Contexte :

L'utilisation croissante de systèmes de navigation pour l'aide à la chirurgie a permis de faciliter les interventions ainsi que la planification des gestes chirurgicaux. Néanmoins, dans le cas de la neurochirurgie où le geste opératoire doit être très précis, les systèmes actuels sont limités par les déformations survenant en per-opératoires. Ce phénomène, connu sous le terme de "Brain Shift" traduit le mouvement des structures cérébrales après ouverture de la boite crânienne. Le recalage entre les examens pré-opératoires et la position du patient en salle d'opération est donc imprécis, et les informations fournies par le système de navigation deviennent partiellement obsolètes.

Problématique :

Au LIRIS, nous avons développé un ensemble d'outils permettant de prendre en compte ce phénomène, améliorant ainsi toute
la chaîne de traitement [1]. Ces outils ont été développés et validés en Matlab pour des raisons de rapidité de conception, mais il sera nécessaire de les intégrer dans une application en langage C/C++ ou Python, avec utilisation des bibliothèques graphiques classiques.

À partir d'images IRM pré-opératoires du cerveau, nous obtenons une première segmentation qui est ensuite raffinée pour obtenir un maillage volumique des différentes structures cérébrales. Nous disposons d'un modèle bio-mécanique permettant de simuler les déformations et les interactions fluide/structure (analyse en éléments finis et résolution du système), mais les possibilités offertes restent encore trop limitées.

Le cadre de ce projet est donc la manipulation de maillages triangulaires et tetraèdriques, utilisation de bibliothèques pour l'Algèbre Linéaire (LAPACK+BLAS par exemple). On abordera aussi : bio-mécanique, imagerie médicale, modèles physiques (discrets et continus). Il s'agit donc d'étudier cette première technique afin de l'améliorer pour obtenir un comportement plus réaliste. On pourra par exemple s'intéresser aux points suivants (au choix) :

  • conversion du code Matlab en un langage plus performant
  • création d'une interface graphique
  • génération et optimisation de maillages triangulaires 2D et tetraèdriques 3D, intégration de structures plus complexes (hémisphères du cerveau, cervelet) ;
  •  comparaison entre les solutions obtenues pour 2 maillages de différentes résolutions ;
  •  calcul et utilisateur d'estimateurs d'erreurs dits "a posteriori", qui permettent de réduire le coût du calcul tout en préservant la qualité de la solution (on ne raffine le maillage que là où c'est nécessaire) ;
  •  intégration de maillages non-conformes pour l'interface entre le fluide et le solide ;
  •  extension du modèle de résolution biomécanique actuel pour simuler des expériences de grossissement de la tumeur, de remplissage des ventricules, etc.
  •  application d'algorithmes d'optimisation de fonctions à plusieurs variables pour déterminer automatiquement les caractéristiques physiques des structures cérébrales à l'aide des images médicales ;

Mots-clés : 

Modélisation de Maillages, Animation et Simulation Physique 2D/3D, Imagerie Médicale, Réalité Augmentée.

Coordonnées du responsable de stage :

Fabrice JAILLET - fabrice.jaillet@liris.cnrs.fr
Laboratoire LIRIS -Equipe SAARA
http://liris.cnrs.fr/saara/
Bâtiment Nautibus, 8 bd Niels Bohr
Université Lyon I - 69622 Villeurbanne Cedex

Références:

[1]. Araya, Barrenechea, Galdames, Jaillet and Rodríguez: Maillage adaptatif et analyse éléments finis du couplage fluide/structure : applications aux déformations du cerveau, SURGETICA'2007,
pp 117-121