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Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG (20/10/2005), Christian Laugier (Dir.)
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Reconstruction 3D du bassin humain à partir d'images médicales multimodales incomplètes. Application à l'assistance de la chirurgie de la prothèse totale de la hanche (PTH).
Ligia Miriam Amavizca Ruiz1

Cette thèse se situe dans le cadre de la chirurgie de la prothèse totale de la hanche (PTH) assistée par ordinateur. Le but de ce travail est l'obtention d'un modèle 3D du bassin du patient à partir de données incomplètes.
Actuellement dans un processus conventionnel, la planification de la PTH se fait avec une radiographie tandis que les systèmes d'assistance chirurgicale de la PTH, utilisent un volume 3D du bassin construit à partir d'images médicales IRM, TDM ou Scanner. Néanmoins la reconstruction du volume 3D s'avère limitée par plusieurs facteurs : (i) le temps d'attente de rendez vous pour l'examen de ce type est trop long, (ii) les appareils sont peu accessibles pour les cliniques, (iii) la difficulté de la segmentation automatique pour l'obtention du volume 3D et (iv) l'impossibilité de l'exposition aux études IRM, Scanner ou TDM pour certains patients.
A partir de cette problématique, ce travail de thèse apporte deux contributions principales :
– une étude des principales caractéristiques du bassin et du fémur utiles pour la reconstruction d'un modèle 3D,
– une méthodologie pour l'obtention d'un volume 3D du bassin à partir d'une radiographie et quelques images échographiques.
La méthode proposée est composée de trois étapes : (i) obtention des données radiographiques et échographiques du bassin du patient, (ii) inférence de l'atlas du bassin du patient et (iii) obtention du modèle 3D par la déformation d'un maillage s'adaptant à l'atlas inféré. Dans ce travail un atlas est constitué par un ensemble de points caractéristiques du bassin. Pour résoudre les problèmes liés à la représentation d'un atlas générique, à l'inférence et au traitement de l'information des données radiographiques et échographiques nous avons fait appel aux techniques bayésiennes.
1:  IMAG-INRIA Rhône-Alpes / GRAVIR - E-MOTION
Reconstruction 3D – volume du bassin – pelvis – Prothèse Totale de la Hanche – PTH – chirurgie assistée par ordinateur – GMCAO – atlas probabiliste du bassin – modèle bayésien du bassin – modèle générique du bassin – images médicales multimodales – système bayésien

3D human hip volume reconstruction with incomplete multimodal medical images. Application to computer assisted surgery of total hip prosthesis (THP).
This research topic is related to the previous Sharp team project. It will be ended at the end of 2005 (with the Miriam Amavizca's ph-D). This year, a paper related to our previous work on the dynamic and interactive simulation applied to an echographic medical procedure, has been published in a medical journal.

We have worked in computer aided surgery for the Total Hip Prosthesis (THP) in collaboration with Aesculap-BBraun. The aim of the project is to obtain a CT/MRI-free 3D volume generation of the hip for preoperative planning and navigation, and operative guidance for a normal hip. The approach is to obtain an approximation of the real 3D hip volume of the patient by deforming a nominal 3D hip mesh. The deformation consists in driving a set of control points on the hip mesh, in order to match specific positions (atlas hip) provided by 2D radiographic data and 3D echographic data of the patient. Our goal is to use the obtained 3D volume for the preoperative planning and navigation. In the preoperative planning the 3D hip volume will allow the surgeon to select the prosthesis type(size and form) and position. The 3D volume will be used to guide the surgeon in the prosthesis implantation providing the 3D position and orientation of the patient's hip and of the surgical tools.

In 2005, we have made two main contributions to this approach :
* a study of the exploitable characteristics of hip and femur for 3D model reconstruction,
* a methodology for 3D hip volume reconstruction using minimally invasive imagining techniques: a single radiographic image (2D data) and a few echographic images (3D data).

We have defined the set of the selected caracteristic hip points as an ``probabilistic atlas'' of the hip. This atlas is then used for the above mentionned 3D hip volume reconstruction method. The method consists of three main stages : (i) data acquisition of the radiographic and echographic images of the patient hip, (ii) inference of the hip atlas of the patient and (iii) 3D hip volume reconstruction using a mesh deformation mechanism exploiting the data given by the atlas and by the medical images. These stages pose different problems related to the representation of the generic atlas of the hip, to the inference process, and to the radiographic and echographic data processing. To solve this problematic we have used Bayesian techniques. This is detailed in the thesis of Miriam Amavizca .

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