Inter-Operative Biopsy Site Relocalization in Gastroscopy: Application to Oesophagus
Relocalisation de site de biopsie en gastroscopie: application à l’œsophage
Résumé
Gastrointestinal (GI) procedures, specifically, oesophageal interventions involve periodic monitoring or surveillance of the internal anatomy, which involve obtaining biopsies at different regions along the oesophagus. The tracking and relocalization of these biopsy sites ``inter-operatively'' poses a significant challenge for providing targeted treatments. This thesis, clarifies the concept of relocalization, and analyses the need for a platform to aide GI endoscopy. Based on the understanding of the clinical context in oesophageal procedures; a novel framework to use electromagnetic tracking system is proposed, which is used to perform a ``recording'' of an intervention. This framework and the recording is then used to provide a guided navigation to the GI expert, during a follow-up surveillance endoscopy; for accurate re-positioning of the endoscope at previously targeted sites. This is achieved using inter-operative video synchronization, and the various steps involved in achieving this are described in this thesis. A careful analysis of noise affecting the system is performed, to propose quantitative analysis using synthetic and real-data collected on pigs. A set of qualitative experiments were also proposed using 10 experts to indicate benefit to the GI community. The quantitative experiment indicated that the relocalization was achieved with an accuracy of 10mm, and the qualitative experiments showed that the biopsy site relocalization rate improved from 47.5% to 94%. The thesis then proceeds to provide two additional improvements using additional information collected during the GI intervention for a complete solution.
Les procédures gastro-intestinales de l’œsophage impliquent un contrôle ou une surveillance périodique de l'anatomie interne (réalisation de multiples biopsies le long de l’œsophage). Le suivi et la relocalisation inter-opératoires de ces sites de biopsies (pour un même patient opéré plusieurs fois) est un challenge bien connu. L'objectif de cette thèse est de proposer une solution informatisée afin de guider le gastroentérologue pendant de telles procédures.
Nous proposons un cadre novateur utilisant un système de suivi électromagnétique pour réaliser des enregistrements d'intervention de l’œsophage, couplant la vidéo à la profondeur de l'endoscope inséré. Ces enregistrements sont ensuite utilisés afin de repositionner l'endoscope de façon précise sur des sites de biopsie préalablement ciblés. Cette navigation consiste en une synchronisation vidéo entre la vue endoscopique courante et celles des surveillances endoscopiques précédentes enregistrées.
Une première version de notre système est évaluée de manière incrémentale sur des données d'abord synthétiques puis réelles recueillies sur des cochons. Les résultats montrent que la relocalisation est obtenue avec une précision de l'ordre de 10mm, considérée comme largement acceptable par les experts. En outre, une expérience qualitative simulant une tâche réelle de relocalisation de site de biopsie, évaluée par 10 gastroentérologues, démontre les avantages du système de guidage assisté. Ce cadre est finalement étendue afin d'améliorer encore la précision de la relocalisation à partir d'une sélection optimale de l'image vidéo pré-enregistrée dont le point de vue est le plus proche de celui de l'image endoscopique courante.
