Rapport de recherche sur un système robotique automatisé de forage crânien

Introduction

Le cerveau, en tant qu’organe complexe des activités vitales, joue un rôle central dans tous les processus psychologiques et de conscience, régissant les aspects de la vie. Depuis le début du XXIe siècle, les neurosciences se sont imposées comme l’un des domaines de recherche connaissant la plus forte croissance et les avancées les plus marquantes. Les modèles animaux jouent un rôle fondamental dans l’étude du cerveau et des fonctions neuronales. Cependant, les techniques couramment utilisées d’imagerie médicale telles que la tomodensitométrie (CT), l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge (fNIRS), bien qu’efficaces pour observer les structures et fonctions cérébrales, manquent de la résolution nécessaire pour capturer clairement l’activité individuelle des cellules neuronales. Par conséquent, les technologies d’imagerie optique avec une résolution au niveau micrométrique, telles que la microscopie à deux photons, la microscopie confocale et la tomographie par cohérence optique (Optical Coherence Tomography, OCT), sont devenues des outils indispensables pour faire progresser la recherche en neurosciences.

Cependant, ces technologies optiques ont une profondeur de pénétration limitée, rendant l’imagerie transcrânienne difficile. À ce titre, des techniques de fenêtres crâniennes transparentes (transparent cranial window) ont été développées pour permettre l’imagerie optique du cerveau. La méthode traditionnelle de préparation des fenêtres crâniennes implique une intervention manuelle utilisant une perceuse pour abraser et couper l’os crânien des animaux expérimentaux, avant d’installer des matériaux transparents correspondant à la cavité crânienne pour créer une fenêtre optique. Cette méthode nécessite une formation approfondie des opérateurs, est chronophage, et son taux de réussite dépend largement de l’expérience du praticien, tout en représentant un risque potentiel de dommages au tissu cérébral de l’animal expérimental. Ainsi, le développement d’un système de chirurgie crânienne automatique, précis, sûr et efficace est devenu une nécessité urgente.

Origine de l’étude

Cette étude, intitulée « Optical Coherence Tomography Guided Automatic Robotic Craniotomy Surgery Platform », a été réalisée par une équipe de recherche du département de génie biomédical de la Southern University of Science and Technology (Université des sciences et technologies du sud, Shenzhen, Chine). L’article a été publié dans le Biomedical Optics Express (vol. 16, no. 2) le 1er février 2025. Cette équipe, composée notamment de Haoyuan Li, Yongchao Wang et Wei Chen, a bénéficié de financements tels que celui de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et de la Commission d’innovation technologique de Shenzhen.

Déroulement et méthodologie de la recherche

Conception et innovation de la plateforme expérimentale

L’équipe de recherche a développé une plateforme robotique automatisée de forage crânien basée sur l’OCT (OCT-ARC). Cette plateforme exploite la nature non-contact de l’OCT, sa résolution au niveau microscopique et ses capacités d’imagerie 3D pour obtenir des informations structurelles précises de l’os crânien. Simultanément, elle intègre une machine de forage CNC (Computer Numerical Control) pilotée par un moteur pas à pas à boucle fermée, permettant un contrôle précis des trajectoires de forage crânien.

Scan crânien guidé par l’OCT et analyse des données

Le système OCT, utilisant une source de lumière large spectre et un coupleur optique, génère une double émission dirigée simultanément vers le bras échantillon et le bras de référence. Après réflexion de la lumière sur la surface crânienne, les bras d’échantillon et de référence produisent des signaux d’interférence collectés par un spectromètre commercial. Le traitement des données comprend la suppression de la composante DC, une interpolation linéaire dans l’espace K et une transformation de Fourier inverse pour obtenir les données structurales 3D de l’os crânien.

Module de forage automatique et calibration

Le foret de 0,3 mm de diamètre, dirigé par un moteur pas à pas équipé d’un contrôle par vecteurs orientés sur le champ (Field-Oriented Control, FOC), permet un mouvement précis sur trois axes. Les coordonnées relatives entre la pointe du foret et le point focal de l’OCT sont calculées dynamiquement grâce à une méthode d’interpolation par résolutions en pixels, adaptant ainsi en temps réel la profondeur et la trajectoire de forage en fonction des matériaux traversés (par exemple, l’air avec une résolution de 5 µm/pixel et l’os crânien avec une résolution de 3,3 µm/pixel).

Algorithmes de segmentation des surfaces crâniennes

Les données de scan OCT permettent de segmenter les surfaces supérieure et inférieure de l’os crânien. Une approche hybride combinant des filtres gaussiens, des méthodes d’Otsu pour le seuillage, et l’algorithme de détection des bords de Canny a été utilisée pour identifier la surface supérieure. Pour la surface inférieure, plus complexe à localiser, des gradients verticaux de deuxième ordre (basés sur l’opérateur de Sobel) combinés à un ajustement polynomial permettent une segmentation précise dans un rayon de 400 µm.

Flux de travail opératoire

Le système OCT-ARC suit quatre étapes opérationnelles principales : 1. Réalisation d’un scan 3D à large échelle (C-scan) pour collecter les données structurelles complètes de l’os crânien. 2. Sélection de la région d’intérêt pour la fenêtre crânienne et génération d’un chemin 3D projeté à partir du haut et du bas des surfaces de l’os scannées. 3. Utilisation d’une machine à forer programmée pour retirer ou abaisser avec précision l’os crânien selon une trajectoire calculée. 4. Implantation de matériaux transparents dans la région préparée pour former une fenêtre crânienne.

Conception des expériences et préparation des échantillons

Les souris de type C57 et BALB/C, âgées de 6 à 8 semaines, ont été utilisées pour cette étude. Les tests de faisabilité et de précision ont d’abord été réalisés sur des souris décédées, puis les opérations complètes, incluant des fenêtres transparentes (diamètre 4 mm) en verre, des fenêtres rectangles en polyméthylpentène (8 mm × 4 mm) et des fenêtres aminciées (3,3 mm × 3,3 mm), ont été menées sur des souris vivantes.

Principaux résultats de l’expérience

Analyse de la précision obtenue

Les tests montrent que sous contrôle en boucle fermée (moteur pas à pas avec FOC), les erreurs de positionnement répétées dans les trois axes XYZ sont significativement réduites, atteignant respectivement -0,5 ± 1,1 µm, -1,8 ± 0,9 µm et -0,3 ± 0,9 µm. Les expériences de forage montrent des profondeurs réelles de forage de 34,3 ± 2,0 µm, 81,7 ± 1,5 µm et 113 ± 3,1 µm, pour des cibles prédéfinies respectivement à 40 µm, 80 µm et 120 µm.

Réalisation des fenêtres crâniennes

Les procédures de forage automatisé ont permis de réaliser plusieurs types de fenêtres crâniennes : 1. Fenêtres en verre : Les forages successifs, allant de 30 % à 90 % de l’épaisseur de l’os crânien, ont permis de préparer une fenêtre de 4 mm de diamètre en 3 à 5 minutes. 2. Fenêtres en PMP : Par une méthode similaire, des fenêtres de 8 mm × 4 mm ont été réalisées en 7 à 12 minutes. 3. Fenêtres aminciées : La réduction progressive de l’épaisseur osseuse jusqu’à ∼24 µm a nécessité environ 35 minutes.

Validation par imagerie vasculaire cérébrale

Les résultats d’imagerie obtenus à travers les fenêtres préparées montrent une excellente qualité : 1. OCTA (angiographie OCT) : Des réseaux cérébro-vasculaires détaillés incluant les artérioles, veinules et capillaires sont clairement observés. 2. OCT dynamique (DLS-OCT) : Répartition précise de la vitesse d’écoulement du sang dans les couches sous-jacentes. 3. Imagerie Doppler par ultrasons (PDI) : Détection des structures vasculaires multi-couches, confirmant l’excellente transparence acoustique des fenêtres en PMP.

Conclusion et perspectives

Cette recherche propose une plate-forme innovante automatisée OCT-ARC pour la chirurgie robotique crânienne, surmontant les défis des méthodes traditionnelles nécessitant une formation longue, des compétences hautement spécialisées et souffrant de faibles taux de réussite. L’intégration de l’OCT au système de forage CNC garantit une précision et une sécurité accrues, optimisant ainsi à la fois l’efficacité des expériences et la préservation des tissus cérébraux des souris.

Les points d’innovation incluent : - Une intégration non-invasive combinant OCT et contrôle par moteur pas à pas à boucle fermée. - Développement d’algorithmes avancés pour automatiser la génération précise des trajectoires de forage. - Une validation expérimentale prometteuse pour l’imagerie cérébrale dans la recherche en neurosciences.

Les perspectives futures incluent le développement d’un système OCT à faible coût et l’amélioration des degrés de liberté mécaniques de la plateforme chirurgicale, élargissant les scénarios de recherche et facilitant une adoption plus large dans le domaine des neurosciences animales.