Utilisation de la Réalité Augmentée pour le repositionnement précis d’un patient par rapport à son avatar numérique en radiothérapie

Using Augmented Reality to adjust accurately the position of a patient from its avatar in radiotherapy

• Auteur / Autrice : Julien Barbier
• Direction : Franck Joseph Aimé Gechter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 01/03/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Connaissance et Intelligence Artificielle Distribuées (CIAD) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Andrès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Joseph Aimé Gechter, Caroline Essert, Romuald Aufrère, Karine Charriere, Christian Bastien
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Caroline Essert, Romuald Aufrère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réalité augmentée

Radiothérapie

Cancer -- Radiothérapie

Mots clés libres

Radiothérapie

Réalité Augmenté

Médical

Précision

Imagerie

Radiotherapy

Augmented Reality

Medical

Informatics Imaging

Accuracy

Résumé

Les cancers sont un problème de santé publique important actuellement. En effet, ces maladies sont la première source de décès chez les hommes et la deuxième pour les femmes et touchent des dizaines de milliers de personnes en France par an. Une solution pour traiter ces maladies est l’utilisation de la radiothérapie. La radiothérapie est un traitement qui permet de lutter contre le cancer. Ce traitement, utilisant des rayons ionisants, nécessite une très grande précision pour éviter d’irradier les tissus sains et provoquer des effets secondaires néfastes à la santé du patient. Or le positionnement du patient au début du traitement représente une partie du problème de la précision. Une hypothèse peut être d’utiliser la technologie de la Réalité Augmentée (RA) pour aider les manipulateurs à repositionner le patient. Néanmoins, des verrous technologiques comme la précision des systèmes RA ou encore l’intégration d’une solution au flux de travail actuel du traitement de la radiothérapie sont présents.C’est dans ce contexte que le projet APS (Augmented Patient Setup) est porté au sein d’un consortium d’acteurs privés comme Shine Medical et Maincare, d’universitaires comme ISIFC et Biotika ainsi que d’acteurs publics de la santé comme le centre hospitalier universitaire de Minjoz ainsi que le centre d’investigation clinique de Minjoz. L’objectif de ce projet est de proposer une suite de logiciels ayant pour objectif de résoudre ces différents verrous.Ainsi ce manuscrit de thèse a pour objectif de présenter dans un premier temps un état des lieux du domaine de la radiothérapie, en présentant le fonctionnement actuel et les différentes innovations apportés récemment à ce domaine, et de la RA, avec les différents concepts et l’état actuel du marché. Nous proposerons ensuite une analyse plus poussée sur les applications médicales et de radiothérapies utilisant la RA pour définir le matériel le plus adapté à notre besoin et les limites rencontrées actuellement avec les systèmes de RA. Ainsi nous réaliserons une étude approfondie des Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) pour comprendre les limites rencontrées dans la RA puis nous essayerons de résoudre ce problème en proposant un SLAM (Simultaneous Localization and Mapping). Nous analyserons les résultats de performances et de précisions fournies par ce SLAM. Enfin, nous présenterons par la suite une solution pour résoudre le problème de l’intégration du système dans le flux de travail en présentant une intégration dans le flux du traitement de la radiothérapie avec le projet APS, la réalisation d’un prototype puis les différents protocoles de tests pour analyser la précision du prototype, mais aussi la qualité de différentes interfaces homme-machine en RA dans notre cas d’application.

Currently, cancers are a public health issue. In fact, these diseases are the first cause of death for men, second for woman and concern ten thousands of people in France each years. A treatment is the use of radiotherapy. This treatment allows to treat cancers by using ionizing rays. However, it needs very high accuracy to avoid irradiation of healthy tissues and so provoking negative side effect on the health of the patient. Moreover, the position of the patient on the table of radiotherapy represents a large part of the accuracy problem. A hypothesis is the use of Augmented Reality to help manipulator positioning the patient. However, technology obstacles are currently present in AR such as the accuracy of the technology or its integration inside the current workflow of the radiotherapy.It is in this context that the project APS (Augmented Patient Setup) is promoted by a consortium of private actors such as Shine Medical and Maincare, university actors such as ISIFC and Biotika and public health actors such as the hospital center of Minjoz and the clinical investigation center of Minjoz. The goal of this project is to propose a software environment which tries to solve these different obstacles.Thus, this PhD. manuscript presents in a first step a state of the art of the radiotherapy field, by presenting the current workflow and the last innovations brought in this field, and the AR, with the different concepts and the current state of the market. Afterwards, we present an analysis on medical and more specifically radiotherapy applications using AR to define the correct combination of devices needed for the project and the current limits found inside these applications. Thus, we realize a study on Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) to understand the current limits encountered with AR and we try to solve this problem by proposing a hybrid SLAM and analyzing its performances and its accuracy. Finally, we propose a solution to solve the integration problem of the system inside the workflow by presenting an integration inside the treatment flow with the project APS, the implementation of a prototype and the different tests protocols to analyze the accuracy and the quality of the users’ interfaces for our case of application.