M. Ferrant, A. Nabavi, B. Macq, F. Jolesz, R. Kikinis and S. Warfield 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

Plan de l’exposé Cadre de l’article Etat de l’art Méthode proposée Résultats Bilan Recalage d'images Nathalie Henry

Cadre de l’article (1) Image-guided neurochirurgie Enjeux Contraintes Recalage après déplacement du cerveau (brain shift) Transposer la procédure chirurgicale préparée Contraintes Justesse du recalage Temps interactif Recalage d'images Nathalie Henry

Cadre de l’article (2) IRM Principe de la résonance magnétique nucléaire  Phase 1 : excitation Champ magnétique intense Stimulation des noyaux d’Hydrogène  Phase 2 : relaxation Restitution de l’énergie des noyaux d’H. Carte énergique très précise des tissus Recalage d'images Nathalie Henry

Intraoperative MR scans Etat de l’art (1) Recalage non rigide pour la neurochirurgie guidée par l’image Deux grandes classes de modèles Modèle basés image Modèle de simulation Intraoperative MR scans Recalage d'images Nathalie Henry

Etat de l’art (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 Recalage d'images Nathalie Henry

Etat de l’art (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.] Recalage d'images Nathalie Henry

Méthode proposée (1) Principe : Image-based model + biomechanical model Améliorations : Utilisation d’un 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.] Recalage d'images Nathalie Henry

Méthode proposée (2) Déroulement de l’algorithme Recalage d'images Nathalie Henry

Méthode proposée (2) 1. Extraire les objets clés de l’image initiale Recalage d'images Nathalie Henry

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

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

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

Méthode proposée (2) 1. Interpoler la déformation 3D du modèle sur l’image Recalage d'images Nathalie Henry

Méthode proposée (2) 5. Déformer l’image initiale Recalage d'images Nathalie Henry

Méthode proposée (3) Algorithme Image initiale  Génération du maillage 3D Déformation du maillage Déformation de l’image initiale Recalage d'images Nathalie Henry

Méthode proposée (3) Algorithme Image initiale  Génération du maillage 3D Déformation du maillage Déformation de l’image initiale Recalage d'images Nathalie Henry

Génération du maillage 3D (1) Etat de l’art 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. Recalage d'images Nathalie Henry

Génération du maillage 3D (2) Méthode proposée  Multirésolution du maillage suivant le contenu de l’image. Division en cubes d’une taille donnée Cubes divisées en 5 tétraèdres Subdivision des tétraèdres à la limite de deux objets 2695 tétraèdres 43 580 tétraèdres (au lieu de 171 114) Recalage d'images Nathalie Henry

Méthode proposée (3) Algorithme Déformation du maillage Image initiale  Génération du maillage 3D Déformation du maillage Déformation de l’image initiale Recalage d'images Nathalie Henry

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

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

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

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

Méthode proposée (3) Algorithme Déformation de l’image initiale  Génération du maillage 3D Déformation du maillage Déformation de l’image initiale Recalage d'images Nathalie Henry

Déformation de l’image initiale Interpolation du champ de déformation volumique sur l’image de départ Méthode des éléments finis => Shape functions Recalage d'images Nathalie Henry

Résultats (1) Contour Image intraop. Contour initial Image initiale Images déformées avec la méthode Recalage d'images Nathalie Henry

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

Résultats (3) Recalage d'images Nathalie Henry

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 (?) Recalage d'images Nathalie Henry

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