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