed a significant rate of postoperative neurological deficit (greater than 7% of cases) and a complication rate (hemorrhagic / inconclusive biopsies) greater than 2%. A prognostic score of postoperative complication was proposed. The biopsy trajectories leading to significant hematomas were analyzed followinga semi-automated segmentation procedure followed by spatial normalization on the MNI 152 template. This work, which reports for the first time a stereotaxic biopsy trajectories reconstitution, highlight that more than 70% of hematomas measuring more than 2 cm of larger axis are secondary to trajectory errors. A systematic review of the literature, according to PRISMA guidelines, focused on the automation of stereotaxic trajectory planification. The tools developed or under development mainly concern deep brain stimulation and stereoelectroencephalography and are not open access. The comparison between manual planning and computer-assisted planning is always in favor of the latter. An atlas of 154 stereotaxic biopsy trajectories of supratentorial glioblastoma (aggressive glioma) in adult patients was made thanks to the peroperative radiographies, allowing the analysis of the intensity variation of the signal along the trajectory on the three-dimensional sequence T1 after gadolinium injection. This analysis revealed that variations in signal intensity reveal more than 60% of the trajectory errors responsible for intraparenchymal bleeding. Expert planning assistance software has been developed using this stereotaxic atlas and is being validated prospectively. This work has shown the interest of developing solutions to ease stereotaxic planning. This will decrease the stereotaxic neurosurgical procedures complications. Fully automated planning represent a goal to achieve, speeding up and improving patient care.