Intraoperative Biomechanical Registration of the Liver: Does the Heterogeneity of the Liver Matter?

International audienceBackground: Preoperative images such as computed tomography scans or magnetic resonance imaging contain lots of valuable information that are not easily available for surgeons during an operation. To help the clinicians better target the structures of interest during an intervention, many registration methods that align preoperative images onto the intraoperative view of the organs have been developed. For important organ deformation, biomechanically-based registration has proven to be a method of choice.Method: Using an existing biomechanically-based registration algorithm for laparoscopic liver surgery we investigate in this paper the influence of the heterogeneity of the liver on the registration result.Results: No statistical difference in the results was found between the registration performed with the homogeneous model and the one carried out with the heterogeneous model.Conclusion: As the use of an heterogeneous model does not improve significantly the registration result and increase the computation time we recommend to perform the type of registration task described in the paper with a simplified homogeneous model

Patient-specific Biomechanical Modeling for Guidance during Minimally-invasive Hepatic Surgery

International audienceDuring the minimally-invasive liver surgery, only the partial surface view of the liver is usually provided to the surgeon via the laparoscopic camera. Therefore, it is necessary to estimate the actual position of the internal structures such as tumors and vessels from the pre-operative images. Nevertheless, such task can be highly challenging since during the intervention, the abdominal organs undergo important deformations due to the pneumoperitoneum, respiratory and cardiac motion and the interaction with the surgical tools. Therefore, a reliable automatic system for intra-operative guidance requires fast and reliable registration of the pre- and intra-operative data.In this paper we present a complete pipeline for the registration of pre-operative patient-specific image data to the sparse and incomplete intra-operative data. While the intra-operative data is represented by a point cloud extracted from the stereo-endoscopic images, the pre-operative data is used to reconstruct a biomechanical model which is necessary for accurate estimation of the position of the internal structures, considering the actual deformations. This model takes into account the patient-specific liver anatomy composed of parenchyma, vascularization and capsule, and is enriched with anatomical boundary conditions transferred from an atlas. The registration process employs the iterative closest point technique together with a penalty-based method.We perform a quantitative assessment based on the evaluation of the target registration error on synthetic data as well as a qualitative assessment on real patient data. We demonstrate that the proposed registration method provides good results in terms of both accuracy and robustness w. r. t. the quality of the intra-operative data

Semaine d'Etude Mathématiques et Entreprises 6 : Représentation des fonctions de réponse radiométrique

Ce rapport rassemble les différentes pistes de réponses apportées au problème posé par l'entreprise Kolor lors de la 6ème Semaine d'Étude Maths-Entreprises de juin 2013. Le problème porte sur la représentation de fonctions de réponse radiométrique utilisées dans de nombreux logiciels de manipulation de photographies. Une grande partie du travail effectué a consisté à comprendre le problème et ses enjeux afin de le formaliser de façon mathématique. Après une description formelle des outils envisagés, nous les évaluons par rapport aux contraintes du problème afin de déterminer leurs avantages et inconvénients. D'un point de vue pratique, les outils sont présentés dans l'objectif d'être éventuellement développés et intégrés à un logiciel existant. Nous avons donc tenté, dans la mesure du possible, de prendre en compte la simplicité de ces outils que ce soit du côté développement ou du côté utilisation. Ce rapport s'articule en six parties. Après une description pratique du problème, nous en détaillons les principales caractéristiques. Dans une troisième partie, nous décrivons les trois outils envisagés. Les deux parties suivantes constituent l'étude des outils par rapport aux contraintes du problème. Finalement nous donnons une conclusion de cette étude

Réalité augmentée et simulations numériques pour l'ablation de tumeurs hépatiques

Liver cancer is the 2nd most common cause of cancer death worldwide, with more than 745,000 deaths from liver cancer in 2012. When including deaths from liver cirrhosis, the toll reaches nearly 2 million people worldwide. Today, surgical tumors ablation remains the best treatment for liver cancer. To localize the hepatic tumors and to define the resection planes, clinicians rely on pre-operative medical images (obtained with computed tomography scanner or magnetic resonance imaging). However, the liver lesions and vascular system are difficult to localize during surgery. This may lead to incomplete tumor resection or haemorrhage. The purpose of this thesis work is to provide surgeons with an augmented view of the liver and its internal structures during surgery to help them to optimally resect the tumors while limiting the risk of vascular lesion. Therefore, an elastic registration method to align the pre-operative and intra-operative data has been developed. This method, which uses a biomechanical model and anatomical landmarks, was designed to limit its impact on the clinical workflow and reaches a registration accuracy below the resection margin even when the liver is strongly deformed between its pre-operative and intra-operative state. This registration algorithm has been integrated into a software, sofaOR, to conduct the first clinical tests.Les cancers du foie sont la seconde cause de mort par cancer avec plus de 745,000 morts en 2012. Si l’on inclu les cas de cirrhose du foie, le nombre total de morts par an dans le monde atteint presque 2 million. Le meilleur traitement actuel pour ces patients est l’ablation chirurgicale de ces tumeurs. Pour les localiser et planifier l’opération, les chirurgiens se basent sur des images médicales pré-opératoire (obtenues par tomodensitométrie ou imagerie à résonance magnétique). Cependant, durant l’intervention, ces tumeurs, ainsi que le réseau vasculaire du foie, sont difficiles à localiser pour le chirurgien. Cela peut conduire à une résection incomplète des tumeurs où à la lesion accidentelle de vaisseaux sanguins. Le but de ce travail de thèse est de proposer aux chirurgiens une vue du foie et de ses structures interne en réalité augmentée durant l’opération pour les aider à réséquer les tumeurs de manière optimale en limitant les risques pour le patient. Pour cela, une méthode de recalage élastique des données pré-opératoires sur la vue intra-opératoire a été développée. Cette méthode, qui utilise un modèle biomécanique et certains repères anatomiques présents sur le foie, a été conçue pour limiter son impact sur la routine clinique et permet d’at-teindre une erreur de recalage inférieure aux marges chirurgicales même en cas de déformation importante du foie entre son état pré-opératoire et intra-opératoire. Cet algorithme de recalage a été intégré à un logiciel, sofaOR, pour permettre les premiers essais cliniques

Réalité augmentée et simulations numériques dans la résection des tumeurs hépatiques

Les cancers du foie sont la seconde cause de mort par cancer avec plus de 745,000 morts en 2012. Si l'on inclut les cas de cirrhose du foie, le nombre total de morts par an dans le monde atteint presque 2 million. Le meilleur traitement actuel pour ces patients est l'ablation chirurgicale de ces tumeurs. Pour les localiser et planifier l'opération, les chirurgiens se basent sur des images médicales pré-opératoires (obtenues par tomodensitométrie ou imagerie à résonance magnétique). Cependant, durant l'intervention, ces tumeurs, ainsi que le réseau vasculaire du foie, sont difficiles à localiser pour le chirurgien. Cela peut conduire à une résection incomplète des tumeurs où à la lésion accidentelle de vaisseaux sanguins. Le but de ce travail de thèse est de proposer aux chirurgiens une vue du foie et de ses structures interne en réalité augmentée durant l'opération pour les aider à réséquer les tumeurs de manière optimale en limitant les risques pour le patient. Pour cela, une méthode de recalage élastique des données pré-opératoires sur la vue intra-opératoire a été développée. Cette méthode, qui utilise un modèle biomécanique et certains repères anatomiques présents sur le foie, a été conçue pour limiter son impact sur la routine clinique et permet d'atteindre une erreur de recalage inférieure aux marges chirurgicales même en cas de déformation importante du foie entre son état pré-opératoire et intra-opératoire. Cet algorithme de recalage a été intégré à un logiciel, sofaOR, pour permettre les premiers essais cliniques.Liver cancer is the 2nd most common cause of cancer death worldwide, with more than 745,000 deaths from liver cancer in 2012. When including deaths from liver cirrhosis, the toll reaches nearly 2 million people worldwide. Today, surgical tumors ablation remains the best treatment for liver cancer. To localize the hepatic tumors and to define the resection planes, clinicians rely on pre-operative medical images (obtained with computed tomography scanner or magnetic resonance imaging). However, the liver lesions and vascular system are difficult to localize during surgery. This may lead to incomplete tumor resection or haemorrhage. The purpose of this thesis work is to provide surgeons with an augmented view of the liver and its internal structures during surgery to help them to optimally resect the tumors while limiting the risk of vascular lesion. Therefore, an elastic registration method to align the pre-operative and intra-operative data has been developed. This method, which uses a biomechanical model and anatomical landmarks, was designed to limit its impact on the clinical workflow and reaches a registration accuracy below the resection margin even when the liver is strongly deformed between its pre-operative and intra-operative state. This registration algorithm has been integrated into a software, sofaOR, to conduct the first clinical tests

Semaine d'Etude Mathématiques et Entreprises 6 : Représentation des fonctions de réponse radiométrique

Ce rapport rassemble les différentes pistes de réponses apportées au problème posé par l'entreprise Kolor lors de la 6ème Semaine d'Étude Maths-Entreprises de juin 2013. Le problème porte sur la représentation de fonctions de réponse radiométrique utilisées dans de nombreux logiciels de manipulation de photographies. Une grande partie du travail effectué a consisté à comprendre le problème et ses enjeux afin de le formaliser de façon mathématique. Après une description formelle des outils envisagés, nous les évaluons par rapport aux contraintes du problème afin de déterminer leurs avantages et inconvénients. D'un point de vue pratique, les outils sont présentés dans l'objectif d'être éventuellement développés et intégrés à un logiciel existant. Nous avons donc tenté, dans la mesure du possible, de prendre en compte la simplicité de ces outils que ce soit du côté développement ou du côté utilisation. Ce rapport s'articule en six parties. Après une description pratique du problème, nous en détaillons les principales caractéristiques. Dans une troisième partie, nous décrivons les trois outils envisagés. Les deux parties suivantes constituent l'étude des outils par rapport aux contraintes du problème. Finalement nous donnons une conclusion de cette étude

Establishing non-fasting reference values for plasma lipids levels based on age, sex, and puberty stage in a French-Canadian pediatric population

Abstract Background Dyslipidemias, including familial hypercholesterolemia (FH), are a significant risk factor for cardiovascular diseases. FH is a genetic disorder resulting in elevated levels of low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C) and an increased probability of early cardiovascular disorders. Heterozygous familial hypercholesterolemia (HeFH) is the most common form, affecting approximately 1 in 250 individuals worldwide, with a higher prevalence among the French-Canadian population. Childhood is a critical period for screening risk factors, but the recommendation for non-fasting screening remains controversial due to a lack of specific reference values for this state. This study aims to establish reference values for lipid levels in non-fasting children from Sherbrooke, Quebec, Canada, that will be specific for sex, age, and pubertal stages. Methods Blood samples and corresponding anthropometric data were collected from 356 healthy children aged from 6 to 13. They were categorized either into two age groups: Cohort 6–8 and Cohort 9–13, or into pubertal stages. Reference values, specifically the 2.5th, 5th, 10th, 50th, 90th, 95th, and 97.5th percentiles were determined using the CLSI C28-A3 guidelines. Results Lipid profiles did not significantly differ between sexes, except for higher levels of high-density lipoprotein (HDL-C) in boys within Cohort 6–8. HDL-C levels significantly increased, while LDL-C and non-HDL-C levels significantly decreased in both sexes with age. Non-fasting age- and pubertal stages-specific reference values were established. Conclusion This study established reference intervals for lipid markers in non-fasting state within the pediatric French-Canadian population. These findings could be used in dyslipidemia screening in daily practice