Биомеханични и физио-патологични модели за анализ на мозъчни образи
Биомеханични и физио-патологични модели за анализ на мозъчни образи. Дисертацията на Оливие Клац, изготвена под ръководството на Николас Аяче и Ерве Делингет Теза, представена с оглед получаване на титлата доктор от Школата на мини в Париж Специалност по числена механика. 10 февруари 2006 г. 1
Алгоритмични модели Алгоритмичните модели на човешкото тяло се използват за симулиране на поведението на органи или патологии. 3 нива [Сатава]: Геометрични (анатомия, статистика) Физически, химически (биомеханични, термични) Физиологични (функции и патологии) [Сатава] Ричард Сатава. Настоящото състояние на бъдещето. В Proc. от 4-ти конф. Medicine Meets Virtual Reality (MMVR'96), Interactive Technology and the New Paradigm for Healthcare, страници 100106. IOS Press, януари 1996 г. [Ayache] N. Ayache, редактор. Изчислителни модели за човешкото тяло. Наръчник по числен анализ (редактор на серията Ph. Ciarlet). Elsevier, 2004. 670 стр. 2
Изображения за взаимодействие - модели По-добро разбиране и тълкуване на медицински данни Алгоритмични модели Анатомично свързване на физиката Физиологична/патологична Геометрия Симулация Оценка Данни Медицински изображения In vitro експерименти Клинични измервания
Въведение Интерес на алгоритмичните модели по време на операция: Изображения [Sinha] Лазерен скенер Оперативно поле Реконструирана повърхност [Sinha] TK Sinha, BM Dawant, V. Duay, DM Cash, RJ Weil и MI Miga, Метод за проследяване на деформации на кората на повърхността с помощта на лазерен скенер, IEEE транзакции на медицински изображения, кн. 24, бр. 6, стр. 767-781, 2005. [Skrinjar] Оскар Skrinjar. Деформируеми модели в неврохирургия с управляемо изображение. Докторска дисертация, Йейлски университет, май 2002 г. [Audette] Michel Audette. Анатомична идентификация на повърхността, определяне на обхвата и регистрация за характеризиране на интрахирургични мозъчни деформации. Докторска дисертация, Университет Макгил, 2003. 4
Въведение за интерпретацията на MEG/EEG данни: Изображения [Жуков] [Жуков] LE Жуков, Д. М. Уайнщайн и К. Р. Джонсън Независим анализ на компонентите за локализация на ЕЕГ източник в реалистични модели на главата IEEE Engineering в медицината и биологията, том 19, стр. 87-96, 2000. [Kybic] J. Kybic, M. Clerc, T. Abboud, O. Faugeras, R. Keriven, T. Papadopoulo. Интегрални формулировки за проблема с ЕЕГ. INRIA Research Report 4735 [Darvas] F. Darvas, M. Rautiainen, D. Pantazis, H. Benali, S. Baillet, J. C. Mosher, L. Garnero, R.M. Leahy. Изследвания на точността на локализиране на дипол в MEG с помощта на бустра. В Neuroimage vol.25, стр. 383-394, април 2005 г. [Im] C.-H. Im, H.-K. Jung, N. Fujimaki, Анатомично ограничена диполна настройка (ANACONDA) за точни локализации на MEG/EEG фокусни източници, Phys. Med. Biol., 50: 4931-4953, октомври 2005. 5
Въведение Но също и Изображение [Гора] Изображение [Chabanas] Изображение [Пачини] Чернодробна хирургия Челюстно-лицева хирургия Маточна хирургия [Гора] Clément Forest Симулация на лапароскопска хирургия: принос към изследването на обемното рязане, обратна връзка със сила и моделиране на кръвоносни съдове. Докторска дисертация, École Polytechnique, март 2003 г. [Chabanas] M. Chabanas, V. Luboz, Y. Payan. Специфичен за пациента модел на крайни елементи на лицевата мека тъкан за компютърно асистирана лицево-челюстна хирургия, Медицински анализ на изображения, том. 7, брой 2, 2003, стр. 131-151. [Пачини] Пачини Одри, Разработване на 3D модел на крайни елементи, приложен за симулация на хирургични операции на меките тъкани, докторска дисертация по Числова механика, ENSMP, София-Антиполис, 30 ноември 2005 г. 6
План на презентацията 1. От медицински образ до механичен модел 2. Механичен модел на интраоперативни деформации 3. Механичен модел за регистрация на медицински изображения 4. Моделиране на хидроцефалия 5. Моделиране на растежа на глиобластома 6. Заключение 7
Конспект на презентацията 1. От медицинския образ до механичния модел 1. Сегментиране на тъкани в медицински изображения 2. Изграждане на механичен модел на мозъка 2. Механичен модел на интраоперативни деформации 3. Механичен модел за регистрация на „медицински изображения 4. Моделиране на хидроцефалия 5. Моделиране на растежа на глиобластома 6. Заключение Сътрудничество със: S. Oudot, L. Rineau, Geometrica, S. Lanteri, Caiman, INRIA Sophia Antipolis 8
Математическа морфология (ерозия, дилатация) Алгоритъм на сегментиране Класификация на EM разпределение Регистрация с атлас T T 9
Съчетаване на сегментацията Последователни мрежи в триъгълници, след това в тетраедри [Oudot] [Scarella]: Етикетиране на елементи [Sermesant]: [Oudot] S. Oudot, L. Rineau и M. Yvinec. Обем на окото, ограничен от гладки повърхности. Доклад за изследване 5626, INRIA, 2005. [Sermesant] M. Sermesant, C. Forest, X. Pennec, H. Delingette и N. Ayache. Деформируеми биомеханични модели: Приложение за 4D анализ на сърдечния образ. Медицински анализ на изображения, 7 (4): 475-488, декември 2003 г. [Скарела] Г. Скарела, О. Клац, С. Лантъри, Г. Боуме, С. Удо, J.-P. Pons, С. Пиперно, P. Joly, J. Wiart. Реалистично числено моделиране на излагането на човешките глави на въздействието на електромагнитни вълни от клетъчни телефони. Известия на Академията на науките, Физика. (Прието - 2006 г.) 10
Механични свойства на мозъка Линейна изотропна еластичност: Линеаризиран тензор на щам = 2 1 ε (TU + U) Линейно конститутивно уравнение: σ = λi tr (ε) 2µε λ = 3 + Eυ (1+ υ) (1 2υ) E µ = 2 1+ Съотношение на равновесие: div (σ) + f = 0 (υ) ε U σ λ, µ f Тензор на деформации Изместване Тензор на напрежения Коефициенти на Ламе Външни сили 11
Механични свойства на мозъка Линеаризация на закона на Милър [Милър]: Стрес (Ра) 60 40 20 Линеаризация Закон на Милър Модул на Йънг Е = 694 Съотношение на Паасон: υ = 0,35 0 5 10 Деформация (%) [Милър] K Милър. Биомеханика на мозъка за компютърно интегрирана хирургия. Издателство на Варшавския технологичен университет, 2002 г. 12
План на презентацията 1. От медицинския образ до механичния модел 2. Механичен модел на интраоперативни деформации 1. Анатомия на вътречерепното пространство 2. Електростимулационна операция 3. Пример за симулация 3. Механичен модел за регистрация на медицински изображения 4. Моделиране на хидроцефалия 5. Моделиране на растежа на глиобластома 6. Заключение Сътрудничество E. Bardinet, D. Dormont, CHU Pitié Salpétrière, Париж 13
Анатомия на вътречерепното пространство A) Твърда майка B) Коса на мозъка C) Палатка на малкия мозък D) Мозъчни полукълба E) Мозъчни полукълба Мозъчен ствол 14
Операция за електростимулация Image Medtronic Имплантиране на микроелектроди в субталамични ядра при стереотаксични условия Значителни артефакти при следоперативна ЯМР 15
Биомеханичният модел Ляво ниво на течността Дясно ниво на течността Гравитация Фиксирани възли Фалшив мозък 16
Пример за предоперативна симулация на ЯМР Следоперативна симулация на ЯМР 17
План на презентацията 1. От медицинския образ до механичния модел 2. Механичен модел на интраоперативни деформации 3. Механичен модел за регистрация на медицински изображения 1. Мотивация 2. Метод и формулиране 3. Резултати 4. Моделиране на хидроцефалията 5. Моделиране на растежа на глиобластома 6. Заключение Сътрудничество S. Warfield, SPL, Harvard Medical School, Boston, USA 18