Modélisation des organesdu 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• 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

Vessie

Pubis

Rectum opacifié

Coccyx

Vagin

• Environ 110 coupes sagittales par patiente

• Epaisseur des coupe : 1mm, voxels 1mm³

• Format : 256x256 sur 12 bits (Dicom)

Données IRM dynamique

Utérus

Vessie

Pubis

Rectum opacifié

Coccyx

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

Données IRM dynamique

Utérus

Vessie

Pubis

Rectum opacifié

Coccyx

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

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

Initialisation beta fixé et même nombre d'itérations alpha petit alpha grand

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 des muscles élévateurs en gris

Modèle simplifié pour :

• Le perinée

• L'ouraque

• La partie inférieure de la vessie

• La partie inférieure du vagin

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

t = 0 t = 1/2 t = 1

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

VessieVagin + UtérusRectum

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