Reduced order and sparse representations for patient-specific modeling in computational surgery

par Nathan Lauzeral

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Francisco Chinesta.

Soutenue le 13-12-2019

à l'Ecole centrale de Nantes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Institut de Calcul Intensif (Nantes) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Représentations d’ordre réduit et parcimonieuses pour la modélisation personnalisée des patients dans le cadre de la chirurgie computationnelle


  • Résumé

    Cette thèse a pour but d’évaluer l'utilisation des méthodes de réduction de modèles fondées sur des approches parcimonieuses pour atteindre des performances en temps réel dans la cadre de la chirurgie computationnelle. Elle se concentre notamment sur l’intégration de la simulation biophysique dans des modèles personnalisés de tissus et d'organes afin d'augmenter les images médicales et ainsi éclairer le clinicien dans sa prise de décision. Dans ce contexte, trois enjeux fondamentaux sont mis en évidence. Le premier réside dans l'intégration de la paramétrisation de la forme au sein du modèle réduit afin de représenter fidèlement l'anatomie du patient. Une approche non intrusive reposant sur un échantillonnage parcimonieux de l'espace des caractéristiques anatomiques est introduite et validée. Ensuite, nous abordons le problème de la complétion des données et de la reconstruction des images à partir de données partielles ou incomplètes via des à priori physiques. Nous explorons le potentiel de la solution proposée dans le cadre du recalage d’images pour la réalité augmentée en laparoscopie. Des performances proches du temps réel sont obtenues grâce à une nouvelle approche d'hyper-réduction fondée sur une technique de représentation parcimonieuse. Enfin, le troisième défi concerne la propagation des incertitudes dans le cadre de systèmes biophysiques. Il est démontré que les approches de réduction de modèles traditionnelles ne réussissent pas toujours à produire une représentation de faible rang, et ce, en particulier dans le cas de la simulation électrochirurgicale. Une alternative est alors proposée via la métamodélisation. Pour ce faire, nous étendons avec succès l'utilisation de méthodes de régression parcimonieuses aux cas des systèmes à paramètres stochastiques.


  • Résumé

    This thesis investigates the use of model order reduction methods based on sparsity-related techniques for the development of real-time biophysical modeling. In particular, it focuses on the embedding of interactive biophysical simulation into patient-specific models of tissues and organs to enhance medical images and assist the clinician in the process of informed decision making. In this context, three fundamental bottlenecks arise. The first lies in the embedding of the shape parametrization into the parametric reduced order model to faithfully represent the patient’s anatomy. A non-intrusive approach relying on a sparse sampling of the space of anatomical features is introduced and validated. Then, we tackle the problem of data completion and image reconstruction from partial or incomplete datasets based on physical priors. The proposed solution has the potential to perform scene registration in the context of augmented reality for laparoscopy. Quasi-real-time computations are reached by using a new hyperreduction approach based on a sparsity promoting technique. Finally, the third challenge concerns the representation of biophysical systems under uncertainty of the underlying parameters. It is shown that traditional model order reduction approaches are not always successful in producing a low dimensional representation of a model, in particular in the case of electrosurgery simulation. An alternative is proposed using a metamodeling approach. To this end, we successfully extend the use of sparse regression methods to the case of systems with stochastic parameters.


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