A 3D discrete model of the diaphragm and human trunk

In this paper, a 3D discrete model is presented to model the movements of the trunk during breathing. In this model, objects are represented by physical particles on their contours. A simple notion of force generated by a linear actuator allows the model to create forces on each particle by way of a geometrical attractor. Tissue elasticity and contractility are modeled by local shape memory and muscular fibers attractors. A specific dynamic MRI study was used to build a simple trunk model comprised of by three compartments: lungs, diaphragm and abdomen. This model was registered on the real geometry. Simulation results were compared qualitatively as well as quantitatively to the experimental data, in terms of volume and geometry. A good correlation was obtained between the model and the real data. Thanks to this model, pathology such as hemidiaphragm paralysis can also be simulated.Comment: published in: "Lung Modelling", France (2006

3D-2D ultrasound feature-based registration for navigated prostate biopsy: A feasibility study

International audienceThe aim of this paper is to describe a 3D-2D ultrasound feature-based registration method for navigated prostate biopsy and its first results obtained on patient data. A system combining a low-cost tracking system and a 3D-2D registration algorithm was designed. The proposed 3D-2D registration method combines geometric and image-based distances. After extracting features from ultrasound images, 3D and 2D features within a defined distance are matched using an intensity-based function. The results are encouraging and show acceptable errors with simulated transforms applied on ultrasound volumes from real patients

In vivo measurement of human brain elasticity using a light aspiration device

The brain deformation that occurs during neurosurgery is a serious issue impacting the patient "safety" as well as the invasiveness of the brain surgery. Model-driven compensation is a realistic and efficient solution to solve this problem. However, a vital issue is the lack of reliable and easily obtainable patient-specific mechanical characteristics of the brain which, according to clinicians' experience, can vary considerably. We designed an aspiration device that is able to meet the very rigorous sterilization and handling process imposed during surgery, and especially neurosurgery. The device, which has no electronic component, is simple, light and can be considered as an ancillary instrument. The deformation of the aspirated tissue is imaged via a mirror using an external camera. This paper describes the experimental setup as well as its use during a specific neurosurgery. The experimental data was used to calibrate a continuous model. We show that we were able to extract an in vivo constitutive law of the brain elasticity: thus for the first time, measurements are carried out per-operatively on the patient, just before the resection of the brain parenchyma. This paper discloses the results of a difficult experiment and provide for the first time in-vivo data on human brain elasticity. The results point out the softness as well as the highly non-linear behavior of the brain tissue.Comment: Medical Image Analysis (2009) accept\'

Environnement générique pour la validation de simulations médicales

Dans le cadre des simulations pour l'entrainement, le planning, ou l'aide per-opératoire aux gestes médicaux-chirurgicaux, de nombreux modèles ont été développés pour décrire le comportement mécanique des tissus mous. La vérification, la validation et l'évaluation sont des étapes cruciales en vue de l'acceptation clinique des résultats de simulation. Ces tâches, souvent basées sur des comparaisons avec des données expérimentales ou d'autres simulations, sont rendues difficiles par le nombre de techniques de modélisation existantes, le nombre d'hypothèses à considérer et la difficulté de réaliser des expériences réelles utilisables. Nous proposons un environnement de comparaison basé sur une analyse du processus de modélisation et une description générique des éléments constitutifs d'une simulation (e.g. géométrie, chargements, critère de stabilité) ainsi que des résultats (expérimentaux ou provenant d'une simulation). La description générique des simulations permet d'effectuer des comparaisons avec diverses techniques de modélisation (e.g. masse-ressorts, éléments finis) implémentées sur diverses plateformes de simulation. Les comparaisons peuvent être faites avec des expériences réelles, d'autres résultats de simulation ou d'anciennes versions du modèle grâce à la description commune des résultats, et s'appuient sur un ensemble de métriques pour quantifier la précision et la vitesse de calcul. La description des résultats permet également de faciliter l'échange d'expériences de validation. La pertinence de la méthode est montrée sur différentes expériences de validation et de comparaison de modèles. L'environnement et ensuite utilisé pour étudier l'influence des hypothèses de modélisations et des paramètres d'un modèle d'aspiration de tissu utilisé par un dispositif de caractérisation des lois de comportement. Cette étude permet de donner des pistes pour l'amélioration des prédictions du dispositif.Numerous models have been developed to describe the mechanical behavior of soft tissues for medical simulation. Verification, validation and evaluation are crucial steps towards the acceptance of simulation results by clinicians. These tasks, often based on comparisons between simulation results and experimental data or other simulations, are difficult because of the wide range of available modeling techniques, the number of possible assumptions, and the difficulty to perform validation experiments. A comparison framework is proposed based on the analysis of the modelisation process and on a generic description of both constitutive elements of a simulation (e.g. geometry, loads, stability criterion) and results (from simulations or experiments). Generic description allows comparisons between different modeling techniques implemented in various simulation platforms. Comparisons can be performed against real experiments, other simulation results or previous versions of a model thanks to the generic description of results and use a set of metrics to quantify both accuracy and computational efficiency. This description also facilitates validation experiments sharing. The usability of the method is shown on several validation and comparison experiments. The framework is then used to investigate the influence of modeling assumptions and parameters in a biomechanical finite element model of an in-vivo tissue aspiration device. This study gives clues towards the improvement of the predictions of the characterization device.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Algebraic and analytic reconstruction methods for dynamic tomography.

In this work, we discuss algebraic and analytic approaches for dynamic tomography. We present a framework of dynamic tomography for both algebraic and analytic approaches. We finally present numerical experiments

Comparison of LASTIC (Light Aspiration device for in vivo Soft TIssue Characterization) with classic Tensile Tests.

International audienceLASTIC is a device estimating in vivo soft tissue elasticity. It uses negative pressure to deform the tissue surface and captures several deformation stages to trace the behavioral curve. Using Finite Element inverse analysis and a Neo Hookean constitutive law, the tissue's Young modulus is evaluated. This paper compares LASTIC capabilities with standard tensile tests on four samples with elastic properties ranging from 10 kPa to 100 kPa. Although LASTIC overestimates Young modulus by an average of 24 %, it allows a first estimation of the elastic modulus of different materials

Using CamiTK for rapid prototyping of interactive Computer Assisted Medical Intervention applications

Computer Assisted Medical Intervention (CAMI hereafter) is a complex multi-disciplinary field. CAMI research requires the collaboration of experts in several fields as diverse as medicine, computer science, mathematics, instrumentation, signal processing, mechanics, modeling, automatics, optics, etc

Medical image computing and computer-aided medical interventions applied to soft tissues. Work in progress in urology

Until recently, Computer-Aided Medical Interventions (CAMI) and Medical Robotics have focused on rigid and non deformable anatomical structures. Nowadays, special attention is paid to soft tissues, raising complex issues due to their mobility and deformation. Mini-invasive digestive surgery was probably one of the first fields where soft tissues were handled through the development of simulators, tracking of anatomical structures and specific assistance robots. However, other clinical domains, for instance urology, are concerned. Indeed, laparoscopic surgery, new tumour destruction techniques (e.g. HIFU, radiofrequency, or cryoablation), increasingly early detection of cancer, and use of interventional and diagnostic imaging modalities, recently opened new challenges to the urologist and scientists involved in CAMI. This resulted in the last five years in a very significant increase of research and developments of computer-aided urology systems. In this paper, we propose a description of the main problems related to computer-aided diagnostic and therapy of soft tissues and give a survey of the different types of assistance offered to the urologist: robotization, image fusion, surgical navigation. Both research projects and operational industrial systems are discussed

Validation de LASTIC (Light Aspiration device for in vivo Soft TIssue Characterization) sur des élastomères

National audienceLe dispositif LASTIC repose sur le principe d'aspiration par pipette : l'instrument mesure à l'aide d'une mini caméra les déplacements induits par la génération contrôlée d'une dépression locale à la surface du matériau. Un premier prototype a évalué le comportement de la peau, la langue et plus récemment du cerveau 1. Une nouvelle version 2 a été développée afin de rendre le dispositif (1) stérilisable et (2) capable de fournir en moins d'une minute une estimation des paramètres matériaux. Cette nouvelle version est validée ici en comparant avec des essais mécaniques classiques. LASTIC est un cylindre métallique de 33×34mm divisé en deux compartiments (cf. Fig. 1 à gauche). Le compartiment inférieur est étanche à l'air, avec une ouverture circulaire en bas et fermée au sommet par une fenêtre en verre. Le compartiment supérieur supporte une caméra 2 mégapixels. Plusieurs niveaux de dépression ΔP sont générés dans le compartiment inférieur par une pompe programmable, et sont mesurées par un manomètre numérique. Le matériau ainsi aspiré est imagé par la caméra grâce à un miroir incliné à 45°. L'ensemble du dispositif est contrôlé et synchronisé par un ordinateur. La déformation, mesurée comme la hauteur d'aspiration, est segmentée sur chaque image de la mesure et convertie en mm. Une analyse éléments finis basée sur un modèle néo-Hookéen permet de construire un abaque de hauteurs de déplacement en fonction de la dépression et du comportement du matériau 3. Une méthode de minimisation aux moindres carrés est alors utilisée avec cet abaque pour estimer les propriétés mécaniques correspondant aux mesures. Des expériences ont été menées sur quatre matériaux silicones différents pour simuler la gamme d'élasticité des tissus mous humains : RTV#1, RTV#2, Ecoflex, et gel de bougie. Pour chaque matériau, des éprouvettes de traction uniaxiale et une éprouvette spécifique pour LASTIC ont été réalisées. Figure 1. Vue en coupe de LASTIC : la partie supérieure contient la caméra tandis que la chambre d'aspiration et le miroir sont dessous (gauche). Modules de Young déterminés par LASTIC et les machines de traction pour chaque matériau (droite). La Figure 1 résume les pentes initiales (équivalent à des modules d'Young) estimées par LASTIC et par traction uniaxiale. Dans l'ensemble, malgré une surestimation systématique moyenne de 24% par rapport aux machines de traction standards, LASTIC donne une bonne estimation des propriétés des matériaux hyperélastiques isotropes. À terme ce dispositif pourra être utilisé sur des patients pendant des interventions chirurgicales en raison de sa taille, son coût réduit et sa capacité à être stérilisé