L’invention concerne un procédé et un système permettant de déterminer, en cours de fonctionnement, les caractéristiques géométriques d’un système de reconstruction d’une image en trois dimensions (3D) à partir d’images acquises avec un système d’imagerie à rayons X. L’invention permet ainsi une calibration en ligne d’un système d’imagerie à rayons X.

Les caractéristiques géométriques sont estimées lors de l’acquisition rotationnelle d’un dispositif de type C-arm.

Il est courant d’utiliser un système de radiologie mobile pour effectuer des procédures chirurgicales ou interventionnelles. Ces systèmes aussi appelés mobile C-arm (ou amplificateur de bloque) permettent au chirurgien d’acquérir des images à rayons X durant l’intervention et de contrôler en temps réel le positionnement des outils utilisés par le chirurgien (cathéter, aiguille, prothèse, ...) de manière minimalement invasive. La plupart de ces systèmes permettent d’obtenir des images en deux dimensions avec un flux d’images vidéo à trente images par seconde. Le praticien utilise ensuite ces images pour effectuer une reconstruction mentale de la morphologie du patient afin de positionner l’outil de manière précise au niveau de la zone à opérer, en temps réel. Plus récemment, des systèmes plus sophistiqués ont fait leur apparition et permettent d’acquérir une image 3D de l’outil utilisé par un chirurgien lors d’une intervention. Le système de radiologie effectue une rotation autour du patient dans le but d’obtenir un ensemble d’images en deux dimensions 2D. Ces images 2D sont ensuite traitées par un algorithme de reconstruction permettant l’obtention d’une image volumique en 3D. Pour reconstruire l’image, l’algorithme a besoin de connaître, pour chaque image 2D, la géométrie exacte du C-arm, à savoir la position du détecteur et de la source de rayons X, par rapport au patient. Les systèmes actuellement utilisés proposent d’effectuer une calibration hors ligne du C-arm durant les phases de maintenance préventive du dispositif, tous les six mois ou un an. Le brevet US6510241 décrit un procédé pour étalonner un appareil de radiologie, dans lequel un volume virtuel entourant l'objet à imager est généré et décomposé en voxels (pixels en 3D). Le procédé comprend une étape d’acquisition de l'ensemble d'images bidimensionnelles projetées numérotées et une reconstruction de l'image tridimensionnelle à partir de l'image projetée est réalisée.

Le brevet US6320928 décrit une méthode de reconstruction d’images dans laquelle plusieurs images numériques bidimensionnelles d'un objet sont acquises pour différentes positions d'une caméra tournant autour de l’objet. Les images projetées sont calibrées dans un volume contenant l'objet et divisées en voxels dont les coordonnées spatiales sont identifiées dans un cadre de référence d'étalonnage choisi.

Le brevet US6049582 concerne un procédé d'étalonnage de dispositif C-arm pour une reconstruction 3D dans un système d'imagerie comprenant une source d'imagerie et un plan d'imagerie qui utilise une transformation plane pour relier des voxels dans un espace de voxels et des pixels dans le plan d'imagerie.

La demande de brevet EP3141187 concerne une mire de calibration pour calibrer géométriquement un dispositif d'imagerie par rayons X destiné à générer des images tridimensionnelles d'un objet par reconstruction à partir de projections bidimensionnelles dudit objet. La mire de calibration comprend un support volumique muni de marqueurs à absorption radiologique contrastée par rapport au support volumique, les marqueurs étant répartis selon une figure tridimensionnelle. Les marqueurs sont répartis en sous-ensembles de marqueurs distribués selon des droites respectives sensiblement parallèles de façon que des séquences de birapports puissent être construites à partir des sous-ensembles de marqueurs respectifs. Chaque séquence de birapport comprend un unique birapport pour chaque quadruplet de marqueurs dans lequel les marqueurs sont ordonnés selon un ordre dépendant des numéros d'ordre des marqueurs respectifs le long de la droite selon laquelle ils sont alignés, selon un premier sens prédéfini, ledit ordre étant commun à tous les birapports, et lorsqu'un sous-ensemble de marqueurs comprend au moins cinq marqueurs, l'ordre des birapports dans les séquences de birapports respectives suit une règle prédéfinie commune à toutes les séquences de birapports.

Ces systèmes supposent que l’acquisition rotationnelle est suffisamment reproductible pour que la géométrie du C-arm déterminée « hors ligne » soit applicable sur les images acquises durant une intervention chirurgicale.

La mécanique des systèmes a été améliorée afin de rendre l’arceau stable pendant l’acquisition rotationnelle des images 2D. Toutefois, ces améliorations (réduction de jeux mécaniques, utilisation de pièces plus rigides, ...) conduisent à des dispositifs plus onéreux. De plus, il n’est pas toujours trivial d’apporter ces modifications à des dispositifs existants.

D’autres méthodes de l’art antérieur proposent une calibration en ligne.

Une première méthode est basée sur l’utilisation de marqueurs. Une mire de calibration est positionnée sur ou à côté d’un patient pendant l’intervention. Ceci permet d’estimer avec précision et en ligne la géométrie du dispositif sans se soucier du caractère reproductible des conditions de mesure. La demande de brevet US 201000284601 décrit une telle méthode.

Toutefois, les méthodes connues de l’art antérieur qui utilisent une mire ne sont pas optimales dans le cadre d’une utilisation chirurgicale ou d’autres applications présentant des contraintes d’utilisation équivalentes, pour les raisons exposées ci-après:

• La mire doit être fabriquée avec précision afin que la position 3D des points soit connue avec précision, ce qui représente un coût,

• La mire elle-même peut être volumineuse et difficile à utiliser lorsque le patient est présent,

• La mire doit avoir été stérilisée, car elle est utilisée dans un environnement stérile, subir un traitement chimique/thermique avant et après son utilisation. Un deuxième type de méthode de reconstruction d’images est basé sur l’utilisation d’une image. Ces méthodes exploitent le contenu anatomique d’une image pour effectuer à la fois une reconstruction d’images 3D et une calibration géométrique.

Dans le brevet EP2868277, la méthode utilise des marqueurs, cependant il est nécessaire que les positions 3D des marqueurs soient connues de manière précise pour déterminer les paramètres géométriques.

L’invention repose sur une nouvelle approche utilisant des marqueurs autocollants sans avoir besoin de connaître la position 3D des marqueurs.

L’invention concerne un procédé pour calculer en cours de fonctionnement les paramètres géométriques d’un système d’imagerie à rayons X, un objet ou un patient à observer étant disposé entre la source de rayons X et un détecteur de rayons X ayant traversé l’objet ou le patient, caractérisé en ce qu’il comporte au moins les étapes suivantes :

• Utiliser au moins un marqueur, le marqueur étant initialement de position 3D non connue,

• Acquérir plusieurs images 2D pour plusieurs points de vue du système d’imagerie,

• Détecter la position d’au moins un marqueur dans chacune des images 2D acquises,

• Estimer les matrices de projection correspondant aux projections de l’objet sous des angles de vue différents et reconstruire en 3D la position d’un marqueur à partir de l’estimation des matrices de projection.

Le procédé peut comporter une étape de calibration hors ligne afin de calculer initialement les matrices de calibration utilisées lors de l’étape finale de détermination des paramètres de géométrie.

Dans une autre variante, les matrices de projection initiales sont calculées en exploitant les capteurs d’orientation ou les capteurs de positionnement du système. Les marqueurs peuvent être insérés ou contenus dans des patchs positionnés sur ou à proximité du patient ou de l’objet et les patchs utilisés sont, par exemple, des patchs adhésifs définis comme suit :

• Une bande collante qui sera apposée sur un objet ou un patient,

• Un ensemble de marqueurs radio-opaques répartis sur la surface du patch,

• Une surface extérieure résistante à un fluide.

Il est possible de répartir les marqueurs au niveau d’un patch afin de couvrir l’ensemble de la surface du patch.

Une autre possibilité consiste à utiliser des marqueurs de petite taille répartis sur l’ensemble d’un vêtement compressif avant de couvrir la zone à reconstruire.

Une autre variante consiste à utiliser un ou plusieurs marqueurs anatomiques ou encore à utiliser des marqueurs radio-opaques implantés dans l’anatomie du patient, par exemple dans l’os.

Le procédé peut comporter une étape exploitant les caractéristiques géométriques du système pour reconstruire une image en 3D.

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d’exemples de réalisation donnés à titre illustratif et nullement limitatif, annexée des figures qui représentent :

• Figure 1 , un schéma représentant un patient en position,

• Figure 2, un exemple de patch disposé sur le patient, et

• Figure 3, une succession des étapes mises en oeuvre par le procédé selon l’invention.

La figure 1 illustre un exemple de dispositif permettant à un praticien de suivre en temps réel la position d’un outil qu’il utilise lors d’une intervention chirurgicale. Le dispositif comporte un système d’imagerie comprenant une source de rayons X, 10, et un détecteur de rayons X, 1 1. Le dispositif est constitué d’un arceau 12 ou C-arm supportant à une première extrémité 12i la source de rayons X et à une deuxième extrémité 12 ₂ le détecteur de rayons X. L’arceau ou bras en arceau 12 est maintenu sur un châssis 13 par une pièce de maintien 14.

Un guide horizontal 15 fixé au châssis 13 via une pièce verticale 16 et à la pièce de maintien 14 de l’arceau, permet d’assurer un mouvement de translation horizontale de l’arceau, flèche H .

La pièce de maintien 14 permet au bras en arceau 12 d’effectuer un mouvement de type « orbital rotation », selon la flèche R .

La rotation de la pièce 14 et de l’arceau se traduit par une rotation angulaire selon la flèche A .

Le mouvement vertical est assuré par la translation horizontale du guide et de la pièce verticale.

Les joints utilisés entre les différents éléments du système permettant les mouvements de rotation précités sont connus de l’homme du métier et ne seront pas détaillés. De même, les mouvements précités du système de radiologie sont connus de l’homme du métier.

Le dispositif comprend également un dispositif de traitement 17 comportant un processeur 18 adapté à exécuter les étapes du procédé selon l’invention, afin de déterminer les caractéristiques géométriques du dispositif lors de l’intervention du chirurgien. Le dispositif peut comporter un écran 19 sur lequel le chirurgien peut visualiser la position de l’outil en temps réel.

Le dispositif est aussi équipé de capteurs d’orientation 22 ou de positionnement 23.

Un patient 20 est positionné sur une table d’opération 21. La figure 2 schématise un exemple de mise en oeuvre du procédé où les marqueurs sont incorporés ou intégrés dans un patch.

Le patch 30 est positionné dans la partie supérieure du corps et comprend au moins un marqueur q. Les coordonnées du patch ou la position des patchs ne sont pas connues initialement. Il est possible d’utiliser un ou plusieurs patchs pour la mise en oeuvre du procédé selon l’invention. La figure 3 illustre un exemple de succession d’étapes mises en œuvre par le procédé selon l’invention, dans le cas où les marqueurs sont intégrés dans un patch.

Etape 1

Un ou plusieurs patchs 30 intégrant des marqueurs radio-opaques sont apposés sur la peau du patient ou de l’objet 20, au voisinage par exemple d’une zone à opérer, 31. Ceci permettra au praticien d’obtenir avec précision une reconstruction de l’organe qu’il doit opérer.

Etape 2

Plusieurs images 2D sont acquises pour différents points de vue afin d’effectuer une reconstruction 3D, 32. La source de rayons X et le détecteur sont déplacés autour du corps 20 à imager de façon à réaliser plusieurs projections du corps sous des angles de vue différents. Les projections ainsi réalisées seront utilisées pour reconstruire une image tridimensionnelle du corps imagé.

Etape 3

Les marqueurs radio-opaques contenus dans le patch 30 sont détectés dans chaque image 2D acquises au niveau du détecteur de rayons X et appairés, d’une image à l’autre, 33. Des critères de similarités géométriques ou radiométriques sont utilisés pour effectuer l’appariement des marqueurs. Etape 4

Une reconstruction 3D des marqueurs est effectuée en utilisant une première estimation des matrices de projection, 34. Ces matrices de projection Mi peuvent être déterminées lors d’une calibration préalable hors ligne ou prédites à partir des capteurs de position du système. Ces matrices de projection 4 ^* 3 permettent de mettre en correspondance chaque point de l’objet ou du patient dans l’espace 3D, par exemple par rapport au référentiel terrestre, avec sa projection sur un détecteur plan 2D lié au détecteur.

A la fin de cette étape d’appariement, une première estimation de la position 3D des marqueurs est obtenue.

Etape 5 La position 3D des marqueurs et la connaissance des matrices de projection sont alors affinées de manière itérative, 35. Les paramètres géométriques, à savoir les matrices de projection ainsi que la position 3D des marqueurs, sont estimés conjointement en minimisant le critère présenté ci-dessous. Soit un ensemble de N projections et donc de N matrices à déterminer. Soit un ensemble de L points à reconstruire, le critère est donné par :

OÙ

q, _j désigne les coordonnées 2D d’un marqueur de numéro j détecté dans une image i obtenue par le système,

X est l’ensemble des L points 3D à reconstruire, X _j le point de numéro j,

M est l’ensemble des N matrices de projection, M, la matrice de projection de l’image i.

A la fin de cette étape 35, il est possible de reconstruire, de manière précise, l’image 3D correspondante.

Les images 3D ainsi obtenues pourront être utilisées pour permettre à un praticien de positionner avec précision ses outils en cours d’opération, 36.

Le principe général des méthodes d’ajustement de faisceau est décrit dans le document intitulé « Bundle adjustment - a modem synthesis » de B.trigs, PF Mc Lauchlan, RI Hartley, International Workshop on Vision Algorithms, Corfu, Greece, September 21 -22, 1999 Proceedings.

Tout autre algorithme, prenant en entrée les coordonnées d’un marqueur, déterminées par l’exécution du procédé pour en déduire les paramètres géométriques du dispositif, pourra être utilisé.

Selon une variante de réalisation, le procédé comporte une étape préalable de calibration hors ligne conduisant à une géométrie imprécise du C-arm. Les matrices de calibration issues de la calibration « hors ligne » sont utilisées lors de la quatrième étape pour effectuer la première reconstruction. Les marqueurs utilisés au niveau du patch sont, par exemple, des marqueurs sphériques afin de faciliter la détection. Ils peuvent aussi avoir des formes présentant une symétrie de révolution autour d’axes de symétrie de révolution.

Le ou les patchs contenant les marqueurs peuvent être collés directement sur le patient ou être positionnés à proximité de la zone à imager.

Dans le cas de patchs adhésifs, il est possible d’utiliser un patch défini comme suit :

• Une bande collante qui sera apposée sur la peau d’un patient ou d’un objet, avant l’acquisition des images 2D utiles à la reconstruction des images 3D,

• Un ensemble de marqueurs radio-opaques répartis sur la surface du patch,

• Une surface extérieure résistante à l’eau, le sang et les frottements protégeant le patch de son environnement. La surface extérieure est, par exemple, en matière plastique.

Les patchs autocolllants peuvent être à usage unique.

Les marqueurs sont par exemple répartis de manière à couvrir l’ensemble de la surface du patch.

L’ensemble patch et marqueurs présente, par exemple, une épaisseur d’environ 1 mm et une taille approximative de 4x14 cm.

Les marqueurs peuvent être intégrés dans un tissu étirable, ou « medical strech suit ». Les marqueurs de petites tailles, par exemple des billes opaques, sont par exemple répartis sur l’ensemble du vêtement compressif avant de couvrir l’ensemble à reconstruire, une partie du patient, par exemple. Il est alors possible de faire en même temps, d’une part la calibration du dispositif en utilisant les informations obtenues au cours de la quatrième étape et d’autre part la reconstruction de l’enveloppe (surface 3D) de l’objet à reconstruire. Cette enveloppe servira d’a priori pour la reconstruction 3D. Selon une variante de réalisation, le procédé utilisera un ou plusieurs marqueurs anatomiques (partie du corps humain caractéristique et radio-opaque) qui correspondent à des points d’intérêts présents dans une image. Les marqueurs seront extraits des images en utilisant un traitement d’images connu de l’homme du métier. Dans cette variante de réalisation, le procédé n’effectuera pas l’étape 31 de positionnement de patch. La première étape consistera à acquérir des images RX.

Dans certains cas, il sera possible d’associer des marqueurs contenus dans des patchs et des marqueurs anatomiques, ces derniers pouvant être implantés dans le corps du patient, par exemple dans un os.

Le procédé selon l’invention permet aussi de calibrer un dispositif C-arm en utilisant un ou plusieurs marqueurs, la position de ces marqueurs n’étant pas initialement connue.