correction des mouvements pour la thermométrie temps réel guidée par irm

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

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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

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HyperthermieLocale

Cryothérapie

AlcoolisationChirurgie

Chimiothérapie

Tumeur

Techniques thérapeutiquesTechniques thérapeutiques

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Hyperthermie localeHyperthermie locale

IRM

Outils de chauffage :

RadiofréquencesLaser

Ultrasons focalisés

Organe à traiter

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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!

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Imagerie par IRMImagerie par IRM

A chaque unité de volume est associé un nombre complexe iMe

M

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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…

…

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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

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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]

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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 »

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• 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

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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

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3. La thermothérapie sur organes mobiles

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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]

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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]

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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

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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

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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]

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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3. La thermothérapie sur organes mobiles- Réduction des artefacts de thermométrie- Suivi de la cible- Intégration dans le processus d’asservissement

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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

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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

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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]

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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

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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]

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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

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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

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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

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Plateforme d’évaluationPlateforme d’évaluation

• Type de mouvements simulables :- accidentels- périodiques

• Type de déformation applicable :- translation - élastique

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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

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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

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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

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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

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Translation périodique le long d’un axeTranslation périodique le long d’un axe

1

0.1

0.5Cartographies de dose thermique





40°C

0°C

20°C

14°C

2°C

8°C


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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

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Mouvements périodiques Mouvements périodiques élastiquesélastiques





(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


Sans mouvement

9°C

3°C

6°C

Evolution temporelle de la température

Avec mouvement

9°C

3°C

6°C


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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]


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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

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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

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