Modélisation des organes du petit bassin de la femme

1. Stage de Master Recherche Laurent Marsac 2006 Modélisation des organesdu petit bassin de la femme Encadrement Marc-Emmanuel Bellemare - LSIS Nicolas Pirro - CHU St Marguerite

2. Introduction et Plan • Contexte de la GMCAO • Position du problème clinique • Objectifs • Rappel des solutions existantes • Méthodologie adoptée • Développement • Résultats • Conclusion • Perpectives

3. Anatomie du petit bassin • Os • Pubis • Coccyx • Organes • Rectum • Utérus • Vagin • Vessie Coupe sagittale du pelvis feminin

4. Troubles de la statique • Pathologies fréquentes • Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique Cystocèle

5. Troubles de la statique • Pathologies fréquentes • Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique Prolapsus utérin

6. Troubles de la statique • Pathologies fréquentes • Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique Elytrocèle

7. Correction des troubles de la statique • Pathologies fréquentes • Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique • Traitement chirurgical existant

8. Correction des troubles de la statique • Pathologies fréquentes • Imagerie existante adaptée à l'evaluation anatomique • Traitement chirurgical existant • Évaluation fonctionnelle prévisionnelle inéxistante

9. 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

10. 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

11. 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

12. Données IRM volumique Utérus Rectum opacifié Vessie Coccyx Pubis Vagin • Environ 110 coupes sagittales par patiente • Epaisseur des coupe : 1mm, voxels 1mm³ • Format : 256x256 sur 12 bits (Dicom)

13. Données IRM dynamique Utérus Rectum opacifié Vessie Coccyx Pubis 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

14. Données IRM dynamique Utérus Rectum opacifié Vessie Coccyx Pubis 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

15. 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

16. 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

17. Pondération des voxels • Seuillage sur les niveaux de gris • Problème des régions hétérogènes gênantes : valeurs hors seuillage

18. 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

19. Evolution du contour actif • Paramétrage des constantes alpha et beta • Critère d’arrêt basé sur le rapport des volumes entre 10 itérations beta fixé et même nombre d'itérations alpha petit alpha grand Initialisation

20. 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

21. Résultats • Sur une patiente, sur trois coupes sagittales • Sur trois patientes, vues en 3D

22. Résultats

23. 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

24. 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

25. Structures non segmentées • Repérage anatomique sur l'IRM • Modèles simples : octaèdres • Modèle simplifié pour : • Le perinée • L'ouraque • La partie inférieure de la vessie • La partie inférieure du vagin Modèle des muscles élévateurs en gris

26. 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

27. 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

28. 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

29. Résultat

30. 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

31. Résultats en coupe recalées t = 1/2 t = 1 t = 0 • 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

32. 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 Vessie Vagin + Utérus Rectum

33. 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

34. 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

35. 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