Biomechanikai és patofiziológiai modellek az agyképek elemzéséhez
Biomechanikai és fiziopatológiai modellek az agyképek elemzéséhez. A Nicholas Ayache és Hervé Delingette felügyelete alatt készült Olivier Clatz-tézis Az École des Mines de Paris orvoscím megszerzésének célja. Numerikus mechanika szakterület. 2006. február 10. 1
Algoritmikus modellek Az emberi test algoritmikus modelljeit használják a szervek viselkedésének vagy patológiáinak szimulálására. 3 szint [Satava]: Geometriai (anatómia, statisztika) Fizikai, kémiai (biomechanikai, termikus) fiziológiai (funkciók és patológiák) [Satava] Richard Satava. A jövő jelenlegi állapota. A Proc. a 4. konf. Az orvostudomány megfelel a virtuális valóságnak (MMVR'96), interaktív technológia és az egészségügy új paradigmája, 100106. oldal. IOS Press, 1996. január. [Ayache] N. Ayache, szerkesztő. Számítási modellek az emberi test számára. Numerikus elemzés kézikönyve (Ph. Ciarlet sorozatszerkesztő). Elsevier, 2004. 670 oldal. 2
Interakciós képek - modellek Az orvosi adatok jobb megértése és értelmezése Algoritmikus modellek Anatómiai fizika összekapcsolása Fiziológiai/kóros geometria Szimulációs becslési adatok Orvosi képalkotás In vitro kísérletek Klinikai mérések 3
Bevezetés Az algoritmikus modellek érdeklődése a műtét során: Képek [Sinha] Lézerszkenner Működési mező Rekonstruált felület [Sinha] TK Sinha, BM Dawant, V. Duay, DM Cash, RJ Weil és MI Miga, A kéreg felületének deformációinak követésére szolgáló módszer a lézeres távolsági szkenner, IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 24. sz. 6. o. 767-781, 2005. [Skrinjar] Oskar Skrinjar. Deformálható modellek a képvezérelt idegsebészetben. PhD értekezés, Yale Egyetem, 2002. május. [Audette] Michel Audette. Anatómiai felületazonosítás, hatótávolság-érzékelés és regisztráció a műtéten belüli agyi deformációk jellemzésére. PhD értekezés, McGill University, 2003. 4
Bevezetés a MEG/EEG adatok értelmezéséhez: Képek [Zhukov] [Zhukov] LE Zhukov, DM Weinstein és CR Johnson Independent Component Analysis for EEG Source Localization in Realistic Head Models IEEE Engineering in Medicine and Biology, 19. kötet, 87–96., 2000. [Kybic] J. Kybic, M. Clerc, T. Abboud, O. Faugeras, R. Keriven, T. Papadopoulo. Az EEG probléma integrált formulái. INRIA kutatási jelentés 4735 [Darvas] F. Darvas, M. Rautiainen, D. Pantazis, H. Benali, S. Baillet, J. C. Mosher, L. Garnero, R. M. Leahy. A dipól lokalizáció pontosságának vizsgálata MEG-ben a bootstrap segítségével. In Neuroimage vol. 25, 383-394. Oldal, 2005. április. [Im] C.-H. Im, H.-K. Jung, N. Fujimaki, Anatómiailag korlátozott dipólusbeállítás (ANACONDA) a pontos MEG/EEG fókuszforrás lokalizációjához, Phys. Med. Biol., 50: 4931-4953, 2005. október. 5
Bevezetés De kép [Erdő] Kép [Chabanas] Kép [Paccini] Májműtét Maxillofacialis műtét Méhsebészet [Erdő] Clément Forest. A laparoszkópos műtét szimulációja: hozzájárulás a térfogatvágás, az erő-visszacsatolás és az erek modellezéséhez. PhD tézis, École Polytechnique, 2003. március [Chabanas] M. Chabanas, V. Luboz, Y. Payan. Az arc lágyrészének betegspecifikus végeselemes modellje számítógéppel segített maxillofacialis műtétekhez, Medical Image Analysis, Vol. 7, 2003. évi 2. szám, pp. 131-151. [Paccini] Paccini Audrey, 3D-s végeselemes modell kidolgozása a lágyrész-műtétek szimulációjára, doktori értekezés a numerikus mechanikában, ENSMP, Sophia-Antipolis, 2005. november 30. 6
Az előadás terve 1. Az orvosi képtől a mechanikus modellig 2. Az intraoperatív deformitások mechanikus modellje 3. Az orvosi képek regisztrálásának mechanikus modellje 4. A hydrocephalus modellezése 5. A glioblastoma növekedésének modellezése 6 Következtetés 7
Az előadás vázlata 1. Az orvosi képtől a mechanikus modellig 1. A szövetek szegmentálása az orvosi képeken 2. Az agy mechanikus modelljének felépítése 2. Az intraoperatív deformációk mechanikus modellje 3. Az orvosi képek regisztrálásának mechanikus modellje 4. A hydrocephalus modellezése 5. A glioblastoma növekedésének modellezése 6. Következtetés Együttműködés: S. Oudot, L. Rineau, Geometrica, S. Lanteri, Caiman, INRIA Sophia Antipolis 8
Matematikai morfológia (erózió, dilatáció) Szegmentálási algoritmus EM eloszlás osztályozás Regisztráció atlaszsal T T 9
Szegmentálási háló Szekvenciális háló háromszögekben, majd tetraéderekben [Oudot] [Scarella]: Elemek címkézése [Sermesant]: [Oudot] S. Oudot, L. Rineau és M. Yvinec. Sima felületek által határolt hálós kötetek. Kutatási jelentés 5626, INRIA, 2005. [Sermesant] M. Sermesant, C. Forest, X. Pennec, H. Delingette és N. Ayache. Deformálható biomechanikai modellek: Alkalmazás 4D szívképelemzésre. Medical Image Analysis, 7 (4): 475-488, 2003. december. [Scarella] G. Scarella, O. Clatz, S. Lanteri, G. Beaume, S. Oudot, J.-P. Pons, S. Piperno, P. Joly, J. Wiart. Az emberi fej szöveteinek reális numerikus modellezése a mobiltelefonokból származó elektromágneses hullámoknak. A Tudományos Akadémia Fizika folyóirata. (Elfogadva - 2006) 10
Az agy mechanikai tulajdonságai Lineáris izotrop rugalmasság: Linearizált törzs tenzor = 2 1 ε (TU + U) Lineáris konstitutív egyenlet: σ = λi tr (ε) 2µε λ = 3 + Eυ (1+ υ) (1 2υ) E µ = 2 1+ Egyensúlyi viszony: div (σ) + f = 0 (υ) ε U σ λ, µ f A törzsek tenzora Elmozdulás A feszültségek tenzora Lamé-együtthatók Külső erők 11
Az agy mechanikai tulajdonságai Miller-törvény linearizációja [Miller]: Stressz (Pa) 60 40 20 Linearizáció Miller-törvény Young modulusa E = 694 Pa Poisson-arány: υ = 0,35 0 5 10 Deformáció (%) [Miller] K Miller. Az agy biomechanikája a számítógépes integrált sebészethez. Varsói Műszaki Egyetem Kiadó, 2002. 12
Az előadás terve 1. Az orvosi képtől a mechanikus modellig 2. Az intraoperatív deformitások mechanikus modellje 1. Az intrakraniális tér anatómiája 2. Az elektrostimulációs művelet 3. Példa szimulációra 3. Mechanikai modell az orvosi képek regisztrálására 4. A hydrocephalus modellezése 5. A glioblastoma növekedésének modellezése 6. Következtetések Együttműködés E. Bardinet, D. Dormont, CHU Pitié Salpétrière, Párizs 13
Az intrakraniális tér anatómiája A) Kemény anya B) Az agy kasza C) A kisagy sátra D) Agyféltekék E) Agyi féltekék agytörzs 14
Az elektrostimulációs művelet Image Medtronic Mikroelektródák beültetése szubtalamikus magokba sztereotaxiás körülmények között Jelentős műtárgyak a műtét utáni MRI-ben 15
A bio-mechanikus modell Bal oldali folyadék szint Jobb folyadék szint Gravitáció Rögzített csomópontok Hamis agy 16
Példa a preoperatív MRI szimulációra A posztoperatív MRI szimuláció 17
Az előadás terve 1. Az orvosi képtől a mechanikus modellig 2. Az intraoperatív deformációk mechanikus modellje 3. Az orvosi képek regisztrálásának mechanikus modellje 1. Motiváció 2. Módszer és megfogalmazás 3. Eredmények 4. A hydrocephalus modellezése 5. Modellezés glioblastoma növekedésének 6. Következtetési együttműködés S. Warfield, SPL, Harvard Medical School, Boston, USA 18