Modélisation des organes du petit bassin de la femme Stage de Master Recherche Laurent Marsac 2006 Encadrement Marc-Emmanuel Bellemare - LSIS Nicolas Pirro - CHU St Marguerite

Introduction et Plan Contexte de la GMCAO Position du problème clinique Objectifs Rappel des solutions existantes Méthodologie adoptée Développement Résultats Conclusion Perpectives

Anatomie du petit bassin Os Pubis Coccyx Organes Rectum Utérus Vagin Vessie Coupe sagittale du pelvis feminin

Troubles de la statique Pathologies fréquentes Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique Cystocèle

Troubles de la statique Pathologies fréquentes Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique Prolapsus utérin

Troubles de la statique Pathologies fréquentes Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique Elytrocèle

Correction des troubles de la statique Pathologies fréquentes Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique Traitement chirurgical existant

Correction des troubles de la statique Pathologies fréquentes Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique Traitement chirurgical existant Évaluation fonctionnelle prévisionnelle inéxistante

Objectifs Pour le chirurgien : Développer un outil de planification préopératoire Patient spécifique Suffisament précis À terme intégration dans le processus de prise en charge du patient

Simulateurs existants Peu de simulateurs existent : En général ils sont génériques Gestion d'un unique organe Tissus mous peu modélisés Nos contraintes sont multiples Patient spécifique Tissus mous Plusieurs organes

Méthodologie Modélisation géométrique Modélisation physique Évaluation Basée sur des données IRM volumiques Maillage adapté au modèle physique Modélisation physique Paramétrage Simulation Évaluation Qualitative Basée sur l'IRM dynamique

Données IRM volumique Utérus Rectum opacifié Vessie Coccyx Pubis Vagin Environ 110 coupes sagittales par patiente Epaisseur des coupe : 1mm, voxels 1mm³ Format : 256x256 sur 12 bits (Dicom)

IRM dynamique en coupe sagittale Données IRM dynamique Utérus Rectum opacifié Vessie Coccyx Pubis Vagin Environ 110 coupes sagittales par patiente Epaisseur des coupe : 1mm, voxels 1mm³ Format : 256x256 sur 12 bits (Dicom) IRM dynamique en coupe sagittale Patient sain

IRM dynamique en coupe sagittale Patient pathologique : Données IRM dynamique Utérus Rectum opacifié Vessie Coccyx Pubis Vagin Environ 110 coupes sagittales par patiente Epaisseur des coupe : 1mm, voxels 1mm³ Format : 256x256 sur 12 bits (Dicom) IRM dynamique en coupe sagittale Patient pathologique : Cystocèle

Segmentation des IRMs avec Utilisation d’une méthode semi automatique Basée sur des contours actifs 3D : levelsets avec : accroche aux données, : contrôle la souplesse du contour Implémentation basée sur un logiciel libre : SNAP

Protocole de segmentation Pour chaque tissu à segmenter Définition de la pondération des voxels : seuillage Initialisation du contour actif 3D : placement manuel de boules Evolution du contour Lissage éventuel Validation visuelle sur les coupes

Pondération des voxels Seuillage sur les niveaux de gris Problème des régions hétérogènes gênantes : valeurs hors seuillage

Initialisation du contour actif Germe : boule placée manuellement dans le tissu segmenté Contour initial : union des surfaces des germes initiaux Si hétérogénéité gênante : modification du poids dans la boule

Evolution du contour actif Paramétrage des constantes alpha et beta Critère d’arrêt basé sur le rapport des volumes entre 10 itérations beta fixé et même nombre d'itérations alpha petit alpha grand Initialisation

Lissage Utile si surface segmentée irrégulière et lisse en réalité Apres arrêt du contour actif : lissage automatique en diminuant alpha puis évolution pendant 40 itérations

Résultats Sur une patiente, sur trois coupes sagittales Sur trois patientes, vues en 3D

Résultats

Limites de la segmentation Dues aux régions trop homogènes : Parties inferieurs de la vessie et de l’uterus Dues aux tissus trop fins : Périnée Muscles élévateurs Tendon ouraque

Découpe des volumes Tetraedrisation (Delaunay) Utilisation d'un critère de qualité Qualité élevée => tetraèdre presque régulier Illustration sur trois organes coupés Ici : De 2000 à 2300 points et de 1500 à 2000 tétraèdres

Structures non segmentées Repérage anatomique sur l'IRM Modèles simples : octaèdres Modèle simplifié pour : Le perinée L'ouraque La partie inférieure de la vessie La partie inférieure du vagin Modèle des muscles élévateurs en gris

Modèle physique des masses-ressorts Modèle volumique Modèle rapide en théorie, implémentation simple Les points du modèle géométriques sont les masses et les aretes sont les ressorts Equation appliquée en tout point

Interactions Forces de collision Gestion simple Forces de liaisons Rectum / périnée, vagin / périnée, vessie / périnée, ouraque / vessie Forces externes Outils virtuel Force physiologique : poussée abdominale et du diaphragme Simplification du calcul d'intersection

Paramétrage Paramètres : pour chaque tissu mobile : 2, collisions : 2 , liaison : 1 2 f orces appliquées : abdominale et du diaphragme Pas de verité terrain et données rhéologiques « inexistantes » On sait que l'utérus est plus rigide que la vessie, le vagin et le rectum Recherche des paramètres 100 itérations, 4h / itération 6 tissus différents modélisés => En tout : 17 paramètres

Résultat

Évaluation Validation uniquement qualitative Comparaison avec IRM dynamique Recalage spatial et temporel à la main On considère 3 temps : 0, 1/2, 1 t = 0 : position statique t = ½ : milieu de poussée t = 1 : fin de poussée

Résultats en coupe recalées Vessie : TB Utérus/Vagin : TB Rectum : B Périnée : TB Vessie : B Utérus/Vagin : AB Rectum : B Périnée : TB Vessie : B Utérus/Vagin : MAL Rectum : B Périnée : TB

Résultats volumiques La vessie et l’utérus sont considérés incompressibles Diminution de volume principalement sur les organes où sont appliquées les forces Corrélation utérus / rectum Vessie Vagin + Utérus Rectum

Discussion Modèle géométrique Bon résultats mais des régions non segmentées persistent Amélioration possible la formulation du levelset (acroche aux données contour) Influence de la qualité de tetraedrisation inconnue Modèle physique Paramétrage long : Étudier l'automatisation de la recherche paramètres Calculs longs : Optimisation du simulateur en général Étudier la reproductibilité avec Impact de l'anatomie sur la simulation Le modèle à éléments finis est peu etre plus précis

Conclusion Modèle géométrique Résultats encourageants Méthode perfectible pour les tissus non segmentés Évaluation visuelle uniquement Modèle physique Paramétrage long Réalisme variable selon les organes Évaluation sur une seule coupe Le simulateur idéal semble difficile à réaliser avec le modèle masses-ressorts

Perspectives Modélisation géométrique 3D des principales structures Compréhension de l’anatomie Approche pédagogique statique et dynamique Modélisation des déformations Compréhension de la physiopathologie Planification opératoire Simulation du geste chirurgical