IMAGERIE MÉDICALE ET SIMULATION NUMÉRIQUE DE L HÉMODYNAMIQUE INTRA-CARDIAQUE Franck Nicoud Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck Université de Montpellier
UN TRAVAIL COLLABORATIF o R. Moreno (physicien médical, CHU Toulouse) o H. Rousseau (PUPH CHU Toulouse) o S. Mendez (CR IMAG) o C. Chnafa (Université de Toronto) o M. Chau (Advanced Solutions Accelerator) o S. Nottin (Université d Avignon) o I. Schuster (MCUPH CHU Nîmes) 15/10/2015 Séminaire IMAGE 2
UNE LONGUE HISTOIRE THÈSE R. MORENO IMAG/CHU TOULOUSE (2004-2007) ANR OCFIA - OPTIMISED COMPUTATIONAL FUNCTIONAL IMAGING FOR ARTERIES - CALCUL INTENSIF ET SIMULATION (2008-2011) THÈSE DE C. CHNAFA IMAG (2010-2014) COLLABORATION CHU/CARDIATIS/IMAG (2014- ) 15/10/2015 Séminaire IMAGE 3
CONTEXTE IMAGERIE MÉDICALE PLUS SOUVENT MORPHOLOGIQUE QUE FONCTIONNELLE o E.g.: longueur + diamètre + forme d une artère ou d un ventricule DÉCISION THÉRAPEUTIQUE SOUVENT BASÉE SUR DES CRITÈRES INCOMPLETS o E.g.: anévrisme dangereux si diamètre > x mm; sténose à traiter si restriction > y % DONNÉES BIOMÉCANIQUES?? flux sanguin, pression, contraintes, 15/10/2015 Séminaire IMAGE 4
CONTEXTE DES TECHNIQUES D IMAGERIE FONCTIONNELLE POUR LES ARTÈRES EXISTENT MAIS o souffrent encore d un manque de résolution spatiale/temporelle E.g.: IRM par contraste de phase : > qqs mm o ne donnent pas accès à la pression (sauf invasif) UNE ALTERNATIVE PROPOSÉE DANS LES ANNÉES 90 EST DE CONSTRUIRE NUMERIQUEMENT L ÉCOULEMENT SANGUIN PLUTÔT QUE DE LE MESURER 15/10/2015 Séminaire IMAGE 5
L IDÉE GÉNÉRALE AORTE ASCENDANTE/DESCENDANTE: CT scan 4D superposé avec une reconstruction numérique de l écoulement R. Moreno - CHU Toulouse www.ocfia.org MAILLAGE DE DISCRÉTISATION FROTTEMENT PARIÉTAL Et en pratique, comment fait-on?? VITESSE VERTICALE NORME DE LA VITESSE 15/10/2015 Séminaire IMAGE 6
CAS D UNE GÉOMÉTRIE FIXE SEGMENTATION SEGMENTATION SUR UNE PILE D IMAGES RECONSTRUCTION 3D MÉCANIQUE DES FLUIDES NUMÉRIQUE (CDTS LIMITES, RHÉOLOGIE, TURBULENCE, ) Maillage 3D 15/10/2015 Séminaire IMAGE 7
GÉOMÉTRIE VARIABLE LA GÉOMÉTRIE DES ARTÈRES OU DU CŒUR ÉVOLUE AU COURS DU CYCLE CARDIAQUE L IMAGERIE 4D PHASÉE SUR L ÉLECTRO-CARDIOGRAMME PERMET DE REPRODUIRE CES CHANGEMENTS GÉOMÉTRIQUES EN PRATIQUE, 10-20 IMAGES PAR CYCLE CARDIAQUE (RÉSOLUTION MARGINALE) Nécessite un maillage 4D et non plus 3D 15/10/2015 Séminaire IMAGE 8
GÉNÉRATION DU MAILLAGE 4D T0 T1 Phase 0 Mesh 0 Phase 1 Mesh 1 Phase 2 Mesh 2 T0 PAS LE BON NOMBRE DE MAILLES T1 15/10/2015 Séminaire IMAGE 9
CROSSE AORTIQUE: EFFET WINDKESSEL GÉOMÉTRIE FIXE pas de délai entre entrée et sortie GÉOMÉTRIE VARIABLE Effet de stockage du sang générant un délai entre entrée et sortie PETITES VARIATIONS GEOMETRIQUES, GROS EFFETS HEMODYNAMIQUES!!! 15/10/2015 Séminaire IMAGE 10
PHASE-TO-PHASE MAPPING THE SOLUTION IS OBVIOUSLY NOT UNIQUE THE TRANSFORMATION SHOULD BE ONE-TO-ONE THE TRANSFORMATION IS NOT LINEAR; IN THE MOST GENERAL CASE IT IS REPRESENTED BY A 3D FIELD OF DISPLACEMENT VECTORS AN APPROPRIATE ALGORITHM WAS PROPOSED FOR ANALYZING BRAIN IMAGES: Statistical Parametric Mapping For details see http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/ 15/10/2015 Séminaire IMAGE 11
DETERMINING THE PROPER MAPPING A GOOD CANDIDATE FOR T x IS SUCH THAT: 1. Once transformed, the source image matches the target one: F = I s T(x) I t (x) 2 dω 2. The Jacobian of T x is as close to unity as possible: G = J + J 1 2 dω THE MAPPING T x IS OBTAINED BY MINIMIZING: F + G 15/10/2015 Séminaire IMAGE 12
APPLICATION TO A REALISTIC HUMAN LEFT HEART THE METHODOLOGY WAS ADAPTED TO THE CASE OF THE INTRA-CARDIAC FLOWS DURING THE THESIS OF C. CHNAFA AT IMAG (2014) MUCH MORE COMPLEX SITUATION PROVIDE NEW TYPE OF HIGH RESOLUTION DATA MORE DETAILS HERE: http://www.math.univ-montp2.fr/~yales2bio/ 15/10/2015 Séminaire IMAGE 13
MORE DETAILS www.ocfia.org et www.math.univ-montp2.fr/~yales2bio/ Chnafa, Mendez & Nicoud, Image-based large-eddy simulation in a realistic left heart, Comp. Fluids, Vol. 94, pages 173-187, 2014. Chnafa, Mendez, Moreno & Nicoud, Using image-based CFD to investigate the intracardiac turbulence, In "Modeling the Heart and the Circulatory System" Ed. A. Quarteroni. Springer MS&A, Vol. 14, 2015. Midulla et al., Haemodynamic imaging of thoracic stent-grafts by computational fluid dynamics (CFD): presentation of a patient-specific method combining magnetic resonance imaging and numerical simulations. European Radiology, 22(10), 2094-2102, 2012 Midulla et al., Impact of Endografting on the Thoracic Aortic Anatomy: Comparative Analysis of the Aortic Geometry before and after the Endograft Implantation, CardioVascular and Interventional Radiology, Springer Verlag (Germany), 2014, 37 (1), pp.69-76. Any questions? 15/10/2015 Séminaire IMAGE 14