Towards Autonomous Endovascular Surgery: Development of Assistance Tools for Computer-Aided Interventions - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique
Thèse Année : 2024

Towards Autonomous Endovascular Surgery: Development of Assistance Tools for Computer-Aided Interventions

Vers une Chirurgie Endovasculaire Autonome : Développement de Stratégies pour des Interventions Assistées par Ordinateur

Résumé

Cardiovascular diseases are one of the leading causes of death worldwide, with an incidence of 17.9 million deaths per year. The primary therapeutic solution is endovascular interventions, which owe their success to significant advantages, such as minimal invasiveness and low costs. However, these procedures are limited by their complexity, requiring extensive clinician training and access to specialized facilities. To deliver treatment, the clinician must navigate long, thin-tube devices, such as catheters and guidewires, through the patient's arteries, controlling them from the proximal end positioned at the entrance of the patient's vessel. This already challenging task is further complicated by the limited guidance the clinician has available, which is only provided by 2D fluoroscopic images. Furthermore, the acquisition of these images requires the use of X-rays, dangerous for the health of both the patient and the clinician, and the visibility of vessels is dependent on contrast agents, which can be harmful to the patient’s kidneys. To address these limitations, this manuscript proposes solutions to facilitate the intervention, through the development of methods able to offer the clinician more support during certain phases of the intervention while automating others. A simplified procedure can indeed result in lower surgical time and, as a consequence, lower X-ray exposure for both the patient and the caregiver. Two main systems have been developed: one that enhances fluoroscopic images and another that autonomously navigates surgical tools. The first one is essentially an assistance system, which overlaps the classical fluoroscopic images with information about the anatomy that is being navigated and shows the clinicians the predicted outcome of their actions before they perform them. The second one is a Deep Reinforcement Learning controller which aims to autonomously perform the procedure by controlling an endovascular surgical robot. Currently, these robots function only as leader-follower devices, which are not able to provide additional support to the caregiver during the procedure. In tests conducted on a phantom in the context of a user study, the enhanced fluoroscopic system allowed for a 56% intervention time reduction. The autonomous controller achieved a success rate of over 95%, even when tested on anatomies with characteristics completely different from the training models.
Les maladies cardiovasculaires sont l'une des principales causes de mortalité dans le monde, avec un nombre estimé de 17,9 millions de décès par an. La solution thérapeutique principale consiste en des interventions endovasculaires, qui doivent leur succès à des avantages significatifs tels que la faible invasivité et les coûts réduits. Cependant, ces procédures sont limitées par leur complexité, nécessitant une formation approfondie des cliniciens et l'accès à des installations spécialisées. Pour effectuer le traitement, le clinicien doit manipuler des dispositifs longs et fins, tels que les cathéters et les guide-fils, à travers les artères du patient, en les contrôlant depuis leur extrémité proximale positionnée à l'entrée du vaisseau. Cette tâche déjà difficile est encore compliquée par le guidage limité à la disposition du clinicien, fourni uniquement par des images fluoroscopiques en 2D. De plus, l'acquisition de ces images nécessite l'utilisation de rayons X, dangereux pour la santé à la fois du patient et du clinicien, et la visibilité des vaisseaux dépend des agents de contraste, qui peuvent être toxiques pour les reins du patient. Pour répondre à ces limitations, ce manuscrit propose des solutions pour faciliter l'intervention, par le développement de méthodes offrant au clinicien plus de soutien pendant certaines phases de l'intervention, tout en automatisant d'autres. Une procédure simplifiée peut en effet réduire le temps chirurgical et, par conséquent, diminuer l'exposition aux rayons X pour le patient et le clinicien. Deux systèmes principaux ont été développés : l'un qui améliore les images fluoroscopiques et un autre qui guide de manière autonome les outils chirurgicaux. Le premier est essentiellement un système d'assistance, qui superpose les images fluoroscopiques classiques avec des informations sur l'anatomie naviguée et montre au clinicien le résultat prédit de ses actions avant qu'il ne les exécute. Le second est un contrôleur basé sur l'apprentissage profond par renforcement, conçu pour effectuer de manière autonome la procédure en contrôlant un robot chirurgical endovasculaire. Actuellement, ces robots fonctionnent uniquement comme des dispositifs suiveurs, incapables d'offrir un soutien supplémentaire au clinicien durant la procédure. Lors des tests effectués sur un fantôme dans le cadre d'une étude utilisateur, le système améliorant les images fluoroscopiques a permis une réduction de 56 % du temps d'intervention. Le contrôleur autonome a atteint un taux de réussite de plus de 95 %, même lorsqu'il a été testé sur des anatomies très différentes des modèles d'entraînement.
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Dates et versions

tel-04837214 , version 1 (13-12-2024)

Licence

Identifiants

  • HAL Id : tel-04837214 , version 1

Citer

Valentina Scarponi. Towards Autonomous Endovascular Surgery: Development of Assistance Tools for Computer-Aided Interventions. Computer Science [cs]. Strasbourg University, 2024. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04837214⟩
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