Suivi transcrânien par ultrasons d'un microrobot neurochirurgical

Transcranial ultrasound tracking of a neurosurgical microrobot

• Auteur / Autrice : Pierre Zarader
• Direction : Sinan D. Haliyo, Olivier Couture
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 14/05/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des systèmes intelligents et de robotique (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Régis Marchiano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Voros, Romina Aron-Badin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Derode, Jean-Luc Gennisson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie ultrasonore

Tumeurs cérébrales

Microrobots

Ultrasons en médecine

Mots clés libres

Dispositif neurochirurgical

Localisation 3D en temps réel

Système de suivi basé sur les ultrasons

Trilatération

Ultrasons transcrâniens

Neurosurgical device

Transcranial ultrasound

Trilateration

Ultrasound-based tracking system

3D real-time localization

Résumé

Dans l'objectif de traiter les tumeurs cérébrales difficilement accessibles avec les outils chirugicaux actuels, Robeauté développe un microrobot innovant dans l'objectif de naviguer dans les zones cérébrales profondes avec un minimum d'invasivité. L'objectif de cette thèse a été de développer et de valider un système de suivi ultrasonore transcrânien du microrobot afin de pouvoir implémenter des commandes robotiques et garantir ainsi la sûreté et l'efficacité de l'intervention.L'approche proposée consiste à placer trois émetteurs ultrasonores sur la tête du patient, et à embarquer un récepteur ultrasonore sur le microrobot. En connaissant la vitesse du son dans les tissus biologiques et l'épaisseur de crâne traversée, il est possible d'estimer les distances entre les émetteurs et le récepteur par mesure de temps de vol, et d'en déduire sa position 3D par trilatération. Une preuve de concept a d'abord été réalisée à travers un modèle de crâne d'épaisseur constante, démontrant une précision de localisation submillimétrique. Pour se placer dans un contexte clinique, le système a ensuite été évalué à travers un modèle de calvaria dont l'épaisseur et la vitesse du son en face de chaque émetteur ont été déduites par tomodensitométrie. Le système a démontré une précision de localisation moyenne de 1.5 mm, soit une dégradation de la précision d'1 mm comparée à celle du suivi à travers le modèle de crâne d'épaisseur constante, expliquée par l'incertitude apportée par l'épaisseur hétérogène de la calvaria. Enfin, trois tests pré-cliniques, sans possibilité d'évaluer l'erreur de localisation, ont été réalisés : (i) un test post-mortem sur un humain, (ii) un test post-mortem sur une brebis, (iii) et un test in vivo sur une brebis.De futures pistes d'amélioration du système de suivi ont été proposées, telles que (i) l'utilisation de simulation de propagation ultrasonore transcrânienne basée sur une tomodensitométrie pour la prise en compte des hétérogénéités du crâne, (ii) la miniaturisation du capteur ultrasonore embarqué sur le microrobot, (iii) ainsi que l'intégration d'une imagerie ultrasonore pour la visualisation de la vascularisation locale autour du microrobot, permettant ainsi de réduire le risque de lésions et de détecter d'éventuelles angiogenèses pathologiques.

With the aim of treating brain tumors difficult to access with current surgical tools, Robeauté is developing an innovative microrobot to navigate deep brain areas with minimal invasiveness. The aim of this thesis was to develop and validate a transcranial ultrasound-based tracking system for the microrobot, in order to be able to implement robotic commands and thus guarantee both the safety and the effectiveness of the intervention.The proposed approach consists in positioning three ultrasound emitters on the patient's head, and embedding an ultrasound receiver on the microrobot. Knowing the speed of sound in biological tissue and the skull thickness crossed, it is possible to estimate the distances from the emitters to the receiver by time-of-flight measurements, and to deduce its 3D position by trilateration. A proof of concept was first carried out using a skull phantom of constant thickness, demonstrating submillimeter localization accuracy. The system was then evaluated using a calvaria phantom whose thickness and speed of sound in front of each emitter were deduced by CT scan. The system demonstrated an mean localization accuracy of 1.5 mm, i.e. a degradation in accuracy of 1 mm compared with the tracking through the skull phantom of constant thickness, explained by the uncertainty brought by the heterogeneous shape of the calvaria. Finally, three preclinical tests, without the possibility of assessing localization error, were carried out: (i) a post-mortem test on a human, (ii) a post-mortem test on a ewe, (iii) and an in vivo test on a ewe.Further improvements to the tracking system have been proposed, such as (i) the use of CT scan-based transcranial ultrasound propagation simulation to take account of skull heterogeneities, (ii) the miniaturization of the ultrasound sensor embedded in the microrobot, (iii) as well as the integration of ultrasound imaging to visualize local vascularization around the microrobot, thereby reducing the risk of lesions and detecting possible pathological angiogenesis.