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Registration of 3D Intraoperative MR Images of the Brain Using a Finite Element Biomechanical Model M. Ferrant, A. Nabavi, B. Macq, F. Jolesz, R. Kikinis.

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1 Registration of 3D Intraoperative MR Images of the Brain Using a Finite Element Biomechanical Model M. Ferrant, A. Nabavi, B. Macq, F. Jolesz, R. Kikinis and S. Warfield IEEE Transactions on Medical Imaging, December 2001 Nathalie Henry

2 Recalage d'images2 Plan de lexposé Cadre de larticle Etat de lart Méthode proposée Résultats Bilan Nathalie Henry

3 Recalage d'images3 Cadre de larticle (1) Image-guided neurochirurgie – Enjeux Recalage après déplacement du cerveau (brain shift) Transposer la procédure chirurgicale préparée – Contraintes Justesse du recalage Temps interactif Nathalie Henry

4 Recalage d'images4 Cadre de larticle (2) IRM Principe de la résonance magnétique nucléaire Phase 1 : excitation C hamp magnétique intense Stimulation des noyaux dHydrogène Phase 2 : relaxation Restitution de lénergie des noyaux dH. Carte énergique très précise des tissus Nathalie Henry

5 Recalage d'images5 Etat de lart (1) Recalage non rigide pour la neurochirurgie guidée par limage Deux grandes classes de modèles – Modèle basés image – Modèle de simulation Intraoperative MR scans Nathalie Henry

6 Recalage d'images6 Etat de lart (2) Modèles basés image Critère de similarité local Images peu dissimilaires Pas de connaissances de la nature des objets => modèles physiques Contrainte de régularisation Pas de connaissances de la propriété des matériaux => modèles biomécaniques Discrétisés avec la MEF Temps de calcul et intervention manuelle Nathalie Henry

7 Recalage d'images7 Etat de lart (3) Modèles de simulation Modèles prenant en compte des forces basées sur la physique … (gravité …) Temps de calcul très lourd Très difficiles de prendre toutes les forces en compte Impossibilité de mesurer la force induite par les instruments du neurochirurgien ! Ref :[Skrinjar et al.] [Miga et al.] [Miller et al.] Nathalie Henry

8 Recalage d'images8 Méthode proposée (1) Principe : Image-based model + biomechanical model Améliorations : Utilisation dun modèle 3D spécifique Méthodes automatiques Temps interactif Ref :Imagerie cardiaque [Papamedris et al.] [Metaxas et al.] Imagerie du cerveau [Peckar et al.] [Kyriacou et al.] [Hagemann et al.] Nathalie Henry

9 Recalage d'images9 Méthode proposée (2) Déroulement de lalgorithme Nathalie Henry

10 Recalage d'images10 Méthode proposée (2) 1. Extraire les objets clés de limage initiale Nathalie Henry

11 Recalage d'images11 Méthode proposée (2) 2. Générer le maillage 3D Nathalie Henry

12 Recalage d'images12 Méthode proposée (2) 3. Extraire le champ de déformation surfacique Nathalie Henry

13 Recalage d'images13 Méthode proposée (2) 4. Déformation volumique pilotée par la déformation surfacique Nathalie Henry

14 Recalage d'images14 Méthode proposée (2) 1. Interpoler la déformation 3D du modèle sur limage Nathalie Henry

15 Recalage d'images15 Méthode proposée (2) 5. Déformer limage initiale Nathalie Henry

16 Recalage d'images16 Méthode proposée (3) Algorithme Image initiale Génération du maillage 3D Déformation du maillage Déformation de limage initiale Nathalie Henry

17 Recalage d'images17 Méthode proposée (3) Algorithme Image initiale Génération du maillage 3D Déformation du maillage Déformation de limage initiale Nathalie Henry

18 Recalage d'images18 Génération du maillage 3D (1) Etat de lart – Tétraèdrisation de Delaunay Propriété de la sphère vide : Aucun nœud du maillage ne doit être contenu dans les sphères circonscrites des tétraèdres. – Iso-voluming Découper le volume de façon régulière. Nathalie Henry

19 Recalage d'images19 Génération du maillage 3D (2) Méthode proposée Multirésolution du maillage suivant le contenu de limage. Division en cubes dune taille donnée Cubes divisées en 5 tétraèdres Subdivision des tétraèdres à la limite de deux objets Nathalie Henry 2695 tétraèdres tétraèdres (au lieu de )

20 Recalage d'images20 Méthode proposée (3) Algorithme Image initiale Génération du maillage 3D Déformation du maillage Déformation de limage initiale Nathalie Henry

21 Recalage d'images21 Déformation du maillage (1) 1. Utiliser un modèle élastique 2. Trouver un champ de déformation surfacique 3. En déduire un champ de déformation volumique Nathalie Henry

22 Recalage d'images22 Déformation du maillage (2) Principe Energie externe Energie élastique Ω : corps élastique σ : vecteur de contrainte є : vecteur de déformation F : vecteur des forces externes u : vecteur de déplacement (X) Après discrétisation (FEM) K : matrice de rigidité F : vecteur de forces u : vecteur de déplacement Nathalie Henry 1. Utiliser un modèle élastique

23 Recalage d'images23 Déformation du maillage (3) 2. Trouver un champ de déformation surfacique Deformable Surface Matching Algorithm Surface déformée itérativement jusquà une énergie minimum ou une stabilisation. Nathalie Henry

24 Recalage d'images24 Déformation du maillage (4) 3. Déduire le champ de déformation volumique Kũ = -F ũ : vecteur de déplacement prescrit (aux nœuds « limites ») K : matrice de rigidité de forme particulière 0 pour les nœuds forcés 1 sur la diagonale F : champ de déformation pour le maillage 3D Nathalie Henry

25 Recalage d'images25 Méthode proposée (3) Algorithme Image initiale Génération du maillage 3D Déformation du maillage Déformation de limage initiale Nathalie Henry

26 Recalage d'images26 Déformation de limage initiale Interpolation du champ de déformation volumique sur limage de départ Méthode des éléments finis => Shape functions Nathalie Henry

27 Recalage d'images27 Résultats (1) Nathalie Henry Contour initial Contour Image intraop. Image initialeImages déformées avec la méthode

28 Recalage d'images28 Résultats (2) Nathalie Henry Scan initialScan après déformation Scan obtenu avec la méthode Différence entre méthode et réel

29 Recalage d'images29 Résultats (3) Nathalie Henry

30 Recalage d'images30 Bilan (1) Avantages Modèle 3D multi-résolution spécifique au patient Simulation et caractérisation des déformations Recalage image préop. et image intraop. => transposition de la procédure chirurgicale préparée Méthode automatique Temps de calcul raisonnable (?) Nathalie Henry

31 Recalage d'images31 Bilan (2) Points flous, questions … But ? Gagner en image intraop. Mais la déformation est calculée à partir dune image intraop… Des déformations volumiques peuvent-elles être inférées des déformations surfaciques ? Modèle élastique => Déformations réalistes ? Nathalie Henry


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