Quality-Driven Control of a Robotized Ultrasound Probe

Pierre Chatelain

Soutenance en co-tutelle avec l'Université Technique de Munich (TUM) sous la direction d'Alexandre Krupa, Chargé de Recherche, Inria, Directeur de thèse, et du Professeur Nassir Navab, Technische Universität München, Co-directeur de thèse.

Soutenance de thèse - 12 décembre 2016

Les membres du Jury:

- Purang ABOLMAESUMI, Professeur, University of British Columbia / Rapporteur
- Philippe POIGNET,Professeur, Université de Montpellier / Rapporteur
- Céline FOUARD, Maître de Conférences, Université Joseph Fourier /Examinatrice
- Alexandre KRUPA,  Chargé de Recherche, Inria / Directeur de thèse
- Nassir NAVAB,  Professeur, Technical University of Munich / Co-directeur de thèse

Abstract:

The robotic guidance of an ultrasound probe has been extensively studied as a way to assist sonographers in performing an exam. In particular, ultrasound-based visual servoing methods have been developed to fulfill various tasks, such as compensating for physiological motion, maintaining the visibility of an anatomic target during teleoperation, or tracking a surgical instrument.

However, due to the specific nature of ultrasound images, guaranteeing a good image quality during the procedure remains an unaddressed challenge. This thesis deals with the control of ultrasound image quality for a robot-held ultrasound probe. The ultrasound signal quality within the image is represented by a confidence map, which is used to design a servo control law for optimizing the placement of the ultrasound probe. A control fusion is also proposed to optimize the acoustic window for a specific anatomical target which is tracked in the ultrasound images.

The method is illustrated in a teleoperation scenario, where the control is shared between the automatic controller and a human operator.

Résumé:

La manipulation robotique d’une sonde échographique a été un important sujet de recherche depuis plusieurs années. Plus particulièrement, des méthodes  d’asservissement visuel guidé par échographie ont été développées pour accomplir différentes tâches, telles que la compensation de mouvement, le maintien de la visibilité d’une structure pendant la téléopération, ou le suivi d’un instrument  chirurgical.

Cependant, en raison de la nature des images échographiques, garantir une bonne qualité d’image durant l’acquisition est un problème difficile, qui a jusqu’ici été très peu abordé. Cette thèse traite du contrôle de la qualité des images échographiques acquises par une sonde robotisée. La qualité du signal acoustique au sein de l’image est représentée par une carte de confiance, qui est ensuite utilisée comme signal d’entrée d’une loi de commande permettant d’optimiser le positionnement de la sonde échographique. Une commande hybride est également proposée pour optimiser la fenêtre acoustique pour une cible anatomique qui est détectée dans l’image.

L’approche proposée est illustrée dans le cas d’un scénario de télé-échographie, où le contrôle de la sonde est partagé entre la machine et le téléopérateur.