registration of 3d intraoperative mr images of the brain using a finite element biomechanical model...

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


1. Extraire les objets clés de l’image initialeNathalie Henry



2. Générer le maillage 3DNathalie Henry



3. Extraire le champ de déformation surfaciqueNathalie Henry



4. Déformation volumique pilotée par la déformation surfacique

Nathalie Henry



1. Interpoler la déformation 3D du modèle sur l’imageNathalie Henry



5. Déformer l’image initialeNathalie Henry



Algorithme

Image initiale

Génération du maillage 3D Déformation du maillage

Déformation de l’image initiale

Nathalie Henry



Algorithme

Image initiale



Nathalie Henry


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


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)



Algorithme

Image initiale

Génération du maillage 3D

Déformation du maillageDéformation de l’image initiale

Nathalie Henry


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



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



2. Trouver un champ de déformation surfacique

Deformable Surface Matching Algorithm

Surface déformée itérativement jusqu’à une énergie minimum ou une stabilisation.

Nathalie Henry



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



Algorithme

Image initiale



Nathalie Henry


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


Résultats (1)Résultats (1)

Nathalie Henry

Contour initial Contour Image intraop.

Image initiale Images déformées avec la méthode



Nathalie Henry

Scan initial Scan après déformation

Scan obtenu avec la méthode

Différence entre méthode et réel



Nathalie Henry


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


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

registration of 3d intraoperative mr images of the brain using a finite element biomechanical model...

Documents