Suivi des structures osseuses par échographie

En remplaçant les tubes cathodiques de la 1ère génération d’ordinateurs par des transistors, la 2ème génération a été introduite dans les hôpitaux pour effectuer des calculs relatifs à la comptabilité et la facturation des patients. Le traitement de l’information a été accéléré en combinant des milliers de transistors dans un circuit intégré, de taille ¼ de pouce, et la 3ème génération d’ordinateurs a été utilisée pour mesurer la fréquence cardiaque, la tension artérielle et la respiration. Dans la 4ème génération d’ordinateurs, des milliers de circuits intégrés ont été combinés dans un microprocesseur et les ordinateurs pouvaient effectuer des inventaires de pharmacies. Dans les années 80, des efforts ont été faits sur l’intelligence artificielle : rendre les ordinateurs capables d’imiter certaines fonctionnalités humaines (telles que la compréhension des mots parlés …) et la 5ème génération d’ordinateurs a été utilisée dans des systèmes experts pour le diagnostic et la planification du traitement.

La localisation précise d’un organe dans une salle d’opération n’est pas toujours facile pour le praticien d’où la nécessité de développer des systèmes de guidage. La technologie informatique par sa vitesse de calcul et sa capacité à capturer des bandes de fréquences beaucoup plus larges que celle d’un œil humain, peut être utilisée pour aider dans la planification et le guidage de la chirurgie. Le but de la navigation chirurgicale est de fournir, par un abord minimisé, en temps réels, une feuille de route à suivre par le chirurgien, tout en respectant les précisions cliniques spécifiques à chaque chirurgie. Cette feuille de route est préparée dans une phase préopératoire et comprend l’anatomie du patient et la planification de la chirurgie. Une fois dans la salle d’opération, le système de navigation acquière des données du patient sur lesquelles il superpose la feuille de route. La superposition des données préperopératoire rend la navigation possible et ce processus s’appelle plus précisément le recalage. La première utilisation de la navigation chirurgicale date des années 80en neurochirurgie : Le but était, et il l’est toujours, de placer précisément un instrument avec le moins de dommages possibles sur le cerveau.

Conçus et testés dans des salles de laboratoires puis utilisés dans des salles d’opérations, les systèmes de navigation en orthopédie ont d’abord été utilisés pour la chirurgie des vertèbres afin de placer précisément des vis pédiculaires avec le moins de dommages possibles aux structures neurovasculaires. Actuellement, plusieurs applications pour l’arthroplastie totale de hanche, du genou et de l’épaule sont disponibles. En Arthroplastie Totale de Hanche (ATH), l’objectif est de réduire la douleur en reproduisant les propriétés mécaniques de l’articulation de la hanche à l’aide d’implants artificiels, qui assurent également une fonctionnalité optimale. De nombreux systèmes d’assistance au geste ont été développés et commercialisés. Ils reposent alors sur l’utilisation d’images préopératoires (tomodensitométrie, fluoroscopie, IRM,…) mises en correspondance avec le patient au début de l’intervention. Ce recalage peut se faire à l’aide d’outils localisés dans une salle d’opérations pointant l’os. D’autres approches reposent sur l’acquisition d’informations peropératoire de façon exclusive. Parmi les modalités d’imagerie peropératoire, l’échographie est la moins invasive et également la moins couteuse. C’est donc cette dernière qui a retenue notre attention dans le cadre de ce travail.

Ce travail traite de la navigation de l’ATH, à base d’échographie, en mettant l’accent sur la navigation de l’implant fémoral. Une sonde 3D motorisée et calibrée, permet l’acquisition de données morphologiques fémorales recalées ensuite sur des données préopératoires (CT) afin de fournir des instructions de navigation quantitatives et qualitative pour optimiser le geste chirurgical.

Le recalage est généralement une étape critique dans la navigation. Dans notre contexte, il est utilisé pour positionner une vue partielle (échographique) du fémur dans une vue complète acquise lors d’un examen tomodensitométrique préopératoire. Ce volume présente une forme particulière fermée, relativement symétrique et qui peut guider le processus de recalage afin de ne pas diverger ou de se bloquer dans un minimum local. Iterative Closest Point (ICP) [Besl_92] est un algorithme de recalage rigide, rapide, simple mais sensible à l’état initial des nuages à recaler et au bruit. Nous citons quelques solutions commerciales pour les chirurgies orthopédiques assistées par ordinateurs: MaKO [Mozes_08] et HipExpress [BrainLab_14] où ICP est utilisé avec un alignement initial manuel et utilisant des repères anatomiques.

Des données simulées du fémur distal [Haddad_14] et proximal [Haddad_15] sont d’abord utilisées pour tester la capacité d’une version adaptée de l’ICP à recaler des vues du fémur qui peuvent être acquises lors d’une ATH par une sonde. Ensuite, la calibration de la sonde 3D est effectuée en utilisant un fantôme plan en nylon, qui est facilement extractible des données échographiques et n’impose pas de contraintes sur le positionnement de la sonde lors de la calibration, comme l’exige d’autres méthodes utilisant des points ou des lignes. Les acquisitions échographiques sur des fantômes du fémur (en plastique) sont réalisées en se concentrant sur le col (antéropostérieur) fémoral [Haddad_16], le grand et petit trochanter [Haddad_17]. Les fantômes ont également été imagés par un scanner. La segmentation et le traitement ont été effectués en utilisant la géométrie d’acquisition de la sonde et en utilisant un seuillage manuel. L’objectif était de montrer la contribution de l’initialisation de l’ICP dans le recalage rigide US-CT et de l’illustrer sur des données du fémur proximal. Les résultats affirment la capacité d’une version adaptée de l’ICP, initialisée en profitant de la forme du fémur et avec un filtrage itératif basée sur la connaissance de la géométrie d’acquisition de la sonde, à fournir un recalage robuste et rapide pour une ATH assistée par ordinateur.

Le vieillissement de la population, l’augmentation de l’obésité et des traumatismes sportifs engendrent une croissance de l’arthrose, maladie causant une destruction irréversible des articulations avec une localisation prédominante à la hanche et au genou. A un stade avancé, son traitement réside dans le remplacement prothétique des surfaces articulaires. Les prothèses posées en remplacement des structures natives disposent d’une durée de vie dépendante du patient, de la conception de l’implant, de ses matériaux (tribologie) mais également de la précision de son implantation. Afin d’améliorer cette précision, de nombreux systèmes d’assistance au geste ont été développés. La robotique chirurgicale et la navigation ont permis d’améliorer la précision du geste et mieux contrôler la réalisation de l’acte interventionnel. Depuis 1990 et l’apparition de ROBODOC [Bargar_98], les progrès sont constants. De nombreux systèmes ont été développés dans ce cadre, on citera à titre d’exemple la solution HipExpress [BrainLab_11] [A.Manzotti_11], ou les solutions proposées par Praxim et Amplitude [Clavé_15]. Ces approches technologiques s’inscrivent dans une démarche globale d’optimisation visant à améliorer la rapidité de récupération et limiter la durée d’hospitalisation.

L’arthrose de hanche est un processus multifactoriel de nature dégénérative ou posttraumatique, responsable de douleurs et d’une restriction de la mobilité. Au début de son évolution, l’arthrose ne requiert pas de traitements autres que l’administration d’anti-inflammatoires ou de la kinésithérapie, solutions aidant à la diminution de la douleur au moyen des massages, jusqu’à ce que ceci ne soit plus suffisant. Au fur et à mesure de l’évolution de la maladie, une aggravation de la douleur et de la boiterie est engendrée. La seule solution thérapeutique consiste alors à couper la partie usée de l’os (tête fémorale) et de la remplacer par une prothèse.