Recalage et mise en correspondance d’images tomographiques et de projection: Résultats préliminaires d’une solution hybride en radiochirurgie

A new method for 2D/3D registration, applied to Magnetic Resonance Imaging (3D) and to X-Ray angiography (2D), has been adapted and used for planning treatment in radiosurgery. The imaging flow needed for planning radiosurgery is considerable and using registration technique would make lighter the imaging protocol without restricting planning. We describe the preliminary results of the evaluation giving criteria to compare registration technique and localization using stereotactic frame, which is the gold standard method. Preliminary results obtained during this first step in validating registration put forward which kind of MRI sequence are more suitable to registration.Une méthode de recalage d’images multimodales 2D/3D entre Imagerie par Résonance Magnétique (3D) et à l’angiographie par rayons X (2D) est appliquée à la planification dosimétrique en radiochirurgie. Le flux d’images nécessaires à la réalisation du traitement en radiochirurgie est considérable. La fusion de ces images multimodales dans un espace commun est requise pour la planification. Ainsi, elles nécessitent d’être acquises en utilisant un référentiel dit «stéréotaxique». Cependant, l’utilisation d’algorithmes de recalage dans la phase de planification permet de simplifier les procédures d’imagerie en diminuant l’usage du cadre sans contraindre la planification. Nous proposons ici les résultats préliminaires de l’application du recalage dans un contexte radiochirurgical par comparaison avec la méthode basée sur un repérage stéréotaxique qui constitue le gold standard. Les résultats préliminaires obtenus lors de cette première phase de validation permettent de conclure sur la compatibilité de certaines séquences d’images IRM avec le recalage d’images tomographique et de projectio

Patient Setup in Conformal Radiotherapy of Prostate Cancer by Registration of Ultrasound and Magnetic Resonance Images

In conformal radiotherapy, beam set up and dose calculations are achieved using images obtained from computed tomography (CT) or magnetic resonance (MR). These images are taken before the treatment which is performed on several sessions on several weeks. At the beginning of each session, the patient has to be positioned on the treatment couch under the linear accelerator in the same position as during MR or CT imaging and planning, and the organs are assumed to be in the same place. Currently, the methods used for this repositioning are based on the external anatomy of the patient and suppose an immobility of the internal structures. In this study, we present a new approach, suited to the clinical practice, for the automatic repositioning of patient in prostate cancer radiotherapy. It is based on localisation by ultrasound images and optical stereolocalisation and on a matching with images regenerated in the planning volume. The method exploits a statistical model of the prostate to automatically extract its contours. The first tests in conditions of a radiotherapy session show that the method is able to obtain a patient setup with an accuracy of about 1.4 mm.En radiothérapie conformationnelle, le calcul des doses et des balistiques des faisceaux à appliquer pour irradier la tumeur se fait en se basant sur des images tomographiques (IRM ou scanner (TDM)) réalisées avant le traitement. Celui-ci dure plusieurs séances réparties sur plusieurs semaines. Au début de chaque séance le patient doit être installé sur la table de traitement dans les conditions initiales de planification. Actuellement, les méthodes les plus utilisées pour ce repositionnement se basent sur l'anatomie externe du patient et supposent une immobilité des organes internes. De ce fait, des marges d'erreurs sont prévues dans la définition des volumes pour prendre en considération ces mouvements et les erreurs du repositionnement. Ce travail présente une nouvelle approche, adaptée aux conditions cliniques, pour le repositionnement automatique du patient en radiothérapie de la prostate. Elle est basée sur un repérage temps réel par échographie et une mise en correspondance rapide et précise avec des images générées dans le volume de planification. La méthode exploite une modélisation statistique de la prostate pour extraire automatiquement ses contours. Les premiers tests de la méthode dans les conditions réelles d'une séance de radiothérapie montrent que le repositionnement peut être obtenu avec une précision de l'ordre de 1.4 mm

Mise en Correspondance Tridimensionnelle d'Images Multimodales<br /><br />Application aux Systèmes d'Imageries Projective et Tomographique d'Angiographie Cérébrale

Whatever the field of application, matching of multimodality images became an essential aim of research in image processing. In a medical context, many imaging modalities provide the organism exploration but, because of the large variety of the physical phenomenon involved, the organs are analysed by each modality specific point of view. Fusion of multimodality images enables to overcome this problem using the complementarities of each modality to extract new data juxtaposing to initial data, bringing up matching to an essential way of analysis. This study deals with registration and matching data coming from planar and tomographic imaging system for cerebral angiography. Currently, X ray angiography (2D) is the most valuable way for analysing the intra-cranial vascular tree, however it has a poor flexibility and no three-dimensional information. In one hand, registration and matching of X ray angiography with Magnetic Resonance Imaging may complete the radiological imaging data, and, in the other hand, it may validate the latest technology of the newest imaging system. This methods is based on rigid and automatic registration of the different modalities. The originality comes from the lack of markers or external landmarks, registration just uses personal anatomic data. This work leads on numerous medical perspectives, in both therapy or diagnosis fields. For example, detailled and accurate information of vascular structures may be decisive in neurosurgery. Matching images acquired at separate times may also allows a more objective vascular pathology follow-up.La mise en correspondance d'images multimodales est devenue un axe de recherche essentiel en traitement d'images quels que soient les domaines d'applications. Dans le cadre médical, de nombreuses modalités d'imagerie permettent d'explorer l'organisme mais la grande diversité des phénomènes physiques mis en jeu implique que les organes seront analysés selon des points de vue très différents, spécifiques à chacune des modalités. La fusion d'images multimodales permet de palier cette difficulté en exploitant la complémentarité des différentes modalités pour extraire des données nouvelles par la juxtaposition des données initiales et faisant ainsi de la mise en correspondance un élément d'analyse incontournable. La présente étude est orientée sur la recalage et la mise en correspondance de données issues de systèmes d'imageries projective et tomographique d'angiographie cérébrale. L'angiographie par rayons X (2D) est la référence actuelle pour l'étude des vaisseaux intracrâniens mais elle souffre d'un manque de flexibilité et d'absence d'informations tridimensionnelles. Le recalage et la mise en correspondance de cette modalité avec l'Imagerie par Résonance Magnétique permet, d'une part de compléter les données de l'image radiologique et, d'autre part, de valider les innovations technologiques apportées aux dernières générations d'imageurs. La méthode proposée se base sur un recalage automatique et rigide entre les deux modalités. L'originalité de l'approche réside en l'absence de marqueurs ou référentiels externes, basant ainsi le recalage uniquement sur les caractéristiques anatomiques individuelles. Les retombées médicales de ce travail sont multiples tant dans le domaine diagnostique que thérapeutique. A titres d'exemples, une information fine et précise de la vascularisation peut se révéler être décisive dans un cadre neurochirurgical et la mise en correspondance d'images acquises à des instants différents permet un suivi plus objectif d'une pathologie

A new phantom to assess and correct geometrical distortions for Magnetic Resonance Imaging: Design and preliminary experiments

International audienceAbstractPurpose: Nowadays, many focal therapies use Magnetic Resonance (MR) imaging for treatment planning purpose. In this context, geometric distortions should be as low as possible. In this paper, we present a new device to assess image distortions in MRI.Methods: The phantom consists of a stack of plates made of Polymethyl Methacrylate (PMMA). The detection elements are balls forming MRI capsules and delimiting an internal volume filled with paraffin oil. When imaged, this system enables having a regular pattern with the same distance in the three space directions between each capsule center of mass.Correction of the distortions is done using a registration of the detected balls pattern with the theoretical pattern. Iterative Closest Points (ICP) algorithm is used for thus purpose.Results: Preliminary evaluations on different MR sequences have been conducted, the combination of device and ICP-based correction method shows the feasibility of the approach.Conclusion: From the promising preliminary results obtained, future developments will include an upgrade of the phantom and the implementation of more sophisticated correction algorithms

Mise en correspondance tridimensionnelle d'images multimodales (application aux systèmes d'imageries projective et tomographique d'angiographie cérébrale)

La mise en correspondance d'images multimodales est devenue un axe de recherche essentiel en traitement d'images quels que soient les domaines d'applications. Dans le cadre médical, de nombreuses modalités d'imagerie permettent d'explorer l'organisme, mais la grande diversité des phénomènes physiques mis en jeu implique que les organes seront analysés, selon des points de vue très différents, spécifiques à chacune des modalités. La fusion d'images multimodales permet de palier cette difficulté, en exploitant la complémentarité des différentes modalités pour extraire des données nouvelles, par la juxtaposition des données initiales, et faisant ainsi de la mise encorrespondance un élément d'analyse incontournable. La présente étude est orientée sur le recalage et la mise en correspondance de données issues de systèmes d'imageries projective et tomographique d'angiographie cérébrale. L'angiographie par rayons X est la référence actuelle, pour l'étude des vaisseaux intracrâniens, mais elle souffre d'un manque de flexibilité et d'absence d'informations tridimensionnelles. Le recalage et la mise en correspondance de cette modalité avec l'imagerie par résonnance magnétique (IRM), permet, d'une part de compléter les données de l'image radiologique et, d'autre part, de valider les innovations technologiques apportées aux dernières générations d'imageurs. La méthode proposée se base sur un recalage automatique et rigide entre deux modalités. L'originalité de l'approche réside en l'absence de marqueurs ou référentiels externes, basant ainsi le recalage uniquement sur les caractéristiques anatomiques individuelles. Les retombées médicales de ce travail sont multiples tant dans le domaine diagnostique que thérapeutique.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Segmentation algorithms of subcortical brain structures on MRI : a review

International audienceAbstractThis work covers the current state of the art with regard to approaches to segment subcortical brain structures. A huge range of diverse methods have been presented in the literature during the last decade to segment not only one or a constrained number of structures, but also a complete set of these subcortical regions. Special attention has been paid to atlas based segmentation methods, statistical models and deformable models for this purpose. More recently, the introduction of machine learning techniques, such as artificial neural networks or support vector machines, has helped the researchers to optimize the classification problem. These methods are presented in this work, and their advantages and drawbacks are further discussed. Although these methods have proved to perform well, their use is often limited to those situations where either there are no lesions in the brain or the presence of lesions does not highly vary the brain anatomy. Consequently, the development of segmentation algorithms that can deal with such lesions in the brain and still provide a good performance when segmenting subcortical structures is highly required in practice by some clinical applications, such as radiotherapy or radiosurgery

Parallelized Monte-Carlo using graphics processing units to model cylindrical diffusers used in photodynamic therapy: From implementation to validation

International audienceThe Monte-Carlo method is the standard method for computing the dosimetry of both ionizing and non-ionizing radiation. Because this technique is highly time-consuming in conventional implementations, several improvements have recently been developed to speed-up simulations. Among the improvements, the use of graphics processing units (GPU) to parallelize algorithms provides a cost-efficient solution to accelerate the Monte-Carlo method. Parallel implementation of Monte-Carlo using GPU technology is described in the context of photodynamic therapy (PDT) dosimetry. This algorithm has been optimized to compute light emitted from optical fibers with cylindrical diffusers that are used in interstitial PDT applications. A comparison of the experimental measurements used to assess the results of the Monte-Carlo method is detailed. Illumination profiles of several commercially available diffusers are measured using an optical phantom that mimics the optical properties of the brain. Additionally, this Monte-Carlo method is compared to ex-vivo measurements made by a device dedicated to intraoperative PDT treatment of brain tumors. The results of the GPU Monte-Carlo validation are in accordance with the recommendations of the American Association of Physicists in Medicine. The acceleration obtained with the GPU implementation is in accordance with the literature and is sufficiently fast to be integrated in a treatment planning system dedicated to planning routine clinical interstitial PDT treatments

Interventional therapy procedures assisted by medical imaging and simulation. The experience of U 703 Inserm (Lille France).

Since the early 1990s, minimally invasive techniques have been increasingly used in ever more and diversified fields of application. These techniques have some shared characteristics (predominant role of medical imaging, intensive use of new communication technologies, a multidisciplinary medical and scientific framework, etc.) but also shared specific problems (high-tech tools unfamiliar to the medical users, a major and long period of time for technological development, unavailability of training systems, difficulties in obtaining regulatory approval). For a long time, our Laboratory of Medical Physics (U 703 Inserm) has developed an innovative research activity in biomedical engineering in the field of assisted therapy, medical imaging and medical simulation. This paper presents the general context of interventional therapy procedures assisted by image and simulation and describes our scientific activities based on realistic objectives close to medical practice

Description symbolique d'une arborescence vasculaire (application au réseau vasculaire cérébral)

Cette thèse s intéresse à la description symbolique d arborescences vasculaires issues d images 3D multimodales. Ce travail vise à fournir un cadre méthodologique global pour l analyse de telles structures et plus particulièrement pour l arbre vasculaire cérébral. Le domaine d application clinique visé est la neurochirurgie, notamment pour la planification du geste du praticien. Notre principale contribution est le développement d une méthode de squelettisation 3D, adaptée aux formes tubulaires et judicieuse pour la description symbolique. Nous proposons de baser la méthode de squelettisation sur la construction de l arbre de des plus courts chemins de Dijkstra. Ainsi, nous extrayons la branche principale qui correspond à la branche la plus longue de l arbre de Dijkstra, puis, nous détectons de manière itérative chaque branche annexe en conservant les branches de l arbre de longueur supérieure à un seuil fixé. Puisque notre squelettisation se réalise de manière itérative, nous possédons les informations locales à chacune des branches. De cette manière, la description symbolique est facilitée et consiste alors en un partitionnement du squelette permettant la collecte de ces informations. Les algorithmes ont été implémentés sous la plateforme logicielle du laboratoire, ArtiMed, et évalués sur données simulées et cliniques. L évaluation des méthodes de squelettisation et de description symbolique a fait l objet de l élaboration d un plan d expérience spécifique consistant en une comparaison des résultats sur une série de 18 rotations du volume initial.This thesis describes the methodology and the evaluation of a symbolic description method applied on vascular trees from multimodal 3D images. This work aims to supply a global methodological framework for the analysis of such structures and, more particularly, for the cerebral vascular tree. The clinical application field is neurosurgery and particularly neurosurgery planning. Our method is based on the application of the minimum cost-spanning tree using Dijkstra s algorithm and seems well appropriate to tubular objects. We skeletonize the structure in two stages: first, we extract the main branch which corresponds to the longest branch of the Dijkstra s tree, then, we detect iteratively every secondary branch by keeping the branches of the tree which length is superior to a fixed threshold. Since our skeletonization works in an iterative way, we possess local information for each branch. In this way, the symbolic description is facilitated and consists in a partitioning of the skeleton to collect the descriptive characteristics. Algorithms were implemented on the laboratory software platform (ArtiMED) developed in Borland C++ and estimated on digital and clinical data. The evaluation scheme adopts a specific experiment approach consisting in a comparison of the results of a series of 18 rotations of the initial volume.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF