Advanced virtual reality interface for navigated prostate biopsy

Prostate cancer is the most common non-cutaneous cancer. Tumor detection involves non-invasive screening tests, but positive results must be confirmed by a prostate biopsy. About twelve random samples are obtained during the biopsy, which is a systematic procedure traditionally performed with trans-rectal ultrasound (TRUS) guidance to determine prostate location. Recently, methods of fusion between TRUS and preoperative MRI have been introduced in order to perform targeted biopsies aimed to reduce the number of samples to few suspicious areas. Since the TRUS displaces the prostate during the procedure, the preoperative MRI does not match patient anatomy. Therefore, complex MRI deformation algorithms are needed. However, despite the substantial increase in complexity and cost, there is no strong evidence that the TRUS-MRI fusion actually improves accuracy and surgical outcomes. This thesis presents an innovative virtual reality surgical navigation system for performing targeted prostate biopsies, without the need of the uncomfortable TRUS. Both biopsy needle and patient anatomy are constantly tracked by an electromagnetic tracking system that provides their 3D position and orientation with respect to the surgical bed. Multiple fiducial markers are placed on the patient skin (at the iliac crest and pubic bone) during MRI scanning. Once in the operative room, the surgeon is presented a stereoscopic 3D volumetric rendering and multiple orthogonal views of the patient anatomy, as well as a virtual representation of the tracked needle. After a simple registration process between the MRI and the tracker coordinate system, the navigation system guides the needle insertion in the patient perineum through several anatomical layers towards the biopsy targets in the prostate. The main contribution of this work is the implementation of a prototype for this procedure, focused on the integration between the tracking system and a graphics interface. The development of such an application has been possible thanks to the creation of a platform able to provide all the basic elements that allow to implement virtual/mixed reality based applications. The platform is called LACE library, and consists of an intuitive software development kit that conjugate high-performance graphics, tracking and haptics. The application has been developed guided by expert surgeons of University of Illinois at Chicago and Sacco hospital at Milan, and the interface has been successfully tested by medical students at Università degli Studi di Milano.

Il tumore alla prostata è la forma più comune di tumore non-cutaneo. La diagnosi del tumore viene fatta tramite test di screening non invasivi, ma un risultato positivo deve essere confermato attraverso una biopsia alla prostata. Durante la biopsia, secondo la procedura detta “sistematica”, il chirurgo preleva circa 12 campioni di tessuto in modo casuale sotto la guida di un ecografo transrettale utilizzato per determinare la posizione della prostata. Recentemente, sono state introdotte alcune tecniche di fusione tra immagini ecografiche e MRI pre-operatorie, al fine di effettuare una biopsia “targeted” e riuscendo in questo modo a limitare il numero di campioni ad una area sospetta. Dal momento che l’ecografo deforma la prostata durante la procedura, le immagini MRI pre-operative non corrispondono all’anatomia del paziente, ed è quindi necessario l’utilizzo di complessi algoritmi di deformazione delle immagini MRI. Tuttavia, nonostante questo incremento nella complessità e nei costi, non c’è evidenza scientifica che le tecniche di fusione di ultrasound e MRI possano effettivamente migliorare l’accuratezza e i risultati chirurgici. Questa tesi presenta un innovativo sistema di navigazione chirurgica per effettuare una biopsia “targeted” alla prostata senza il fastidio dato dalla sonda ecografica. Il sistema prevede che un tracker elettromagnetico tracci costantemente sia l’ago che il paziente in modo da fornirne costantemente posizione ed orientamento 3D. Alcuni marker vengono posizionati sulla pelle del paziente (in corrispondenza della cresta iliaca e dell’osso pubico) durante l’acquisizione di immagini MR, e vengono utilizzati per realizzare registrazione dell’immagine volumetrica MRI e il sistema di coordinate del tracker. Queste informazioni vengono quindi passate al sistema di navigazione che guida il chirurgo all’inserimento dell’ago nel perineo, e attraverso gli strati anatomici, fino ad arrivare al target. Una volta che il paziente viene portato in sala operatoria, vengono quindi fornite al chirurgo: un’interfaccia stereoscopica 3D, le viste ortogonali delle immagini MR, e la relativa posizione dell’ago. Il principale contributo di questo lavoro è stata l’implementazione di un prototipo per questa procedura, focalizzando l’attenzione alla comunicazione tra il sistema di tracking e l’interfaccia grafica. Lo sviluppo di questa applicazione è stato possibile grazie alla creazione di una piattaforma in grado di fornire gli elementi base per l’implementazione di applicazioni basate su virtual reality e mixed reality. La piattaforma è stata chiamata LACE library, e consiste in un SDK intuitivo, che unisce una grafica ad alte performance, con il tracking e l’aptica. L’applicazione è stata sviluppata sotto la supervisione di alcuni chirurghi esperti della University of Illinois at Chicago e dell’ospedale Sacco di Milano, e l’interfaccia è stata testata con successo da studenti di medicina dell’Università degli Studi di Milano.