Un Modèle numérique anthropomorphique et dynamique du thorax respirant et du coeur battant

par Rana Haddad

Thèse de doctorat en Images et systèmes

Sous la direction de Patrick Clarysse et de Isabelle Magnin.

Soutenue en 2007

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    Ce travail de thèse présente un modèle numérique anatomique et fonctionnel du thorax respirant et du cœur battant à partir d’acquisitions dynamiques en imagerie. Des images par Résonance Magnétique (IRM) cardiaques et thoraciques ont été acquises chez des volontaires sains selon un protocole pré-établi. Ces données ont ensuite été analysées pour construire le modèle. Le modèle proposé intègre une description de la topologie et de la géométrie 3D des structures cardiaques, vasculaires et thoraciques : les quatre cavités du cœur (ventricules gauche et droit, oreillettes gauche et droite), le myocarde, l’enveloppe péricardique, le système vasculaire (abouchement des principales veines et artères, réseau des coronaires), le contour extérieur du thorax (incluant peau, graisse et côtes), le contour intérieur du thorax (muscles), les deux poumons, la colonne vertébrale et la moelle épinière. L’animation réaliste du modèle anatomique statique repose sur une estimation en 3D du mouvement des structures au cours des cycles cardiaques et respiratoires par cascade de recalages non linéaires entre les images des séquences dynamiques. Le recalage non linéaire repose sur les déformations de formes libres et l’hypothèse de conservation de l’intensité au cours du mouvement. Nous avons alors procédé à l’imagerie virtuelle du modèle dynamique par deux simulateurs disponibles au laboratoire : le simulateur d’images par RM SIMRI et d’images TEP SORTEO (CERMEP, Lyon), selon des protocoles semblables à ceux utilisés pour l’obtention des images natives. L’ensemble résultant, composé du modèle anatomique, du modèle dynamique et des images simulées constitue un modèle numérique de référence du thorax respirant et du cœur battant. Son évaluation qualitative est présentée. Les caractéristiques principales du modèle proposé vis-à-vis des modèles existants sont sa richesse en structures et information et sa grande cohérence puisque les données utilisées pour l’élaboration du modèle proviennent du même sujet au cours d’une même séance d’acquisition. Un tel modèle peut constituer la base de l’évaluation de méthodes de traitement d’images cardiaques et thoraciques comme la segmentation d’images, l’estimation du mouvement ou le recalage d’images multimodalités. Il peut également être utilisé dans un cadre de formation médicale et d’entraînement aux gestes chirurgicaux.

  • Titre traduit

    An anthropomorphic and dynamic digital model of the breathing thorax and the beating heart


  • Résumé

    This work presents an anatomical and functional numerical model of the breathing thorax and the beating heart issued from dynamic imaging. Anatomical and functional cardiac and thoracic images were acquired in Magnetic Resonance Imaging (MRI) during the same examination on healthy volunteers according to a pre-established protocol. These data were then processed to build the model. The anatomical model integrates the geometry of the 3D cardiac, vascular and thoracic structures: four cavities of the heart (left and right ventricles, left and right atria), the myocardium, the pericardial envelope, the vascular system (junction of the main principal veins and arteries, coronary network), the external contour of the thorax (including skin, fat and ribs), the interior contour of the thorax (muscles), the two lungs, the spine and spinal cord. The realistic deformation of this static anatomical model, according to the heart and thorax motions, relies on estimated motions of the anatomical structures over cardiac and respiratory cycles. The motion estimator is based on successive 3D non rigid registrations (free form deformations based on B-Spline basis functions) in cine MR sequences for the heart motion, and three respiratory gated frames for the thorax motion. The so obtained dynamical model is then virtually imaged by two simulators: the MRI simulator SIMRI (Creatis, Lyon) and the PET simulator SORTEO (CERMEP, Lyon), according to protocols similar to those used for acquiring the native images. The resulting model, composed of the anatomical structures, the dynamic model and the simulated images constitutes a digital reference model of the breathing thorax and the beating heart. Its qualitative and partly quantitative evaluation is presented. The principal characteristics of the proposed model with respect to the existing models are its richness of structures and information and its great coherence since the data used for the development of the model come from the same subject during the same examination. Such a model can constitute a basis for the evaluation of cardiac and thoracic image processing algorithms such as image segmentation, motion estimation or multimodality image registration. It could also be used for computer aided medical training, e. G. To practice surgical gestures.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (163 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 152-163

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3194)
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