Robotics in ear, nose and throat (ENT) surgery

The three main classes of robotics in ear, nose and throat (ENT) surgery (telemanipulation, image-guided functional servoing, and computer numerical control) are discussed and important examples of applications are described to show both technological and clinical developments. As access to many anatomical features of the head requires very small and compact tools to accurately perform procedures, examples are give in ear surgery where manipulation of the minute ossicles requires fine, dexterous movements.

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.

Virtobot--a multi-functional robotic system for 3D surface scanning and automatic post mortem biopsy

The Virtopsy project, a multi-disciplinary project that involves forensic science, diagnostic imaging, computer science, automation technology, telematics and biomechanics, aims to develop new techniques to improve the outcome of forensic investigations. This paper presents a new approach in the field of minimally invasive virtual autopsy for a versatile robotic system that is able to perform three-dimensional (3D) surface scans as well as post mortem image-guided soft tissue biopsies.

A navigation system for open liver surgery: design, workflow and first clinical applications

The surgical treatment of liver tumours relies on precise localization of the lesions and detailed knowledge of the patient-specific vascular and biliary anatomy. Detailed three-dimensional (3D) anatomical information facilitates complete tumour removal while preserving a sufficient amount of functional liver tissue.

Calibration of a surgical microscope with automated zoom lenses using an active optical tracker

BACKGROUND: In this paper, we present a new method for the calibration of a microscope and its registration using an active optical tracker. METHODS: Practically, both operations are done simultaneously by moving an active optical marker within the field of view of the two devices. The IR LEDs composing the marker are first segmented from the microscope images. By knowing their corresponding three-dimensional (3D) position in the optical tracker reference system, it is possible to find the transformation matrix between the referential of the two devices. Registration and calibration parameters can be extracted directly from that transformation. In addition, since the zoom and focus can be modified by the surgeon during the operation, we propose a spline based method to update the camera model to the new setup. RESULTS: The proposed technique is currently being used in an augmented reality system for image-guided surgery in the fields of ear, nose and throat (ENT) and craniomaxillofacial surgeries. CONCLUSIONS: The results have proved to be accurate and the technique is a fast, dynamic and reliable way to calibrate and register the two devices in an OR environment.

Landmark-based augmented reality system for paranasal and transnasal endoscopic surgeries

BACKGROUND: In this paper we present a landmark-based augmented reality (AR) endoscope system for endoscopic paranasal and transnasal surgeries along with fast and automatic calibration and registration procedures for the endoscope. METHODS: Preoperatively the surgeon selects natural landmarks or can define new landmarks in CT volume. These landmarks are overlaid, after proper registration of preoperative CT to the patient, on the endoscopic video stream. The specified name of the landmark, along with selected colour and its distance from the endoscope tip, is also augmented. The endoscope optics are calibrated and registered by fast and automatic methods. Accuracy of the system is evaluated in a metallic grid and cadaver set-up. RESULTS: Root mean square (RMS) error of the system is 0.8 mm in a controlled laboratory set-up (metallic grid) and was 2.25 mm during cadaver studies. CONCLUSIONS: A novel landmark-based AR endoscope system is implemented and its accuracy is evaluated. Augmented landmarks will help the surgeon to orientate and navigate the surgical field. Studies prove the capability of the system for the proposed application. Further clinical studies are planned in near future.

Comparison of freehand-navigated and aiming device-navigated targeting of liver lesions

BACKGROUND Accurate needle placement is crucial for the success of percutaneous radiological needle interventions. We compared three guiding methods using an optical-based navigation system: freehand, using a stereotactic aiming device and active depth control, and using a stereotactic aiming device and passive depth control. METHODS For each method, 25 punctures were performed on a non-rigid phantom. Five 1 mm metal screws were used as targets. Time requirements were recorded, and target positioning errors (TPE) were measured on control scans as the distance between needle tip and target. RESULTS Time requirements were reduced using the aiming device and passive depth control. The Euclidian TPE was similar for each method (4.6 ± 1.2-4.9 ± 1.7 mm). However, the lateral component was significantly lower when an aiming device was used (2.3 ± 1.3-2.8 ± 1.6 mm with an aiming device vs 4.2 ± 2.0 mm without). DISCUSSION Using an aiming device may increase the lateral accuracy of navigated needle insertion.

A complete-pelvis segmentation framework for image-free total hip arthroplasty (THA): methodology and clinical study

Background Complete-pelvis segmentation in antero-posterior pelvic radiographs is required to create a patient-specific three-dimensional pelvis model for surgical planning and postoperative assessment in image-free navigation of total hip arthroplasty. Methods A fast and robust framework for accurately segmenting the complete pelvis is presented, consisting of two consecutive modules. In the first module, a three-stage method was developed to delineate the left hemipelvis based on statistical appearance and shape models. To handle complex pelvic structures, anatomy-specific information processing techniques were employed. As the input to the second module, the delineated left hemi-pelvis was then reflected about an estimated symmetry line of the radiograph to initialize the right hemi-pelvis segmentation. The right hemi-pelvis was segmented by the same three-stage method, Results Two experiments conducted on respectively 143 and 40 AP radiographs demonstrated a mean segmentation accuracy of 1.61±0.68 mm. A clinical study to investigate the postoperative assessment of acetabular cup orientations based on the proposed framework revealed an average accuracy of 1.2°±0.9° and 1.6°±1.4° for anteversion and inclination, respectively. Delineation of each radiograph costs less than one minute. Conclusions Despite further validation needed, the preliminary results implied the underlying clinical applicability of the proposed framework for image-free THA.

Robotics adoption among the elderly

Editorial material

Autonomous mobile robots designing for the medical trash collector task

This paper describes the UNESP robotic team in the medical trash collector task, proposed on the 5 rd IEEE Latin American Robots Competition in the LEGO category. We present our understanding of the task and discuss the proposed solution, focusing on the mechanical and computational issues of the robots. The mechanics is based on rigid body capability of transforming rotational into curvilinear movement. With respect to the computational control, the system is modeled as a reactive system with sequential transition of behaviors. A state-machine is proposed to allow this transition, and the synchronization of robotic states is guaranteed by the communication system. The proposed approach has shown itself capable of dealing with the high difficulty degree of this cooperative task. ©2006 IEEE.