Navigation autonome de guides et cathéters pour une opération en cardiologie interventionnelle robotisée

Autonomous catheter and guidewire navigation for robotic percutaneous coronary interventions

• Auteur / Autrice : Pierre Schegg
• Direction : Christian Duriez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et applications
• Date : Soutenance le 25/05/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inria de l'Université de Lille - Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille
• Jury : Président / Présidente : Marie-Odile Berger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémie Dequidt, Philippe Preux, Jocelyne Troccaz, Christos Bergeles, Justin Carpentier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fernando Bello, Jérôme Szewczyk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Commande automatique

Simulation par ordinateur

Angioplastie coronaire primaire

Robotique en médecine

Mots clés libres

Robots déformables

Prise de décision séquentielle

Recherche arborescente Monte Carlo

Sequential Decision Making

Robotics

Medical Simulation

Résumé

Cette thèse porte sur la navigation automatique de guides et cathéters dans les artères coronaires. Dans un premier temps, nous introduisons le contexte de la cardiologie interventionnelle et le cas particulier des interventions coronaires percutanées. Nous justifions aussi l'utilité de la robotisation de ces procédures. Nous faisons ensuite le pont entre le problème de la navigation de guides et le contrôle de robots déformables, puis examinons les travaux existants sur le même sujet.Notre étude commence par la conception de simulations dynamiques réalistes des artères, du coeur et de leur interaction avec les instruments chirurgicaux. Cela a nécessité la collecte de données patient, la compréhension de l'influence du battement cardiaque sur la déformation des artères et comment cette déformation impacte la navigation de guides. Les interventions coronaires percutanées considérées reposent également fortement sur les contacts entre les instruments et les parois arterielles, ce qui est une difficulté supplémentaire au regard du temps de simulation ainsi que de leur précision.Nous avons ensuite utilisé ces simulations pour formuler le problème de la navigation de guides dans les artères coronaires comme un problème de prise de décision séquentielle. Nous avons défini les espaces d'état et d'action correspondants et conçu une fonction de récompense adéquate. Nous avons testé plusieurs stratégies de contrôle, y compris des mèthodes de contrôle basées sur un modèle inverse et des méthodes de recherche arborescente. Nous avons également proposé une nouvelle combinaison de ces méthodes qui atteint de bonnes performances dans les cas de figure testés.Finalement nous avons conçu un algorithme de vision et un schéma de recallage permettant de transférer les algorithmes de commande sur un robot physique. L'algorithme de contrôle en boucle fermé ainsi constitué a été testé sur deux fantômes en silicone différents sur lesquels l'algorithme atteint un taux de succès comparable à une navigation manuelle et à une navigation en télé-opérant le robot.

This thesis focuses on automatic navigation of guidewires and catheters in the coronary arteries. We first introduce the context of interventional cardiology and percutaneous coronary interventions. We also justify the use of a robot for those procedures. We then link the guidewire navigation problem to the control of soft robots and review the existing literature.Our study starts with building realistic, dynamic simulations of the arteries, heart and their interaction with the instruments. This required the gathering of patient data, understanding how the heart beat motion deforms the heart and how these deformations impact guidewire navigation. Percutaneous coronary interventions are also very contact dense which is a challenge for both simulation speed and accuracy.We then used these simulations to frame the problem of navigating the coronaries as a sequential decision making problem. We determined the corresponding state and action spaces and devised a reward. We tested a variety of control schemes on the navigation problem, including inverse model based control and tree-search based control and proposed a novel combination of both which achieves good performance in navigating the coronaries.Finally, we design a vision algorithm and registration scheme to transfer the algorithms to a physical robot. The closed loop control scheme was tested on two different silicone phantoms and achieves the same success rate as navigating by hand or by tele-operating the robot.