Modele biomecanice și fiziopatologice pentru analiza imaginilor cerebrale
Modele biomecanice și fiziopatologice pentru analiza imaginilor cerebrale. Teza Olivier Clatz pregătită sub supravegherea lui Nicholas Ayache și Hervé Delingette Teza prezentată în vederea obținerii titlului de doctor de la École des Mines de Paris. Specialitatea mecanică numerică. 10 februarie 2006 1
Modele algoritmice Modelele algoritmice ale corpului uman sunt utilizate pentru a simula comportamentul organelor sau a patologiilor. 3 nivele [Satava]: Geometric (anatomie, statistici) Fizic, chimic (biomecanic, termic) Fiziologic (funcții și patologii) [Satava] Richard Satava. Starea actuală a viitorului. În Proc. al 4-lea Conf. Medicine Meets Virtual Reality (MMVR'96), Interactive Technology and the New Paradigm for Healthcare, paginile 100106. IOS Press, ianuarie 1996. [Ayache] N. Ayache, editor. Modele computaționale pentru corpul uman. Manual de analiză numerică (editor ser. Ph. Ciarlet). Elsevier, 2004. 670 de pagini. 2
Imagini de interacțiune - modele O mai bună înțelegere și interpretare a datelor medicale Modele algoritmice Cuplare fizică anatomică Geometrie fiziologică/patologică Simulare Date estimative Imagistica medicală Experimente in vitro Măsurători clinice
Introducere Interesul modelelor algoritmice în timpul intervenției chirurgicale: Imagini [Sinha] Scanner laser Câmp de operare Suprafață reconstituită [Sinha] TK Sinha, BM Dawant, V. Duay, DM Cash, RJ Weil și MI Miga, O metodă de urmărire a deformărilor corticale de suprafață folosind scaner laser, IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 24, nr. 6, pp. 767-781, 2005. [Skrinjar] Oskar Skrinjar. Modele deformabile în neurochirurgie bazată pe imagini. Teză de doctorat, Universitatea Yale, mai 2002. [Audette] Michel Audette. Identificarea suprafeței anatomice, detectarea distanței și înregistrarea pentru caracterizarea deformărilor cerebrale intrasurgicale. Teză de doctorat, Universitatea McGill, 2003. 4
Introducere pentru interpretarea datelor MEG/EEG: Imagini [Zhukov] [Zhukov] LE Zhukov, DM Weinstein și CR Johnson Independent Component Analysis for EEG Source Localization In Realistic Head Models IEEE Engineering in Medicine and Biology, vol 19, pp 87-96, 2000. [Kybic] J. Kybic, M. Clerc, T. Abboud, O. Faugeras, R. Keriven, T. Papadopoulo. Formulări integrale pentru problema EEG. Raport de cercetare INRIA 4735 [Darvas] F. Darvas, M. Rautiainen, D. Pantazis, H. Benali, S. Baillet, J. C. Mosher, L. Garnero, R.M. Leahy. Investigații privind precizia localizării dipolului în MEG folosind bootstrap-ul. În Neuroimage vol.25, pp. 383-394, aprilie 2005. [Im] C.-H. Im, H.-K. Jung, N. Fujimaki, Reglare dipol constrânsă anatomic (ANACONDA) pentru localizări precise ale sursei focale MEG/EEG, Phys. Med. Biol., 50: 4931-4953, octombrie 2005. 5
Introducere Dar și Imagine [Pădurea] Imaginea [Chabanas] Imaginea [Paccini] Chirurgia ficatului Chirurgia maxilo-facială Chirurgia uterină [Pădurea] Clément Forest. Simularea chirurgiei laparoscopice: contribuții la studiul reducerii volumului, feedback-ului forței și modelării vaselor de sânge. Teză de doctorat, École Polytechnique, martie 2003 [Chabanas] M. Chabanas, V. Luboz, Y. Payan. Modelul de element finit specific pacientului pentru țesutul moale al feței pentru chirurgia maxilo-facială asistată de computer, Analiza imaginii medicale, vol. 7, Numărul 2, 2003, pp. 131-151. [Paccini] Paccini Audrey, Dezvoltarea unui model de element finit 3D aplicat la simularea operațiilor chirurgicale ale țesuturilor moi, teză de doctorat în mecanică numerică, ENSMP, Sophia-Antipolis, 30 noiembrie 2005. 6
Planul prezentării 1. De la imaginea medicală la modelul mecanic 2. Modelul mecanic al deformărilor intraoperatorii 3. Modelul mecanic pentru înregistrarea imaginilor medicale 4. Modelarea hidrocefaliei 5. Modelarea creșterii glioblastomului 6 Concluzie 7
Schița prezentării 1. De la imaginea medicală la modelul mecanic 1. Segmentarea țesuturilor în imaginile medicale 2. Construirea unui model mecanic al creierului 2. Modelul mecanic al deformațiilor intraoperatorii 3. Modelul mecanic pentru înregistrarea „imaginilor medicale” 4. Modelarea hidrocefaliei 5. Modelarea creșterii glioblastomului 6. Concluzie Colaborare cu: S. Oudot, L. Rineau, Geometrica, S. Lanteri, Caiman, INRIA Sophia Antipolis 8
Morfologie matematică (eroziune, dilatare) Algoritm de segmentare Clasificare distribuție EM Înregistrare cu un atlas T T 9
Plasa de segmentare Plasa succesivă în triunghiuri, apoi în tetraedre [Oudot] [Scarella]: Etichetarea elementelor [Sermesant]: [Oudot] S. Oudot, L. Rineau și M. Yvinec. Volumele de îngrășare delimitate de suprafețe netede. Raport de cercetare 5626, INRIA, 2005. [Sermesant] M. Sermesant, C. Forest, X. Pennec, H. Delingette și N. Ayache. Modele biomecanice deformabile: Aplicarea la analiza imaginii cardiace 4D. Medical Image Analysis, 7 (4): 475-488, decembrie 2003. [Scarella] G. Scarella, O. Clatz, S. Lanteri, G. Beaume, S. Oudot, J.-P. Pons, S. Piperno, P. Joly, J. Wiart. Modelare numerică realistă a expunerii țesuturilor capului uman la undele electromagnetice de pe telefoanele celulare. Lucrările Academiei de Științe, Fizică. (Acceptat - 2006) 10
Proprietăți mecanice ale creierului Elasticitate izotropă liniară: tensor de deformare liniarizată = 2 1 ε (TU + U) Ecuație constitutivă liniară: σ = λi tr (ε) 2µε λ = 3 + Eυ (1+ υ) (1 2υ) E µ = 2 1+ Relația de echilibru: div (σ) + f = 0 (υ) ε U σ λ, µ f Tensor al tulpinilor Deplasare Tensor al tensiunilor Coeficienți Lamé Forțe externe 11
Proprietăți mecanice ale creierului Linearizare a legii lui Miller [Miller]: Stres (Pa) 60 40 20 Linearizare Legea lui Miller Modul lui Young E = 694 Pa Raportul lui Poisson: υ = 0,35 0 5 10 Deformare (%) [Miller] K Miller. Biomecanica creierului pentru chirurgie computerizată integrată. Editura Universității de Tehnologie din Varșovia, 2002. 12
Planul prezentării 1. De la imaginea medicală la modelul mecanic 2. Modelul mecanic al deformărilor intraoperatorii 1. Anatomia spațiului intracranian 2. Operația de electrostimulare 3. Exemplu de simulare 3. Model mecanic pentru înregistrarea imaginilor medicale 4. Modelarea hidrocefaliei 5. Modelarea creșterii glioblastomului 6. Concluzie Colaborare E. Bardinet, D. Dormont, CHU Pitié Salpétrière, Paris 13
Anatomia spațiului intracranian A) Mama dură B) Coasa creierului C) Cortul cerebelului D) Emisferele cerebrale E) Emisferele cerebeloase Trunchiul cerebral 14
Operație de electrostimulare Image Implantarea Medtronic de microelectrozi în nuclei subtalamici în condiții stereotaxice Artefacte semnificative în RMN postoperator 15
Modelul biomecanic Nivel lichid stâng Nivel lichid drept Gravitate Noduri fixe Creier fals 16
Exemplu de simulare RMN preoperatorie Simulare RMN postoperatorie 17
Planul prezentării 1. De la imaginea medicală la modelul mecanic 2. Modelul mecanic al deformațiilor intraoperatorii 3. Modelul mecanic de înregistrare a imaginilor medicale 1. Motivația 2. Metoda și formularea 3. Rezultate 4. Modelarea hidrocefaliei 5. Modelarea de creștere a glioblastomului 6. Concluzie Colaborare S. Warfield, SPL, Harvard Medical School, Boston, SUA 18