Date post: | 03-Apr-2015 |
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Registration of 3D Intraoperative MR Registration of 3D Intraoperative MR Images of the Brain Using a Finite Images of the Brain Using a Finite
Element Biomechanical ModelElement Biomechanical Model
M. Ferrant, A. Nabavi, B. Macq, F. Jolesz, R. Kikinis and S. Warfield
IEEE Transactions on Medical Imaging, December 2001
Nathalie Henry
Recalage d'images 2
Plan de l’exposéPlan de l’exposé
Cadre de l’articleEtat de l’artMéthode proposéeRésultatsBilan
Nathalie Henry
Recalage d'images 3
Cadre de l’article (1)Cadre de l’article (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
Recalage d'images 4
Cadre de l’article (2)Cadre de l’article (2) IRM
Principe de la résonance magnétique nucléaire Phase 1 : excitation
Champ magnétique intenseStimulation des noyaux d’Hydrogène
Phase 2 : relaxationRestitution de l’énergie des noyaux
d’H.Carte énergique très précise des tissus
Nathalie Henry
Recalage d'images 5
Etat de l’art (1)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
Nathalie Henry
Recalage d'images 6
Etat de l’art (2)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
Nathalie Henry
Recalage d'images 7
Etat de l’art (3)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.]
Nathalie Henry
Recalage d'images 8
Méthode proposée (1)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.]
Nathalie Henry
Recalage d'images 9
Méthode proposée (2)Méthode proposée (2)
Déroulement de l’algorithmeNathalie Henry
Recalage d'images 10
Méthode proposée (2)Méthode proposée (2)
1. Extraire les objets clés de l’image initialeNathalie Henry
Recalage d'images 11
Méthode proposée (2)Méthode proposée (2)
2. Générer le maillage 3DNathalie Henry
Recalage d'images 12
Méthode proposée (2)Méthode proposée (2)
3. Extraire le champ de déformation surfaciqueNathalie Henry
Recalage d'images 13
Méthode proposée (2)Méthode proposée (2)
4. Déformation volumique pilotée par la déformation surfacique
Nathalie Henry
Recalage d'images 14
Méthode proposée (2)Méthode proposée (2)
1. Interpoler la déformation 3D du modèle sur l’imageNathalie Henry
Recalage d'images 15
Méthode proposée (2)Méthode proposée (2)
5. Déformer l’image initialeNathalie Henry
Recalage d'images 16
Méthode proposée (3)Méthode proposée (3)
Algorithme
Image initiale
Génération du maillage 3D Déformation du maillage
Déformation de l’image initiale
Nathalie Henry
Recalage d'images 17
Méthode proposée (3)Méthode proposée (3)
Algorithme
Image initiale
Génération du maillage 3D Déformation du maillage
Déformation de l’image initiale
Nathalie Henry
Recalage d'images 18
Génération du maillage 3D (1)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.
Nathalie Henry
Recalage d'images 19
Génération du maillage 3D (2)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
Nathalie Henry
2695 tétraèdres 43 580 tétraèdres (au lieu de 171 114)
Recalage d'images 20
Méthode proposée (3)Méthode proposée (3)
Algorithme
Image initiale
Génération du maillage 3D
Déformation du maillageDéformation de l’image initiale
Nathalie Henry
Recalage d'images 21
Déformation du maillage (1)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
Recalage d'images 22
Déformation du maillage (2)Déformation du maillage (2)
Principe
Energie externe
Energie élastique
Ω : corps élastique σ : vecteur de contrainte є : vecteur de déformationF : vecteur des forces externesu : vecteur de déplacement (X)
Après discrétisation (FEM)K : matrice de rigiditéF : vecteur de forcesu : vecteur de déplacement
Nathalie Henry
1. Utiliser un modèle élastique
Recalage d'images 23
Déformation du maillage (3)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.
Nathalie Henry
Recalage d'images 24
Déformation du maillage (4)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
Recalage d'images 25
Méthode proposée (3)Méthode proposée (3)
Algorithme
Image initiale
Génération du maillage 3D Déformation du maillage
Déformation de l’image initiale
Nathalie Henry
Recalage d'images 26
Déformation de l’image initialeDéformation de l’image initiale
Interpolation du champ de déformation volumique sur l’image de départ
Méthode des éléments finis=> Shape functions
Nathalie Henry
Recalage d'images 27
Résultats (1)Résultats (1)
Nathalie Henry
Contour initial Contour Image intraop.
Image initiale Images déformées avec la méthode
Recalage d'images 28
Résultats (2)Résultats (2)
Nathalie Henry
Scan initial Scan après déformation
Scan obtenu avec la méthode
Différence entre méthode et réel
Recalage d'images 29
Résultats (3)Résultats (3)
Nathalie Henry
Recalage d'images 30
Bilan (1)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
Recalage d'images 31
Bilan (2)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 ?
Nathalie Henry