Upload
larissa-sherman
View
19
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Correction des mouvements pour la thermométrie temps réel guidée par IRM. Baudouin DENIS de SENNEVILLE. 9 Décembre 2005. Image Guided Therapy SA (IGT) Imagerie Moléculaire et Fonctionnelle (IMF) – CNRS Laboratoire Bordelais de Recherche Informatique (LaBRI) - CNRS. Plan de la présentation. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Correction des mouvements Correction des mouvements pour la thermométrie temps pour la thermométrie temps
réel guidée par IRM réel guidée par IRM
Image Guided Therapy SA (IGT)Imagerie Moléculaire et Fonctionnelle (IMF) – CNRS
Laboratoire Bordelais de Recherche Informatique (LaBRI) - CNRS
Baudouin DENIS de SENNEVILLE
9 Décembre 2005
2/47
Plan de la présentationPlan de la présentation
1. Le monitorage de la température par IRM
2. Estimation du déplacement des organes
3. La thermothérapie sur organes mobiles
- Introduction- Analyses des artefacts- Cahier des charges
3/47
HyperthermieLocale
Cryothérapie
AlcoolisationChirurgie
Chimiothérapie
Tumeur
Techniques thérapeutiquesTechniques thérapeutiques
4/47
Hyperthermie localeHyperthermie locale
IRM
Outils de chauffage :
RadiofréquencesLaser
Ultrasons focalisés
Organe à traiter
5/47
Estimation de la nécrose Estimation de la nécrose tissulairetissulaire
Prédiction en ligne de l’efficacité du traitement
thermique
L’historique temporel de la température en chaque pixel permet l’évaluation de la dose thermique
Temps
Température (T)
Dose thermique (DT)
Mais nombreux artefacts!
6/47
Imagerie par IRMImagerie par IRM
A chaque unité de volume est associé un nombre complexe iMe
M
7/47
La mesure de température par La mesure de température par fréquence de résonance des protonsfréquence de résonance des protons
Tk .Dans certaines conditions bien définies :
Temps
n
tnt0
0
nTArtefact
4°C
0°C
2°CEx : Légère dérive du
champ magnétique
à 2 minutes à 20 minutes
[Quesson et al. 2000]
M M0 n…
…
8/47
Analyse du SNRAnalyse du SNR
Analyse de la précision de la température en fonction du bruit
SNR
kTn
.2)(
Construction d’une région de validité sur le signal
Image anatomique du sein
Région de validité obtenue
9/47
Temps
L’artefact de mouvementL’artefact de mouvement
Mouvements intra-scan :
Mouvements inter-scan :
1. Déplacement de la cible
Validité des régions d’intérêt Calcul de la température
t0
Temps
0 n
tn
nT
10/47
L’artefact de mouvementL’artefact de mouvement2. Modification du champ magnétique
→ Trouver des stratégies de correction
[Concepts in Magnetic Resonance 2003]
11/47
Le monitorage de la Le monitorage de la température par IRMtempérature par IRM
IRM
Reconstructeur
Console d’acquisition IRM
Console de monitorageAthlon 3.2 GHz 1.5Go de RAM
Logiciel « Thermoguide »
12/47
• Temps d’acquisition réduit comparé à un changement de température significatif
Typiquement : ~ 400ms / une image de 128x128 pixels / taille des voxels 1x1x3mm
Signal/Bruit (SNR) / Résolution spatiale / Résolution temporelle
3
Monitorage en ligne de la Monitorage en ligne de la températuretempérature
• Temps réel : Traitements effectués entre deux acquisitions successives
13/47
Chaîne de traitementChaîne de traitement
Construction d’une région de validité
Calcul de latempérature
Correction des mouvements
TEST DE QUALITE
Calcul de la dose thermique
Analyse préparatoire Analyse en ligne
I , …, I
REJET
AFFICHAGESAUVEGARDE
ANALYSE…
Seuils de qualitéInformations complémentaires
Suggestions opérateurs
Données IRM0 n
14/47
Plan de la présentationPlan de la présentation
1. Le monitorage de la température par IRM
2. Estimation du déplacement des organes
3. La thermothérapie sur organes mobiles
15/47
Approche proposéeApproche proposée
Principe général des algorithmes de recalage d’images
– définir la transformation à détecter
– définir les structures homologues
– définir un critère déterminant la qualité du recalage
– définir une stratégie de résolution
Estimation du mouvement des organes sur les images anatomiques
Contraintes– pas de spécification de l’organe observé
– pas d’intervention de l’utilisateur
– implémentation temps réel
[Maintz 1998]
16/47
Algorithmes testésAlgorithmes testés
- données synthétiques
- données IRM
Corroborer expérimentalement les hypothèses qui soutendent ces
algorithmes
Testés en 2D :
Compromis à trouver entre la permissivité et la robustesse du recalage
Contrainte de régularité proposée par Horn&Schunck correspond bien au mouvement réel des organes
y x
tyxdxdyvuIvIuI
2
2
2
22
2
[Schunck 1981]
17/47
Addomen d’un volontaire sain en respiration libre
Approche proposéeApproche proposée
Etape 2 : estimation des mouvements locaux
(Horn&Schunck)
Etape 1 : extraction du mouvement global (transformation affine)
Temps de calcul : 250ms
18/47
Estimation 3D du mouvementEstimation 3D du mouvement
• Limitations techniques : acquisition de volumes 3D isotropiques sur des organes mobiles difficile
→ Recalage de volumes difficilement réalisable
• Détection de mouvements hors plan de coupe nécessaire
→ Améliorer la précision de la thermométrie
→ plan de coupe doit être orienté dans l’axe principal du mouvement
• Algorithmes généralisables en 3D
19/47
Approche proposée pour Approche proposée pour l’estimation 3D du mouvementl’estimation 3D du mouvement
1. Dans une étape de pré-traitement :
Un volume de référence de l’organe observé est obtenu avec la séquence d’acquisition nécessaire pour la thermométrie
2. Durant l’intervention :
Le champ de déplacement 3D est estimé avec :
Mouvement élastique 3D ~
Mouvement rigide 3D hors plan de coupe +
Mouvement élastique 2D dans le plan de l’image
[ICIP 2005]
20/47
mouvements réduits d’un
facteur N
...Série de N acquisitions
(synchronisation respiratoire)
...
M séries
...
...
...
volume de 2M+1 coupes
Organe
Coupes
.
.
.
.
.
.
Etape de pré-traitement : Etape de pré-traitement : Discrétisation du volume de référenceDiscrétisation du volume de référence
21/47
Etape de prétraitement : Etape de prétraitement : ddiscrétisation du volume de référenceiscrétisation du volume de référence
10 séries d’images de résolution 128x128 pixels
21 coupesTaille d’un voxel : 2x2x3mm3
A : plan de coupe (coronal)
B & C : hors du plan de coupe (resp. sagittal and transversal)
D : rendu 3D
X
Y Y
Z
X
Z
22/47
Durant l’intervention : estimation du Durant l’intervention : estimation du mouvement 3D hors plan de coupemouvement 3D hors plan de coupe
Estimation de la position de la coupe dans le volume de référence
Image acquise(Pas de synchronisation
respiratoire)
Image à la même position dans le volume de référence
Image correspondante dans le volume de référence après
estimation du mouvement
23/47
Evolution temporelle des 3 translations Evolution temporelle des 3 rotations
Durant l’intervention : estimation du Durant l’intervention : estimation du mouvement 3D hors plan de coupemouvement 3D hors plan de coupe
Axes : XYZ
dans le plan de coupe
hors plan de coupe
24/47
Estimation du mouvement 2D Estimation du mouvement 2D dans le plan de coupedans le plan de coupe
Image de différence sans traitement
Après estimation du mouvement 3D hors plan de
coupe
Avec estimation du mouvement 3D utilisant
notre approche
25/47
Discussion de la partie 2Discussion de la partie 2
• Estimation 3D :
• Recalage d’images : Amélioration significative de la description du mouvement en temps réel in-vivo
- perspectives pour du suivi du plan de coupe en temps réel
- perspectives pour : les déformations complexes, mouvement accidentels, …
- efficacité testée sur un muscle ex-vivo & sur le rein in-vivo
26/47
Plan de la présentationPlan de la présentation
1. Le monitorage de la température par IRM
2. Estimation du déplacement des organes
3. La thermothérapie sur organes mobiles- Réduction des artefacts de thermométrie- Suivi de la cible- Intégration dans le processus d’asservissement
27/47
Correction des artefacts de Correction des artefacts de thermométriethermométrie
Compensation du mouvement sur les images de phase
=> Nécessité d’hypothèses supplémentaires sur le mouvement
Ex : Mouvements rigides successifs sur un muscle ex-vivo chauffé par laser :
25°C
5°C
15°C
1
0
0.5
Modification du champ magnétique non prise en compte
28/47
Correction des mouvements Correction des mouvements accidentelsaccidentels
Cible
Mouvementaccidentel
0n nn+1 n+1i
• Méthode proposée
• Détection du retour à la stabilité de la thermométrie
• Détection du mouvement
Entre 2 acquisitions successives
Par rapport à une image de référence
t0 tn tn+1 tiTemps
……
[MICCAI 2004]
Transformation spatiale estimée
kMTT nini .1 1 ni
29/47
Correction des mouvements Correction des mouvements accidentelsaccidentels
- Pertes de l’information sur une dynamique
- Accumulation du bruit et des incertitudes sur les images
• Discussion :
• Résultats obtenus :
25°C
5°C
15°C
1
0
0.5
30/47
…
…
Durant l’intervention
…
…
…
… …
…
Etape de prétraitement
Correction des mouvements Correction des mouvements reproductiblesreproductibles
yx yx
yxyx
yx
yxyx
IIII
IIII
, ,
2
,
2
,
,
,,
''
''
[ICIP 2004]
31/47
Correction des mouvements Correction des mouvements périodiquespériodiques
Stabilité de la thermométrie sur l’abdomen d’un sujet sain en respiration libre
- augmenter la résolution temporelle
- délai entre 2 acquisitions successives constant
10°C
0°C
5°C
Image anatomique Ecart-type de la températuresans correction
Ecart-type de la températureavec correction
32/47
Correction des mouvements Correction des mouvements résiduelsrésiduels
Image anatomique Ecart-type de la températuresans correction
Ecart-type de la températureavec correction
10°C
0°C
5°C
Stabilité de la thermométrie sur le cœur d’un sujet sain
[ISMRM 2005]
33/47
Estimation de mouvements non Estimation de mouvements non stockés dans l’atlasstockés dans l’atlas
Informations disponibles dans l’atlas
Amplitude du mouvementdominant estimé
Temps
Nouveau mouvement
Résultats obtenus :5°C
1°C
3°C
=> Incompatible avec la réduction des mouvements résiduels (cœur)
Ecart-type de la température sans/avec estimation des mouvements non stockés dans l’atlas
34/47
Homogénéisation des données Homogénéisation des données stockées dans l’atlasstockées dans l’atlas
• Diminuer :
- l’espace mémoire nécessaire au stockage de l’atlas
- les temps de recherche dans l’atlas
- réduire le bruit des données
=> Compromis nombre de classes/mouvements interclasses
• Classification hiérarchique effectuée à la fin de l’analyse préparatoire
• Limiter les redondances d’informations
• Arbre de recherche des images
Jusqu’à ~ 70% de gain
Temps
4
4
1
2
35/47
Suivi de la position de la région Suivi de la position de la région de chauffagede chauffage
Repositionner le point de tir sinon :
- traitement inefficace
- tissus voisins détruits
36/47
Plateforme d’évaluationPlateforme d’évaluation
• Type de mouvements simulables :- accidentels- périodiques
• Type de déformation applicable :- translation - élastique
37/47
Mouvements accidentelsMouvements accidentels
Cartographies de température
Sans correction de la thermométrie
Sans repositionnement du point focal
Correction thermométrie + position du point focal
40°C
0°C
20°C
14°C
2°C
8°C
Cartographies de dose thermique
1
0.1
0.5
Sens du mouvement : Amplitude : 14mm
38/47
Mouvements périodiquesMouvements périodiques
• temps entre mouvement/disponibilité de l’information :
• cycle respiratoire ~ 5s
=> Correction du mouvement en quasi-opposition de phase
Problématique :
- acquisition de l’image- transfert des données- analyse des données
~ 2 secondesvariable
39/47
Mouvements périodiquesMouvements périodiques
Anticiper le mouvement de la cible jusqu’à l’obtention de la prochaine information sur le mouvement
• Analyse préparatoire :
Période « type » du mouvement dominant
• Pendant l’intervention :
- localiser temporellement l’image en cours sur la période type
- anticiper le déplacement dominant jusqu’à la prochaine acquisition
- localiser la position réelle de la cible sur la période type
40/47
Précision de l’anticipation des Précision de l’anticipation des mouvements périodiquesmouvements périodiques
• Résultats obtenus :
Ecart-type(mouvement réel/appliqué)
Sans correction
Sans anticipation
Avec anticipation
Expérimental 4.76mm 7.54mm 0.33mm
41/47
Translation périodique le long d’un axeTranslation périodique le long d’un axe
1
0.1
0.5Cartographies de dose thermique
Sans correction de la thermométrie
Sans repositionnement du point focal
Correction thermométrie + position du point focal
Cartographies de température
40°C
0°C
20°C
14°C
2°C
8°C
Sens du mouvement : Amplitude : 14mm
42/47
Mouvements périodiquesMouvements périodiquesélastiquesélastiques
Mouvement global dominant anticipé ne caractérise pas le déplacement de la cible
Solution proposée :
Images anatomiques
Champs dedéplacements
• Analyse préparatoire : Stockage des champs de vecteurs dans l’atlas
• Pendant l’intervention :
- mouvement global dominant le plus proche recherché dans l’atlas
- sélectionner le champ de déplacement associé
43/47
Mouvements périodiques Mouvements périodiques élastiquesélastiques
Sans correction de la thermométrie
Sans repositionnement du point focal
Correction thermométrie + position du point focal
Cartographies de température
(T)
300°C
0°C
150°C
14°C
2°C
8°C
Cartographies de dose thermique
(DT)
1
0.1
0.5
DT DT
44/47
Asservissement spatial sur un Asservissement spatial sur un mouvement périodiquemouvement périodique
Cartographies de température
Sans mouvement
9°C
3°C
6°C
Evolution temporelle de la température
Avec mouvement
9°C
3°C
6°C
Sens du mouvement : Amplitude : 14mm
45/47
Cartographies de température initiale
Correction de la thermométrie
Correction : - Thermométrie - Point de tir - Asservissement spatial
Correction : - Thermométrie - Point de tir - Asservissement ponctuel
40°C
0°C
20°C
13°C
3°C
8°C
14°C
2°C
8°C
9°C
3°C
6°C
Résultats obtenusRésultats obtenus [Brevet CNRS septembre 2005] [ISTU2005]
Sens du mouvement : Amplitude : 14mm
46/47
ConclusionConclusion
1. Monitorage de la température sur organe mobile in-vivo
2. Guidage de l’hyperthermie locale démontrée sur muscle mobile ex-vivo
- Abdomen : meilleure précision et fiabilité de la thermométrie(réduction artefacts de respiration)
- Cœur : faisabilité de la thermométrie (écart-type de la température < 5°C sur 95% des pixels)
- Suivi des ultrasons focalisés
- Intégration dans le processus d’asservissement automatiques
Améliorations apportées :
- Analyse dynamique de données IRM : mesure de perfusion
- Estimation 3D du mouvement
- Mouvement des structures anatomiques faisant obstruction au chauffage (côte)
- Validation in-vivo des techniques
- Combinaison mouvements accidentels/périodiques
Perspectives :
Réalisé en temps réel
47/47
Brevet :« Dispositif de traitement thermique de tissus biologiques en Mouvement », CNRS déposé le 29 Septembre 2005.
Conférences internationales :Denis de Senneville B., Desbarats P., Quesson B., Moonen C. T. W., Real-Time Artefact Corrections For Quantitative MR Temperature Mapping. WSCG2003.
Denis de Senneville B., Desbarats P., Salomir R., Quesson B., Moonen C. T. W., Correction Of Accidental Patient Motion For On-line MR Thermometry, MICCAI 2004
Denis de Senneville B., Quesson B., Desbarats P., Salomir R., Palussière J., Moonen C. T. W., Atlas-Based Motion Correction For On-Line MR Temperature Mapping, IEEE, ICIP 2004
Denis de Senneville B., Quesson B., Desbarats P., Moonen C. T. W., 3D Motion Estimation For On-Line MR Temperature Mapping, IEEE, ICIP 2005
Journaux internationaux :Denis de Senneville B., Quesson B., Moonen C. T. W., Magnetic Resonance Temperature imaging, International Journal of Hyperthermia 2004.
Weidensteiner C., Kerioui N., Quesson B., Denis de Senneville B., Trillaud H., Moonen C. T. W., Stability of real-time MR temperature mapping in healthy and diseased human liver, J MagnReson Imaging. 2004
Salomir R., Denis de Senneville B., Moonen C. T. W., A fast calculation method for magnetic field inhomogeneity due to an arbitrary distribution of bulk susceptibility. Concepts in Magnetic Resonance, 2003