Grégory Maclair 5 décembre 2008

1. Développement d’algorithmes temps réel de traitement de séquences d’images biomédicales animées pour la thermothérapie guidée par IRM Grégory Maclair 5 décembre 2008 Laboratoire d’Imagerie Moléculaire et Fonctionnelle (IMF) – CNRS-UMR 5231 Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique (LaBRI) – CNRS-UMR 5800

2. Plan de la présentation • Introduction et problématique • Analyse et algorithmes de correction d’un mouvement reproductible et applications pour la thermothérapie guidée par IRM • Modélisation des perturbations de champ magnétique • Conclusion et Perspectives

3. Hyperthermie locale Laser Radiofréquences IRM Ultrasons focalisés Outils de chauffage Mesures dynamiques

4. Imagerie IRM A chaque unité de volume est associé un nombre complexe M

5. [Sapareto, 1984 ] Phase, température et dose thermique • Fréquence de résonance des protons (PRFS) : • Dose thermique :

6. Problèmes • Mouvement • Effet de susceptibilité magnétique

7. Abdomen d’un volontaire sain en respiration libre Mouvement [Denis de Senneville, 2005] • Etape 1 :estimation du mouvement global [Friston, 1995] • Etape 2 : estimation des mouvementslocaux (Cornelius-Kanade [Kanade, 1983])

8. … … … … … … … … Méthode de l’atlas [Denis de Senneville, 2004] Apprentissage Intervention t=0 t=n-1

9. Problématique liée à l’estimation de mouvement • Changement des propriétés IRM [Graham, 1999] • Influence sur le contraste de l’image • Non conservation de l’intensité lumineuse : • Estimation du mouvement biaisée localement

10. Problématique liée à l’atlas n=10 Valeur de la phase [rad] Position de l’organe [mm] Mouvements périodiques Problème : Echantillonnage précis du mouvement observé Problème de densité de population de l’atlas Une même valeur dans l’atlas = plusieurs position de l’organe

11. Plan de la présentation • Introduction & problématique • Analyse et algorithmes de correction d’un mouvement reproductible et applications pour la thermothérapie guidée par IRM • Modèle de mouvement basé sur l’Analyse en Composantes Principales (ACP) • Amélioration de la recherche dans l’atlas • Optimisation de plan d’acquisition • Modélisation des perturbations de champ magnétique induites par le mouvement • Modélisation sur organes mobiles • Modélisation sur organes non-mobiles • Conclusion & Perspectives

12. Analyse et modélisation d’un mouvement reproductible • Problématique : • Trouver une méthode d’estimation de mouvement robuste aux changements locaux d’intensité • Profiter du caractère périodique du mouvement observé • Solution proposée : • Pendant l’apprentissage • Estimation de mouvement à l’aide d’un algorithme basé flot optique • Calcul d’un modèle de mouvement à l’aide d’une ACP [Black, 1997] • Pendant l’intervention • Estimation du mouvement à partir du modèle de manière globale Maclair G. et al., ICIP, 2007

13. Utilisation de l’ACP • Création d’une matrice d’apprentissage du mouvement F : • Analyse en Composantes Principales sur F • Obtention d’une base de mouvement B : , avec k défini tel que :

14. Estimation des paramètres du modèle • Calculer Tt entre It et I0 : • Trouver atminimisant l’expression suivante : • Utilisation de la méthode Levenberg-Marquardt

15. + Combinaison linéaire des éléments de la base calculée par ACP Estimation des paramètres du modèle : illustration a0 x Recalage a1x Sans recalage Avec recalage

16. Application pratique (Ex Vivo) • A & B : Distribution de température après 40s de chauffage RF • A : estimation basée flot optique • B : estimation basée ACP • C & D : Cartes de dose thermique correspondantes

17. Application pratique (Ex Vivo) Evolution temporelle de la température : en bleue, basée flot optique en rouge, basée ACP

18. Application pratique (In Vivo) • Abdomen d’un volontaire sain en respiration libre • Base calculée

19. Application pratique (In Vivo) • Stabilité de la méthode comparée à l’approche existante (1,1°C) • Compatibilité avec les contraintes temps réel

20. Plan de la présentation • Introduction & problématique • Analyse et algorithmes de correction d’un mouvement reproductible et applications pour la thermothérapie guidée par IRM • Modèle de mouvement basé ACP • Amélioration de la recherche dans l’atlas • Optimisation de plan d’acquisition • Modélisation des perturbations de champ magnétique induites par le mouvement • Modélisation sur organes mobiles • Modélisation sur organes non-mobiles • Conclusion & Perspectives

21. Utilisation du modèle pour améliorer la recherche dans l’atlas • Remplacer le critère d’inter-corrélation sur l’image anatomique • Utiliser le descripteur principal comme critère de recherche • Associer avec

22. Résultats • Résultat non satisfaisant • Cause : • Index dans l’atlas erroné • Solution : • Prise en compte de l’effet d’hystérèse

23. Prise en compte de l’effet d’hystérèse apparent • Mouvement entre l’inspiration et l’expiration non symétrique • Modification de la phase différente en fonction de l’état de la respiration (inspiration/expiration) • Marquage de la phase d’inspiration

24. Résultats • Incertitude sur la T°C équivalente à l’approche traditionnelle • Temps de recherche dans l’atlas amélioré d’un facteur 3

25. Plan de la présentation • Introduction & problématique • Analyse d’un mouvement reproductible et applications pour la thermothérapie guidée par IRM • Modèle de mouvement basé ACP • Amélioration de la recherche dans l’atlas • Optimisation de plan d’acquisition • Modélisation des perturbations de champ magnétique induites par le mouvement • Modélisation sur organes mobiles • Modélisation sur organes non-mobiles • Conclusion & Perspectives

26. Calcul du plan de coupe optimal • Problématique : • Eviter l’apparition/disparition de structures anatomiques • Orienter le volume d’intérêt dans la direction du mouvement dominant Avec Bruno Quesson, Mathilde Merle, Thibault Carteret

27. Méthode itérative • Méthode proposée (1/2): • Acquisition dynamique de 2 coupes orthogonales • Recherche du mouvement dominant sur la cible dans les 2 orientations à l’aide d’une ACP • Obtention du vecteur de mouvement 3D Dxyz(u,v,w) v v w u

28. Méthode itérative • Méthode proposée (2/2) : • Calcul des angles de corrections α et β • Mise à jour des paramètres IRM et acquisition • Recherche du nouveau vecteur de mouvement dominant • Nouveau calcul des angles de corrections • Si |α|<5° et |β|<5° : fin de l’algorithme • Sinon : nouvelle itération

29. Résultats après optimisation • Après correction : • Mouvement dominant dans la direction de l’axe Oy de l’aimant

30. Comparatif avant/après optimisation • Optimisation effectuée après une itération

31. Acquisition après optimisation Déplacement (mm) Temps (s) • Evolution temporelle des déplacements • suivant : • l’axe Oy • l’axe Ox • l’axe Oz Vue coronale après optimisation du plan de coupe

32. Plan de la présentation • Introduction & problématique • Analyse d’un mouvement reproductible et applications pour la thermothérapie guidée par IRM • Modèle de mouvement basé ACP • Amélioration de la recherche dans l’atlas • Optimisation de plan d’acquisition • Modélisation des perturbations de champ magnétique • Modélisation sur organes mobiles • Thermométrie sur le sein • Conclusion & Perspectives

33. Modélisation de champ magnétique sur organes mobiles • Hypothèse : • Déplacement observé principalement dans la direction longitudinale de l’aimant • Observation autour du centre de l’aimant • Organe observé éloigné de l’interface air/tissus • Alors : • Approximation du changement de champ magnétique par un modèle linéaire

34. Méthode • Donnée en entrée : • La base de mouvement calculée précédemment et … 0<t<n-1 t=0 0<t<n-1 Maclair G. et al., MICCAI, 2007

35. Méthode proposée • Utilisation d’une Décomposition en Valeur Singulière (SVD) pour calculer les • Pendant l’intervention : • Utilisation des permettant l’estimation de mouvement afin de calculer

36. Méthode proposée : illustration + a0x Combinaison linéaire des composantes de la base de phase pondérées par leurs coefficients. a1x Différence avec la phase à l’instant courant

37. Résultats In Vivo • Amélioration de l’incertitude sur la mesure de température • Solution au problème de peuplement de l’atlas • Temps de calcul réduit d’environ 20% n=10

38. Plan de la présentation • Introduction & problématique • Analyse d’un mouvement reproductible et applications pour la thermothérapie guidée par IRM • Modèle de mouvement basé ACP • Amélioration de la recherche dans l’atlas • Optimisation de plan d’acquisition • Modélisation des perturbations de champ magnétique • Modélisation sur organes mobiles • Thermométrie sur le sein • Conclusion & Perspectives

39. Exemple d’application (En collaboration avec S.Hey, M.Lepetit-Coiffé) • Traitement du cancer du sein : • Pas de mouvement • Effet de susceptibilité induit par la variation du volume d’air pulmonaire • Utilisation d’une mesure extérieure à l’image • Echo navigateur : • Acquisition d’une ligne de l’espace de Fourier • Obtention d’un profil d’intensité caractérisant la respiration Hey S., Maclair G., MRM, 2008

40. Thermométrie sur organes non mobiles • Atlas de capteurs : • Apprentissage : • Associer chaque valeur du capteur Nt au couple • Prendre en compte de l’effet d’hystérèse • Intervention : • Récupérer dans l’atlas en utilisant la valeur courante du capteur • Modèle de champ magnétique : • Remplacer les at du modèle précédent par les Nt

41. Résultats • Etude menée sur 5 volontaires : • Séquence d’acquisition optimisée • Effet de susceptibilité différent d’une volontaire à l’autre • Utilisation de l’atlas de capteur et du modèle de champ magnétique Représentation statistique des écart-types temporels de la température

42. Plan de la présentation • Introduction & problématique • Analyse d’un mouvement reproductible et applications pour la thermothérapie guidée par IRM • Modèle de mouvement basé ACP • Amélioration de la recherche dans l’atlas • Optimisation de plan d’acquisition • Modélisation des perturbations de champ magnétique induites • Modélisation sur organes mobiles • Thermométrie sur le sein • Conclusion & Perspectives

43. Conclusion & Perspectives • Conclusion: • Méthode d’estimation de mouvement robuste • Modèle de champ magnétique fiable • Thermométrie sur le sein

44. Conclusion & Perspectives • Perspectives : • Etude des méthodes proposées à 3T • Evaluer les méthodes proposées sur le cœur • Optimisation des algorithmes en utilisant les cartes graphiques