Toward real-time simulation of aneurysm coil embolization using the discrete exterior calculus method

par Yiyi Wei

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Stéphane Cotin et de Songde Ma.

Soutenue le 26-03-2012

à Lille 1 en cotutelle avec l'Institute of Automation (Pékin) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire d'informatique fondamentale de Lille (LIFL) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Vers la simulation temps-réel de l’embolisation d’un coil dans un anévrisme par l’utilisation de la méthode du calcul extérieur discret


  • Résumé

    Des progrès remarquables ont été réalisés ces dix dernières années dans le traitement des anévrismes endovasculaires. Les avancées technologiques permettent de traiter un nombre croissant de patients atteints d’anévrismes cérébraux par différentes procédures endovasculaires, en particulier par l’utilisation de coils détachables en platine. L’embolisation vasculaire à l’aide de coils reste néanmoins une procédure médicale complexe qui requiert une planification minutieuse est associée à des compétences techniques avancées pour être réussie. Dans ce contexte, un système de planification informatique qui permet aux radiologistes interventionnels de choisir différents coils et de tester leur comportement dans un environnement spécifique à un patient est particulièrement pertinent. Une telle approche nécessite, outre la modélisation du flux sanguin et la déformation du coil dans un anévrisme, la simulation en (quasi) temps-réel des interactions entre les coils et le flux complexes qui sont présents dans l’anévrisme. Pour parvenir à une simulation précise et rapide, nous introduisons la méthode du calcul extérieur discret (DEC) pour la simulation dynamique. La méthode DEC, initialement introduite en informatique graphique, avait pour objectif de produire des résultats visuellement convaincants mais non physiquement corrects. Nous avons réalisé une analyse détaillée des résultats et une comparaison à l’aide d’un code de calcul de référence a été menée pour comprendre la précision, la stabilité et la complexité algorithmique ainsi que les facteurs qui influencent ces aspects. Nous avons amélioré la stabilité numérique de la méthode DEC par l’utilisation de schémas de retour-arrière avancés et en optimisant la qualité des maillages utilisés dans le calcul. De plus, un compromis optimal entre la précision et le temps de calcul est choisi afin de simuler le flux sanguin de manière très rapide (quasiment temps-réel). En utilisant cette nouvelle approche, nous décrivons également un processus complet pour la simulation propre à chaque patient d’une opération d’embolisation: de la génération de maillages à l’aide d’images médicales jusqu’à au calcul de l’influence réciproque sang-coil. Nous proposons une nouvelle approche en deux phases pour la simulation temps-réel de ces interactions, premièrement en prenant en compte l’influence du flux sanguin sur les premières étapes du déploiement du coil, et deuxièmement en diminuant la vitesse du sang dans l’anévrisme résultant de la densité des coils. Cette approche permet une planification interactive de l’embolisation pour deux étapes clés de la procédure: choix et positionnement du coil suivi d’une estimation du nombre de coils à introduire pour réduire la vélocité du sang dans l’anévrisme. La procédure d’embolisation est simulée en temps-réel dans des anévrismes obtenus à partir de données patients et le status pré et post opératoire est enregistré. Nos résultats de simulations démontrent que l’influence réciproque est essentielle dans le contexte de planification d’embolisation. Enfin, nous proposons une approche préliminaire pour la simulation de l’interaction sang-réseau vasculaire lors de la formation d’un anévrisme. Les résultats de la simulation 2D en utilisant des données patients sont encourageants.


  • Résumé

    Over the last decade, remarkable progress has been made in the field of endovascular treatment of aneurysms. Technological advances continue to make it possible for a growing number of patients with cerebral aneurysms to be treated with a variety of endovascular strategies, essentially using detachable platinum coils. Yet, coil embolization remains a very complex medical procedure for which careful planning must be combined with advanced technical skills in order to be successful. In this context, a computer-assisted planning system, allowing interventional radiologists to interactively select different coils and test their behavior in a patient-specific environment, could make a difference. This requires to not only model the blood and coil behavior in a patient-specific aneurysm geometry, but also to simulate the interaction between coil(s) and the complex flow occurring within aneurysm in (near) real time. In order to achieve accurate and fast simulation, we introduce the Discrete Exterior Calculus (DEC) method to hemodynamic simulation for the first time. The DEC method, initially introduced in the field of computer graphics, was aimed at visually convincing results, but not physical accuracy. A detailed analysis of the results and comparison with a reference software are performed to understand the accuracy, stability and computational efficiency of the method, as well as the factors affecting these aspects. We improve the numerical stability of the DEC method by using more advanced backtracking schemes, and more importantly by optimizing quality of the mesh used in the computation. Additionally, an optimal trade-off between accuracy and computational time is obtained to simulate the blood flow in (near) real time. Based on this new method for blood flow simulation, we describe a complete process for patient-specific simulation of aneurysm coil embolization, from mesh generation with medical datasets to computation of blood-coil bilateral influence. We propose a new approach to real-time simulation of the twofold interactions, first involving the impact of blood flow on the coil during the initial stages of its deployment, and second concerning the decrease of blood velocity within aneurysm, as a consequence of coil packing. This allows dynamical planning coil embolization for two key steps in the procedure: choice and placement of the first coil, and assessment of the number of coils necessary to reduce the blood velocity within aneurysm. The coil embolization procedure is simulated within patient-specific aneurysms in real time, and pre- and post-operative status is reported. Our simulated results demonstrated that the bilateral influence is essential in the context of planning the coil embolization surgery. Besides, we propose a preliminary framework for the simulation of blood-vessel interaction during the process of aneurysm growth. The results of the two-dimensional simulation using actual patients data sets is encouraging.


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