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WO2012101160A1 - Procédé et système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet - Google Patents

Procédé et système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet Download PDF

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Publication number
WO2012101160A1
WO2012101160A1 PCT/EP2012/051119 EP2012051119W WO2012101160A1 WO 2012101160 A1 WO2012101160 A1 WO 2012101160A1 EP 2012051119 W EP2012051119 W EP 2012051119W WO 2012101160 A1 WO2012101160 A1 WO 2012101160A1
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WO
WIPO (PCT)
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head
subject
skin
target
generic
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2012/051119
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre Hellier
Xavier Morandi
Benoît COMBES
Charles GARRAUD
Sylvain PRIMA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite de Rennes 1
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
Centre Hospitalier Universitaire de Rennes
Original Assignee
Universite de Rennes 1
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
Centre Hospitalier Universitaire de Rennes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite de Rennes 1, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA, Centre Hospitalier Universitaire de Rennes filed Critical Universite de Rennes 1
Priority to US13/981,934 priority Critical patent/US20140046342A1/en
Priority to EP12700997.5A priority patent/EP2667779A1/fr
Publication of WO2012101160A1 publication Critical patent/WO2012101160A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G06T2207/30004—Biomedical image processing
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    • G06T2207/30004—Biomedical image processing
    • G06T2207/30052—Implant; Prosthesis

Definitions

  • the present invention relates to a system for assisting the positioning of a medical tool on the head of a subject and a positioning aid method associated therewith.
  • the subject is a topic of analysis or a patient.
  • Transcranial magnetic stimulation is a technique of cortical stimulation, the principle of which is based on the generation of a high intensity focused magnetic field. This technique stimulates a target neuroanatomical area painlessly and non-invasively.
  • the stimulation is carried out by means of a coil in which a strong electric current circulates which induces the generation of a focused magnetic field. Because of the focal nature, the applications in neurology and psychiatry are numerous, for example the treatment of depression ...
  • Neuronavigation allows a geometrical matching of the real anatomy of the subject with his anatomy represented via an imaging modality, preferably magnetic resonance imaging (MRI) type.
  • an imaging modality preferably magnetic resonance imaging (MRI) type.
  • MRI magnetic resonance imaging
  • the document WO 2010/084262 describes a device making it possible to automatically match the patient's head with images of the patient acquired by MRI by means of a registration algorithm which, from anatomical correspondence points. between the patient's head and the MRI images, manages to calculate the transformation of the three-dimensional mark of the patient to the reference frame of the MRI images.
  • the object of the invention is to propose a system for assisting the positioning of a medical tool on the head of a subject making it possible to dispense with the images acquired by MRI while ensuring a reliable positioning of the medical tool.
  • the subject of the invention is a system for assisting the positioning of a medical tool of the aforementioned type, characterized in that it comprises means for predicting the location of a target intracranial zone of the tool.
  • medical device comprising:
  • a generic three-dimensional model of a head comprising a skin and a generic target intracranial zone
  • surface registration means adapted to establish a registration transformation of the skin of the generic model to the working image of the skin of the head of the subject
  • the positioning aid system comprises one or more of the following characteristics taken alone or in combination:
  • the three-dimensional work image of the skin of the subject's head is an X-ray image
  • the three-dimensional working image of the skin of the subject's head is a surface image acquired by a three-dimensional localization system
  • the medical tool is a coil of an intracranial magnetic stimulation device
  • DLPFC dorsolateral prefrontal cortex
  • the invention also relates to a method of assisting the positioning of a medical tool on the head of a subject, characterized in that it comprises the following steps:
  • the positioning aid method is devoid of a step of acquiring images of at least the head of the subject by magnetic resonance imaging.
  • FIG. 1 is a schematic view of a system for assisting the positioning of a medical tool on the head of a subject according to the invention
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the method implemented by the positioning aid system of FIG. 1.
  • this neuroanatomical zone corresponds to the interface between areas 9 and 46 of Brodmann's cytoarchitectonic atlas.
  • the invention is in no way limited to this zone but applies to any cerebral area.
  • the aid system 10 illustrated in Figure 1 is intended to position a medical tool 12 on the head of a subject 14.
  • the subject 14 is a subject of analysis, for example an individual suffering from depressions, obsessive-compulsive disorders , neuropathic pain or auditory hallucinations in schizophrenia requiring transcranial magnetic stimulation of the dorsolateral prefrontal cortex of the brain.
  • the medical tool 12 is preferably an electromagnetic stimulation device, such as transcranial magnetic stimulation, comprising a stimulation coil 16, in which a strong electric current circulates which induces the generation of a magnetic field focused on the cortical target to reach: the DLPFC.
  • an electromagnetic stimulation device such as transcranial magnetic stimulation
  • a stimulation coil 16 in which a strong electric current circulates which induces the generation of a magnetic field focused on the cortical target to reach: the DLPFC.
  • the aid system 10 includes a neuronavigation device 18, i.e., an image guidance device, and a positioning system 20, in three parts. dimensions, in order to follow in real time the position of the point stimulated by the stimulation coil 16 and to compare it with the desired position of stimulation.
  • a neuronavigation device 18 i.e., an image guidance device
  • a positioning system 20 in three parts. dimensions, in order to follow in real time the position of the point stimulated by the stimulation coil 16 and to compare it with the desired position of stimulation.
  • the positioning system 20 comprises a positioning tool 22, such as a strip 24 fixed around the head of the analysis subject 14, and a camera 26 in direct or indirect relation with the positioning tool 22.
  • the camera 26 is for example a binocular camera.
  • the strip 24 is marked and adapted to be recognized by the camera 26 and thus defines a frame attached fixedly to the head of the subject 14.
  • the help system 10 includes a computing device 40 having a first memory 42 capable of storing data such as for example a RAM type memory for "Random Access Memory” in English.
  • This first memory 42 is arranged to store a generic three-dimensional cartography of at least part of the head of a model and comprising at least the model brain, also called atlas.
  • the brain referred to at this stage is a brain that can be described as a model brain or a generic brain. For example, it is a digitized MRI atlas of a model brain.
  • Generic three-dimensional mapping includes the location of the target area, here the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and the skin of the model head with the model brain.
  • DLPFC dorsolateral prefrontal cortex
  • the first memory 42 also stores precise designation data of the target area: the DLPFC.
  • the computing device 40 includes a second memory 44 capable of storing data, for example of the RAM type.
  • the second memory 44 is arranged to receive and store a working image of at least a portion of the head of the analysis subject.
  • the working image is a three-dimensional surface image of the skin of the subject's head. It is obtained either by a method of medical imaging other than magnetic resonance imaging (MRI) or by a device for location / three-dimensional tracking (or "optical tracking" in English), for example the MICRONTRACKER device of the company CLARON TECHNOLOGY or POLARIS® device from Northern Digital Inc NDI).
  • MRI magnetic resonance imaging
  • POLARIS® device from Northern Digital Inc NDI
  • Such a system includes a binocular camera that films the scene, a marked strip recognized by the camera and serving as a reference attached fixedly relative to the subject's head, a marked pointer recognized by the camera and a computer connected to the camera.
  • the binocular camera and the strip of the three-dimensional localization device are, for example, those of the positioning system 20.
  • the computing device 40 also comprises a surface resetting means 46 which receives generic three-dimensional mapping data and working data respectively from the first memory 42 and the second memory 44. It is from these data that the means of surface registration 46 establishes a registration transformation of the skin of the generic model to the working image of the skin of the subject's head.
  • the computing device 40 also comprises a means of resampling 48 of the target generic intracranial zone into a target zone converted according to the registration transformation transmitted by the surface registration means 46.
  • the resampling means 48 is adapted to transmit the data representative of the converted target zone to the neuronavigation device 18.
  • the aid system 10 comprises a man-machine interface 30 connected to the neuronavigation device 18 and adapted to display visualization images transmitted by the neuronavigation device 18.
  • the aid system 10 implements the steps of the method of assisting the positioning of a medical tool on the head of a subject illustrated in FIG. 2.
  • a neuroanatomist locates a predefined target zone 104, for example the left CPFDL, as well as anatomical landmarks, which will then be used for resetting, on a digital MRI head atlas, ie means a generic three-dimensional mapping of at least part of the head and brain. This step is performed once for all stimulation sessions.
  • the full-face digital MRI atlas is the MRI atlas described in the article by Lalys F, Haegelen C, Ferre JC, El-Ganaoui O, Jannin P., entitled "Construction and assessment of a 3-T MRI”. brain template "published in Neuroimage in August 2009.
  • the surface 106 of the skin of the atlas is extracted during a step 108 via conventional segmentation techniques.
  • the digital data corresponding to the surface 106 of the skin of the extracted atlas are stored in the first memory 42 of the computing device 40 of the help system 10.
  • the surface 1 12 of the skin of the subject is extracted.
  • the step 1 10 of extraction of the skin of the subject requires a step 1 16 of acquisition and reconstruction of the skin of the subject implemented by a three-dimensional location system.
  • MRI magnetic resonance imaging
  • CT X-ray CT
  • the subject is installed in the field of view of the camera 26 of the three-dimensional location system.
  • the strip 24 of this three-dimensional location system is fixed on the head of the subject and recognized by the camera 26.
  • the strip then defines a frame attached fixedly relative to the head of the subject.
  • An operator then uses a pointer of the three-dimensional location system also recognized by the camera 26 and thus makes it possible to sample the head of the subject with a cloud of points defined by the position of the pointer in the reference defined by the strip 24.
  • the camera films the scene, that is to say the different positions of the pointer.
  • the signals corresponding to the points are transmitted to the computing device 40 and are stored in a memory of the computing device 40. They are digitized in order to be processed by the computer device 40 to extract or reconstruct the surface 1 12 of the skin from this cloud of points.
  • the recorded point cloud is pre-processed by smoothing, then outliers (or points) are excluded and normal to the curves defined by the point cloud are calculated.
  • a Poisson algorithm allows to reconstruct a smooth and regular surface from scattered cloud of points.
  • the surface 12 of the subject's skin or any other digital data representative thereof is then recorded in the second memory 44 of the computing device 40.
  • the precision of the surface reconstruction of Poisson was validated from a phantom, for example a manikin, having been sampled by the method described above and an X-ray scanner. It was evaluated by carrying out a surface registration, via an algorithm of the closest point iterative algorithm type (ICP for "Iterative Closest Point"), from the point cloud to the surface of the skin extracted from the X-ray scanner and by applying the calculated transformation to the reconstructed Poisson surface from the point cloud.
  • ICP closest point iterative algorithm type
  • the method 100 continues with a step 1 18 of registration of the skin surface of the atlas and the surface of the skin of the subject. In fact, the skin surface of the atlas is deformed on the surface of the subject's skin.
  • This step 18 of surface registration is performed by the surface resetting means 46 of the computer device 40 in several steps applied successively.
  • the surface registration means 46 receives the generic three-dimensional mapping data, i.e., the skin surface of the model, and the working data, i.e., the surface of the skin of the subject, respectively of the first memory 42 and the second memory 44.
  • the surface registration means 46 performs a step of initializing the registration from the anatomical landmarks located on the atlas by the neuroanatomist during step 102 and on the subject during step 1. extracting the skin of the subject either from images acquired by X-ray scanning, at 1 14, or from sampling of the skin of the subject at 1 16.
  • the surface registration means 46 applies a rigid surface registration of the reconstruction of the skin extracted from the MRI atlas to the surface of the subject's skin via an ICP type algorithm.
  • the surface registration means 46 performs a nonlinear surface registration of the reconstruction of the skin extracted from the MRI atlas to the surface of the subject's skin.
  • a non-linear surface registration is described in the article by Benoît Combès and Sylvain Prima, entitled “An efficient EM-ICP algorithm for symmetric non-linear registration of points sets.” And presented during the 13 th international conference “Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI)" in September 2010.
  • the correction transformation calculated during the surface registration step 18 is applied to the left CPFDL located by the neuroanatomist on the MRI atlas to have its position relative to the surface of the skin extracted. in step 1 10.
  • the registration transformation comprises all the transformations calculated during the different registration steps described above.
  • the coordinates of the left CPFDL are thus obtained in the anatomical reference frame of the subject represented by the reconstruction of the skin, which are transmitted to the neuronavigation device.
  • the latter matches the real reference point in which the analysis subject evolves with the anatomical reference point of the subject (the surface of the skin).
  • a visualization image is formed from visualization data transmitted by the neuronavigation device and which at least partially matches the working image and the converted cartography, while indicating, in the visualization image, a area that corresponds to the converted designation data.
  • This visualization image is transmitted to the user interface 30 which displays it in order to be seen by the clinician or the operator.
  • the left CPFDL is located in the patient in an automated manner without the particular intervention of a clinician.
  • the operator positions a coil 16 for emitting electromagnetic pulses.
  • This positioning of the coil of the TMS device is adjusted with respect to the visualization images presented on the user interface 30, via the positioning tool 22 and the camera 26.
  • the cerebral localization aid system of the invention makes it possible to accurately follow, in real time, the zone effectively stimulated by the magnetic stimulations of the TMS thanks to to the neuronavigation device 18.
  • a group B of analysis subjects without any other imaging modality than their magnetic resonance image (MRI).
  • MRI magnetic resonance image
  • the left CPFDL was first spotted by a neuroanatomist on each
  • step 1 10 of reconstruction of the skin without imaging modality described above by means of a three-dimensional localization device For group B, according to step 1 10 of reconstruction of the skin without imaging modality described above by means of a three-dimensional localization device.
  • DLPFC dorsolateral prefrontal cortex

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Abstract

La présente invention concerne un système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de prédiction de la localisation d'une zone intracrânienne cible de l'outil médical comportant : un modèle tridimensionnel générique d'une tête comportant une peau et une zone intracrânienne cible générique (104), une image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet, des moyens de recalage surfacique (46) adaptés pour établir une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet, des moyens de rééchantillonnage (48) de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage, et des moyens de localisation de la zone intracrânienne cible du sujet à partir de la localisation de la zone cible convertie permettant de positionner l'outil médical sur la tête du sujet.

Description

Procédé et système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet
La présente invention concerne un système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet et un procédé d'aide au positionnement associé à celui-ci. Le sujet est un sujet d'analyse ou un patient.
En particulier, l'invention s'applique au domaine de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS). La stimulation magnétique transcrânienne est une technique de stimulation corticale, dont le principe repose sur la génération d'un champ magnétique focalisé de haute intensité. Cette technique permet de stimuler une zone neuroanatomique cible de manière indolore et non invasive. La stimulation est réalisée au moyen d'une bobine dans laquelle circule un fort courant électrique qui induit la génération d'un champ magnétique focalisé. Du fait du caractère focal, les applications en neurologie et psychiatrie sont nombreuses, par exemple le traitement de la dépression...
Pour assurer la précision et la reproductibilité de la stimulation entre les séances de traitement, il est nécessaire et maintenant classique, d'utiliser la neuronavigation pour guider le positionnement de la bobine de stimulation sur la tête du sujet.
La neuronavigation permet une mise en correspondance géométrique de l'anatomie réelle du sujet avec son anatomie représentée via une modalité d'imagerie, de préférence du type imagerie par résonance magnétique (IRM). Ainsi, il est possible de guider précisément le clinicien vers la zone cible, localisée sur l'IRM par le suivi en temps réel de la position du point stimulé, et de le comparer avec la position désirée de stimulation.
On connaît déjà dans l'état de la technique, des dispositifs d'aide à la localisation de la cible corticale anatomique.
Parmi ceux-ci, le document WO 2010/084 262 décrit un dispositif permettant de mettre en correspondance de façon automatique la tête du patient avec des images du patient acquises par IRM grâce à un algorithme de recalage qui, à partir de points de correspondance anatomiques entre la tête du patient et les images IRM, parvient à calculer la transformation du repère tridimensionnel du patient vers le repère des images IRM.
Néanmoins, ce type de guidage et les techniques classiques de neuronavigation nécessitent l'acquisition d'une image par IRM du patient.
Or, cette modalité d'imagerie est contraignante pour des raisons de coût et de facilité d'accès.
En effet, cette imagerie étant un examen de référence pour l'anatomie cérébrale, le délai moyen d'attente en France est de 34,6 jours en janvier 2010 pour ce type d'examen. De plus, le coût moyen est de 300 euros, ce qui semble important au regard du nombre important de patients pouvant bénéficier de la TMS pour la dépression (la dépression est un enjeu majeur de santé publique, avec un taux de prévalence de 15% de la population).
L'invention a pour but de proposer un système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet permettant de s'affranchir des images acquises par IRM tout en assurant un positionnement fiable de l'outil médical.
A cet effet, l'invention a pour objet un système d'aide au positionnement d'un outil médical du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de prédiction de la localisation d'une zone intracrânienne cible de l'outil médical comportant :
- un modèle tridimensionnel générique d'une tête comportant une peau et une zone intracrânienne cible générique,
- une image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet,
- des moyens de recalage surfacique adaptés pour établir une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet,
- des moyens de rééchantillonnage de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage, et
- des moyens de localisation de la zone intracrânienne cible du sujet à partir de la localisation de la zone cible convertie permettant de positionner l'outil médical sur la tête du sujet.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le système d'aide au positionnement comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
- l'image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet est une image de type scanner X ;
- l'image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet est une image surfacique acquise par un système de localisation tridimensionnelle ;
- l'outil médical est une bobine d'un dispositif de stimulation magnétique intracrânienne ; et
- la zone intracrânienne cible est le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC).
Selon un autre aspect, l'invention a également pour objet un procédé d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- localisation d'une zone intracrânienne cible générique sur un modèle tridimensionnel générique d'une tête comportant une peau, - extraction de la surface de la peau de la tête du modèle tridimensionnel générique,
- extraction de la surface de la peau de la tête du sujet à partir d'une image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet,
- recalage surfacique adapté pour établir une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet,
- rééchantillonnage de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage, et
- localisation de la zone intracrânienne cible du sujet à partir de la localisation de la zone cible convertie permettant de positionner l'outil médical sur la tête du sujet.
Suivant un mode particulier de réalisation, le procédé d'aide au positionnement est dépourvu d'une étape d'acquisition d'images d'au moins la tête du sujet par imagerie par résonance magnétique.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un système d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet selon l'invention, et
- la figure 2 est un schéma-bloc illustrant le procédé mis en œuvre par le système d'aide au positionnement de la figure 1 .
L'invention va maintenant être décrite en détail en faisant référence à une zone neuroanatomique cérébrale précise : le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC). Grossièrement, cette zone neuroanatomique correspond à l'interface entre les aires 9 et 46 de l'atlas cytoarchitecto nique de Brodmann. Toutefois, l'invention n'est aucunement limitée à cette zone mais s'applique à toute zone cérébrale.
Le système d'aide 10 illustré sur la figure 1 est destiné à positionner un outil médical 12 sur la tête d'un sujet 14. Le sujet 14 est un sujet d'analyse, par exemple un individu soufrant de dépressions, de troubles obsessionnels compulsifs, de douleurs neuropathiques ou d'hallucinations auditives en schizophrénie et nécessitant une stimulation magnétique transcrânienne du cortex préfrontal dorsolatéral de son cerveau.
En outre, l'outil médical 12 est de préférence un dispositif de stimulations électromagnétiques, telles que des stimulations magnétiques transcrâniennes, comportant une bobine de stimulation 16, dans laquelle circule un fort courant électrique qui induit la génération d'un champ magnétique focalisé sur la cible corticale à atteindre : le DLPFC.
Le système d'aide 10 comporte un dispositif de neuronavigation 18, c'est-à-dire un dispositif de guidage par l'image, et un système de positionnement 20, en trois dimensions, afin de suivre en temps réel la position du point stimulé par la bobine de stimulation 16 et de la comparer avec la position désirée de stimulation.
Le système de positionnement 20 comprend un outil de positionnement 22, tel qu'un bandeau 24 fixé autour de la tête du sujet d'analyse 14, et une caméra 26 en relation directe ou indirecte avec l'outil de positionnement 22. La caméra 26 est par exemple une caméra binoculaire. Le bandeau 24 est marqué et adapté pour être reconnu par la caméra 26 et définit ainsi un référentiel attaché de façon fixe à la tête du sujet 14.
De plus, le système d'aide 10 comporte un dispositif informatique 40 comportant une première mémoire 42 capable de stocker des données comme par exemple une mémoire de type RAM pour « Random Access Memory » en anglais.
Cette première mémoire 42 est agencée pour stocker une cartographie tridimensionnelle générique d'une partie au moins de la tête d'un modèle et comportant au moins le cerveau modèle, également appelée atlas. Le cerveau auquel est fait référence à ce stade est un cerveau que l'on peut qualifier de cerveau modèle ou encore de cerveau générique. Par exemple, il s'agit d'un atlas IRM digitalisé d'un cerveau modèle.
La cartographie tridimensionnelle générique comprend la localisation de la zone cible, ici le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC) et la peau de la tête modèle comportant le cerveau modèle.
La première mémoire 42 stocke également des données de désignation précises de la zone cible : le DLPFC.
En outre, le dispositif informatique 40 comprend une seconde mémoire 44 capable de stocker des données, par exemple du type RAM. La seconde mémoire 44 est agencée pour recevoir et stocker une image de travail d'une partie au moins de la tête du sujet d'analyse.
L'image de travail est une image tridimensionnelle surfacique de la peau de la tête du sujet. Elle est obtenue soit par une méthode d'imagerie médicale autre que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) soit par un dispositif de localisation/suivi tridimensionnelle (ou « optical tracking » en anglais), par exemple le dispositif MICRONTRACKER de la société CLARON TECHNOLOGY ou le dispositif POLARIS® de la société Northern Digital Inc NDI). Un tel système comporte une caméra binoculaire qui filme la scène, un bandeau marqué reconnu par la caméra et servant de référentiel attaché de façon fixe par rapport à la tête du sujet, un pointeur marqué reconnu par la caméra et un ordinateur branché à la caméra. La caméra binoculaire et le bandeau du dispositif de localisation tridimensionnelle sont par exemple ceux du système de positionnement 20. Le dispositif informatique 40 comprend également un moyen de recalage surfacique 46 qui reçoit des données de cartographie tridimensionnelle générique et des données de travail respectivement de la première mémoire 42 et de la seconde mémoire 44. C'est à partir de ces données que le moyen de recalage surfacique 46 établit une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet.
Le dispositif informatique 40 comprend également un moyen de rééchantillonnage 48 de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage transmise par le moyen de recalage surfacique 46.
Le moyen de rééchantillonnage 48 est adapté à transmettre les données représentatives de la zone cible convertie au dispositif de neuronavigation 18.
Le système d'aide 10 comprend une interface homme-machine 30 connectée au dispositif de neuronavigation 18 et adaptée pour afficher des images de visualisation transmises par le dispositif de neuronavigation 18.
En fonctionnement, le système d'aide 10 met en œuvre les étapes du procédé 100 d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet illustré sur la figure 2.
Au cours d'une étape 102, un neuroanatomiste localise une zone cible prédéfinie 104, par exemple le CPFDL gauche, ainsi que des points de repère anatomiques, qui serviront ensuite au recalage, sur un atlas IRM digital tête entière, c'est-à-dire comportant une cartographie tridimensionnelle générique d'une partie au moins de la tête et du cerveau. Cette étape est réalisée une seule fois pour toutes les séances de stimulation.
Par exemple, l'atlas IRM digital tête entière est l'atlas IRM décrit dans l'article de Lalys F, Haegelen C, Ferre JC, El-Ganaoui O, Jannin P., intitulé « Construction and assessment of a 3-T MRI brain template » publié dans Neuroimage en août 2009.
Ensuite la surface 106 de la peau de l'atlas est extraite au cours d'une étape 108 via des techniques de segmentation classiques.
Les données numériques correspondant à la surface 106 de la peau de l'atlas extraite sont stockées dans la première mémoire 42 du dispositif informatique 40 du système d'aide 10.
Parallèlement, au cours d'une étape 1 10, la surface 1 12 de la peau du sujet est extraite.
Pour cela, si une imagerie médicale autre que l'IRM a été réalisée préalablement sur la tête du patient au cours d'une étape 1 14, par exemple une imagerie par scanner X (ou CT pour « Computed Tomography » en anglais), la surface 1 12 de la peau est extraite de façon automatique à partir des images scanner X via une technique de segmentation classique par le dispositif informatique 40. Selon une variante, si aucune modalité d'imagerie médicale n'a été réalisée préalablement sur le patient, par exemple ni imagerie par résonance magnétique (IRM) ni scanner X (CT), l'étape 1 10 d'extraction de la peau du sujet nécessite une étape 1 16 d'acquisition et de reconstruction de la peau du sujet mise en œuvre par un système de localisation tridimensionnelle.
Le sujet est installé dans le champ de vision de la caméra 26 du système de localisation tridimensionnelle. Le bandeau 24 de ce système de localisation tridimensionnelle est fixé sur la tête du sujet et reconnu par la caméra 26. Le bandeau définit alors un référentiel attaché de façon fixe par rapport à la tête du sujet.
Un opérateur utilise alors un pointeur du système de localisation tridimensionnelle également reconnu par la caméra 26 et permet ainsi d'échantillonner la tête du sujet avec un nuage de points définis par la position du pointeur dans le référentiel définit par le bandeau 24. La caméra filme la scène, c'est-à-dire les différentes positions du pointeur.
Les signaux correspondant aux points sont transmis au dispositif informatique 40 et sont stockés dans une mémoire du dispositif informatique 40. Ils sont numérisés afin d'être traités par le dispositif informatique 40 pour en extraire ou reconstruire la surface 1 12 de la peau à partir de ce nuage de points. Le nuage de points enregistré est pré-traité par lissage, puis les données (ou points) aberrantes sont exclues et des normales aux courbes définies par le nuage de points sont calculées. Enfin, un algorithme de Poisson permet de reconstruire une surface lisse et régulière à partir du nuage épars de points.
La surface 1 12 de la peau du sujet ou toute autre donnée numérique représentative de celle-ci est ensuite enregistrée dans la deuxième mémoire 44 du dispositif informatique 40.
La précision de la reconstruction surfacique de Poisson a été validée à partir d'un fantôme, par exemple un mannequin, ayant subi un échantillonnage via la méthode décrite ci-dessus et une imagerie scanner X. Elle a été évaluée en effectuant un recalage surfacique, via un algorithme du type algorithme itératif de point le plus proche (ICP pour « Itérative Closest Point » en anglais), du nuage de points vers la surface de la peau extraite du scanner X et en appliquant la transformation calculée à la surface de Poisson reconstruite à partir du nuage de points.
Les résultats de l'évaluation montrent :
- une erreur moyenne point-surface de 1 ,5 mm entre le nuage de points initial et la reconstruction de la peau à partir de l'image obtenue par scanner X, et
- une erreur moyenne point-surface de 1 .6 mm entre la reconstruction de Poisson et la reconstruction de la peau à partir de l'image obtenue par scanner X. Le procédé 100 se poursuit par une étape 1 18 de recalage de la surface de la peau de l'atlas et la surface de la peau du sujet. En fait, la surface de la peau de l'atlas est déformée sur la surface de la peau du sujet.
Cette étape 1 18 de recalage surfacique est réalisée par le moyen de recalage surfacique 46 du dispositif informatique 40 en plusieurs étapes appliquées de façon successive.
Le moyen de recalage surfacique 46 reçoit les données de cartographie tridimensionnelle générique, c'est-à-dire la surface de la peau du modèle, et les données de travail, c'est-à-dire la surface de la peau du sujet, respectivement de la première mémoire 42 et de la seconde mémoire 44.
Tout d'abord, le moyen de recalage surfacique 46 réalise une étape d'initialisation du recalage à partir des repères anatomiques localisés sur l'atlas par le neuroanatomiste au cours de l'étape 102 et sur le sujet lors de l'étape 1 10 d'extraction de la peau du sujet soit à partir des images acquises par scanner X, en 1 14, soit à partir de l'échantillonnage de la peau du sujet en 1 16.
Ensuite, le moyen de recalage surfacique 46 applique un recalage surfacique rigide de la reconstruction de la peau extraite de l'atlas IRM vers la surface de la peau du sujet via un algorithme de type ICP.
Puis, il réalise un recalage surfacique affine de la reconstruction de la peau extraite de l'atlas IRM vers la surface de la peau du patient, via un algorithme de type ICP.
Ensuite, le moyen de recalage surfacique 46 effectue un recalage surfacique non- linéaire de la reconstruction de la peau extraite de l'atlas IRM vers la surface de la peau du sujet. Par exemple, un tel recalage surfacique non-linéaire est décrit dans l'article de Benoît Combès et Sylvain Prima, intitulé "An efficient EM-ICP algorithm for symmetric consistent non-linear registration of point sets. " et présenté au cours de la 13e conférence internationale "Médical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI)" en septembre 2010.
Au cours d'une étape 120, la transformation de recalage calculée lors de l'étape de recalage surfacique 1 18 est appliquée au CPFDL gauche localisé par le neuroanatomiste sur l'atlas IRM pour avoir sa position par rapport à la surface de la peau extraite à l'étape 1 10. Bien entendu la transformation de recalage comprend l'ensemble des transformations calculées lors des différentes étapes de recalage décrites ci-dessus.
On obtient ainsi les coordonnées du CPFDL gauche dans le repère anatomique du sujet représenté par la reconstruction de la peau qui sont transmises au dispositif de neuronavigation. Celui-ci met alors en correspondance le repère réel dans lequel évolue le sujet d'analyse et le repère anatomique du sujet (la surface de la peau). Une image de visualisation est formée à partir de données de visualisation transmises par le dispositif de neuronavigation et qui font correspondre, en partie au moins, l'image de travail et la cartographie convertie, tout en indiquant, dans l'image de visualisation, une zone qui correspond aux données de désignation converties.
Cette image de visualisation est transmise à l'interface utilisateur 30 qui l'affiche afin d'être vue par le clinicien ou l'opérateur.
Ainsi, le CPFDL gauche est localisé chez le patient de façon automatisée sans intervention particulière d'un clinicien.
C'est au moyen de l'image de visualisation que l'opérateur positionne une bobine 16 pour l'émission d'impulsions électromagnétiques. Ce positionnement de la bobine du dispositif de TMS est ajusté par rapport aux images de visualisation présentées sur l'interface utilisateur 30, via l'outil de positionnement 22 et la caméra 26.
Par la suite au cours des séances de stimulation magnétique transcrânienne (TMS), le système d'aide à la localisation cérébrale de l'invention permet de suivre avec précision et en temps réel, la zone effectivement stimulée par les stimulations magnétiques de la TMS grâce au dispositif de neuronavigation 18.
Validation
Une validation de la méthodologie de recalage surfacique peau de l'atlas / peau du patient pour la localisation du CPFDL gauche a été effectuée sur un ensemble de plusieurs patients :
- un groupe A de sujets d'analyse ayant subit une imagerie par scanner X en plus d'une imagerie par résonance magnétique, et
- un groupe B de sujets d'analyse sans autre modalité d'imagerie que leur image par résonance magnétique (IRM).
Le CPFDL gauche a tout d'abord été repéré par un neuroanatomiste sur chaque
IRM patient et sur l'atlas IRM Jannin dont la référence complète est indiquée ci-avant.
Puis, la peau de l'atlas IRM a été segmentée de façon classique.
Ensuite, pour chaque sujet, la méthode suivante a été appliquée :
A. Extraction de la surface de la peau du patient :
· Pour le groupe A, via une technique classique de segmentation de la peau à partir des images obtenues par scanner X.
• Pour le groupe B, selon l'étape 1 10 de reconstruction de la peau sans modalité d'imagerie décrite ci-dessus grâce à un dispositif de localisation tridimensionnelle.
B. Recalage surfacique atlas - patient selon l'étape 1 18 de recalage surfacique peau de l'atlas IRM - peau du sujet décrite ci-dessus. B.1 . Recalage rigide de la surface de la peau du sujet extraite vers l'IRM du patient :
• Pour le groupe A, par un recalage volumique rigide de l'image scanner X du sujet et de son image IRM.
· Pour le groupe B, par un recalage surfacique rigide du nuage de points obtenu à l'étape précédente et de la surface de la peau extraite de l'IRM.
B.2. Recalage volumique direct de l'IRM de l'atlas vers l'IRM du sujet selon le procédé d'aide à la Localisation Cérébrale décrit dans le document WO 2010/084 262.
C. Application des transformations calculées au cours de l'étape B à la zone cible (CPFDL gauche) pointée sur l'atlas par le neuroanatomiste.
D. Comparaison de la position du CPFDL repéré par le neuroanatomiste sur l'IRM du sujet, du CPFDL recalé selon le procédé de l'invention et du CPFDL recalé par la méthode volumique décrite dans le document WO 2010/084 262.
Résultats
Pour le groupe A, les résultats obtenus sont :
- une erreur moyenne de 9,65mm entre la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage surfacique et la localisation du CPFDL repérée sur l'IRM du sujet par le neuroanatomiste, et
- une erreur moyenne de 12,1 mm entre la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage surfacique et la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage volumique.
Pour le groupe B, les résultats obtenus sont :
- une erreur moyenne de 8,9mm entre la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage surfacique et la localisation du CPFDL repérée sur l'IRM du sujet par le neuroanatomiste, et
- une erreur moyenne de 8,7mm entre la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage surfacique et la localisation du CPFDL calculée à partir du recalage volumique.
On comprend ainsi que de tels système et procédé d'aide au positionnement d'un outil sur la tête d'un patient selon l'invention à partir d'un atlas anatomique permettent d'assurer un positionnement fiable de l'outil et par conséquent une excellente reproductibilité entre les séances de stimulation et ce, à partir d'une connaissance de la morphologie surfacique du sujet. En outre, ce système permet une neuronavigation sur atlas facile et rapide à mettre en œuvre, puisqu'elle ne nécessite pas d'imagerie par IRM. Par ailleurs, ce système et ce procédé sont moins coûteux que ceux de l'art antérieur, puisque le coût de l'examen IRM est supprimé.
L'invention a été décrite dans le cadre de la stimulation du cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC). Bien entendu, l'invention n'est aucunement limitée à cette zone mais s'applique à toute zone cérébrale, par exemple le cortex moteur.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Système d'aide (10) au positionnement d'un outil médical (16) sur la tête d'un sujet (12), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de prédiction de la localisation d'une zone intracrânienne cible de l'outil médical comportant :
- un modèle tridimensionnel générique d'une tête comportant une peau et une zone intracrânienne cible générique (104),
- une image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet,
- des moyens de recalage surfacique (46) adaptés pour établir une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet,
- des moyens de rééchantillonnage (48) de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage, et
- des moyens de localisation de la zone intracrânienne cible du sujet à partir de la localisation de la zone cible convertie permettant de positionner l'outil médical sur la tête du sujet.
2. - Système d'aide au positionnement d'un outil médical selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet est une image de type scanner X.
3. - Système d'aide au positionnement d'un outil médical selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet est une image surfacique acquise par un système de localisation tridimensionnelle.
4.- Système d'aide au positionnement d'un outil médical selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'outil médical est une bobine (16) d'un dispositif de stimulation magnétique intracrânienne (12).
5. - Système d'aide au positionnement d'un outil médical selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la zone intracrânienne cible est le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC).
6. - Procédé (100) d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- localisation d'une zone intracrânienne cible générique sur un modèle tridimensionnel générique d'une tête comportant une peau, - extraction de la surface de la peau de la tête du modèle tridimensionnel générique,
- extraction de la surface de la peau de la tête du sujet à partir d'une image tridimensionnelle de travail de la peau de la tête du sujet,
- recalage surfacique adapté pour établir une transformation de recalage de la peau du modèle générique vers l'image de travail de la peau de la tête du sujet,
- ^échantillonnage de la zone intracrânienne générique cible en une zone cible convertie selon la transformation de recalage, et
- localisation de la zone intracrânienne cible du sujet à partir de la localisation de la zone cible convertie permettant de positionner l'outil médical sur la tête du sujet.
7.- Procédé (100) d'aide au positionnement d'un outil médical sur la tête d'un sujet selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est dépourvu d'une étape d'acquisition d'images d'au moins la tête du sujet par imagerie par résonance magnétique.
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