lazar bibin, jérémie anquez, tamy boubekeur, elsa angelini ... · lazar bibin, jérémie anquez,...

45
Lazar Bibin, Jérémie Anquez,Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid Hadjem, Joe Wiart Orange Labs R&D , Workshop on Anatomical Models, 16‐17 june 2009 1

Upload: others

Post on 02-Oct-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

LazarBibin,JérémieAnquez,TamyBoubekeur,ElsaAngelini,IsabelleBlochTélécomParisTech,CNRSLTCIAbdelhamidHadjem,JoeWiartOrangeLabsR&D

,WorkshoponAnatomicalModels,16‐17june20091

Page 2: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Electromagneticfields

  Topics:StudyingtheinteractionbetweenEMwavesfromcellularphonesorWiFisystemsandthetissueswithinthehumanbody.

  Withnewtechnologiesandhabits:  Exposureofchildrenandfoetuseshasbecomean

importantquestion(WHO).

  Toassessexposurewithinthebody,weneed:  Numericalsimulations(dosimetry)  Realistichumanmodelsofadults,children,

foetuses…

2

Page 3: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Dosimetry:Numericalmethods  Overthepast15years,severalstudies

havebeenperformed:  NumericalmethodsforsimulationofEMwaves

propagationinhumantissues.  Creationofheadandwholebodymodels.

  Dosimetrysimulationsgetfasterandmorecomplex:  FDTDdiscretizationmethods.  GPU‐basedimplementations.  Multi‐coreprocessors.  Headmodelwith1mmresolution:9millionsofcells(10

minutesforrunning).  Wholebodywith2mmresolution:60millionsofcells(2h

ofrunningtimes).

3

Page 4: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Dosimetry:Exposurecomputation

  Physicalvalues:E,Hbutalsothespecificabsorptionrate(SAR).

  TheSAR:  characterizesthepowerdepositedintissues  quantifiestheabsorbedpowerpermassunit(W.kg‐1)  isoftenaveragedoverthewholebodyoroverasmallmass(1or10g)

  islinkedtotheelectricfield.

4

Page 5: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Dosimetry:SARmeasure

where  σisthesampleelectricalconductivity(S.m‐1)  ρisthemassdensity(kg.m‐3)  Eisthespatialmagnitudeoftheelectricfield(V.m‐1).

5

Page 6: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Dosimetry:resolutionneeded

  SARapproximation:  1goftissuesisacubehavingedgesof1cm.  2mmresolutiontoestimateSARintissuesisacceptable.

Page 7: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

HumanBodyModels:Background

  Onlyfewwhole‐bodymodelsofadultswereproposed.

  Evenfewerchildrenmodels…  Foetusmodelsarerare.  Difficulties:

  Berealistic.  Berepresentative.  Basedonrealdata…

7

Page 8: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Previouswork…

Page 9: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:RPI

Page 10: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:KATJA

Page 11: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:MedicalImages  3Dultrasound(US)images

  PortRoyalandBeaujonhospitals(Paris,France).  18datasets.  Embryosatdifferentgestationalagesduringthefirsttrimester.

  Spatialresolution:isotropic&sub‐millimetric.

  3DMRIimages  SaintVincentdePaulhospital(Paris,France).  22datasets.  Largefieldofview,fastacquisition  Foetushave30to34WA.

  Spatialresolution:1×1×4mm3.11

Page 12: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Utero‐foetalunitsegmentation

12

  Automaticsegmentation:  Statisticaldistributionsofintensitiesintegratedinadeformablemodel(US).

  Morphologicalinformationandspatialpositioningofthestructures(MRI)

  Manualsegmentation:  Free‐softwaretools:

  MIPAV(http://mipav.cit.nih.gov/)  Slicer(www.slicer.org)

AnquezJ,AngeliniE,BlochI(2009)“AutomaticsegmentationofheadstructuresonfetalMRI”.ISBI’09,Boston,USA,.

AnquezJ,AngeliniE,BlochI(2008)“SegmentationofFetal3DUltrasoundImagesbasedonStatisticalPriorandDeformableModel”.ISBI’08pages17‐20,Paris,France

Page 13: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Segmentationon3DUSdata

13

Page 14: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Tissuelabelling

14

Page 15: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Surfacereconstruction

15

Page 16: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:SegmentationonMRI

16

Page 17: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Tissuelabeling

17

Page 18: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Smoothingfoetussurface  AnisotropicMRI(1x1x4mm3)staircaseeffects.

  Incompatibilitywithdosimetrystudiesthatrequiresmoothandisotropicobjects.

  Gaussianfilteringofthesegmentedobjectstoreducethiseffect.

18

Page 19: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:GaussianFilteringofSurfaces

19

Page 20: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Point‐basedsurfacereconstruction

  Generationofatriangularmeshfroma3Dpointset

  P:Pointsetasasurfacesampling  Position  Normal

  Superiorsurfacequality  Intensivelyusedincomputergraphicsapplications

20

Page 21: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

1.  Samplingasurfacefromthesegmentedvolumedata,byextractingasetofpoints.

2.  Evaluatenormalvectors.

3.  Filterthepointset,toeliminate:1.  Smallscalehighfrequencynoise.2.  Outliers.

4.  Extractameshviacontouring

21J. Anquez, T. Boubekeur, L. Bibin, E. Angelini and I. Bloch. Utero-fetal unit and pregnant woman modeling using a computer graphics approach for dosimetry studies. MICCAI, London, UK, September 2009.

PregnantWomenModels:Point‐basedsurfacereconstruction

Page 22: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Pointsetextraction

  pi:supervisedsegmentation.  ai:vectorassociatedtopitodefinetheexteriororientation(off‐constraint).  Dilationoftheinitialsegmentedobject.

22

ai

dilation pi

Page 23: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:PointSetNormalEvaluation

  NormalOrientation:LocalPrincipleComponentAnalysisperpointsample[Hoppe92]  Covariancematrixonk‐nearestneighbourhoods.

  Eigenvectorassociatedtothesmallesteigenvalue.

  Direction:decidedwiththeoff‐constraint

23

pointspi normals ni

Page 24: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:PointSetSurface(PSS)

  Definition:Smoothsurfacerepresentationfromapointcloud.

  Operator:MovingLeastSquare(MLS).  Properties:Approximatingorinterpolatingasetofpointstodefineacontinuoussurface.

  Evaluation:  Projectionprocedurethatleadstosurfacepoints(stationarypoints)

  Implicitform(f(p)=0).24

Page 25: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:MLSoperator

25

q

Hq

Π (q)

Wendland’s Quartic kernel

Projection operator

Page 26: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:PointSetFiltering

  Noiseremoval:MLSprojectiondirectlyappliedoninputsamples.

  Outlierremoval:iterativemethodbasedonthePlaneFitCriterion[Weyrich2003]

  Criterionbasedonvarianceofprojectiondistancesonlocalaverageplane

  Iterativeoutliersearchoveraquadraticdecreasingbound

26

Page 27: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Surfacemeshing

  Generalcase:  ImplicitPSS  Contouredbymarchingcubes

  Incaseoflargemissingareas:  PoissonSurfaceReconstruction[Kazhdan2006]

27

Page 28: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Results

28

Our reconstruction Direct Meshing

Page 29: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Foetalorgans

29

Brain

Eyes

Heart

Lungs

Stomach

Kidneys

Urinary bladder

Page 30: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Foetuspositioning  Onlypartialinformationonthemotherbody

syntheticwomanmodel(Dazstudio©)

  Deformationstofittheabdominalpartpartiallyvisibleonimagingdata(FFDlattice).

  Insertionandpositioningofthefoetus(validatedbymedicalexperts).

30

Page 31: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Womanbodydeformations

31

Page 32: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Womanbodydeformations

32

Page 33: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Foetuspositioning

33

Page 34: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Setofmodels

  4pregnantwomenwithembryossegmentedfromUSimagesat8,9,10and13WA.

  5pregnantwomenwithfoetusessegmentedfromMRIimagesat30,32,32,33and34WA(variousrepresentativepositions).

34

Page 35: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Results

35

13 WA 35 WA

Page 36: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Voxelizedmodel  Resolution:2x2x2mm3.

  Onelabelforeachtissue.

36

Page 37: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

PregnantWomenModels:Armature  Allowarbitraryfoetalpositions.  Unrealisticdeformations.  Automaticfoetalsegmentationfromageneric

model.

37

Page 38: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Dosimetry:Preliminaryresults

foetalage(weekofamenorrhea) 30 32 32 33 34.5

WholebodySAR(mW/kg/1W/m²)(foetus)

1 1.6 2 1 1.1

RatiowholebodySAR(foetus/pregnantwomen) 0.16 0.25 0.31 0.18 0.18

Ratio10gSAR(foetus/pregnantwomen) 0.026 0.028 0.042 0.033 0.025

MaximumSARover10g(foetus)mW/kg 5.8 7.8 10.7 8.1 6.2

Exposition: Planar frontal wave, Vertical polarization, Frequency: 900 MHz

E

38

L. Bibin, J. Anquez, A. Hadjem, E. D. Angelini, J. Wiart and I. Bloch. Dosimetry studies on a fetus model combining medical image information and synthetic woman body. 11th World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Munich, Germany, September 2009.

Page 39: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Dosimetry:otherstudies

Page 40: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

SARvstissues:Multilayersmodel

PregnantWomenModels:Preliminarydosimetrystudies

Page 41: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

ValidityofanHomogeneousmothermodel

  WhatistheinfluenceofthemotherhomogenizationonthefoetusSAR?

  Testmodels  Heterogeneousadultmodel  Homogenizationoftissuesexcepta

ROI(shapeoffetus34.5s)

  Testwave  Planewave  E=1V/m,F=900MHz

PregnantWomenModels:Preliminarydosimetrystudies

Page 42: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Model WBSARμW/kgVH+Foetus

WBSARμW/kgFoetus

RatioWBSAR(VH+foetus)/foetus

VH(heterogeneous)&foetalROI(heterogeneous)

7.6 2.7 36%

VH(homogeneous)&foetalROI(heterogeneous)

6.1 0.8 13%

VH(homogenous)&foetus(heterogeneous)

6.2 0.8 13%

VH(skin+homogenous)&foetalROI(heterogeneous)

6.1 0.8 13%

VH(skin+homogenous)&foetus(heterogeneous)

6.1 0.9 15%

Victoria(homogenous)&foetus(real)

16 3.0 19%

NAOMI(heterogeneous)&foetus(real)

11 4.3 39%

  With a plane wave exposure, the homogenization (of the mother tissues) induces an underestimation of the foetus exposure

  Is it possible to have an equivalent tissues valid for the whole body?

  Is it possible to locally characterize the mother tissues?

PregnantWomenModels:Preliminarydosimetrystudies

Page 43: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

HumanBodyModels:Preliminarydosimetrystudies

  Animalstudies:variationofthedielectricpropertieswiththeage

Page 44: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Conclusions

  Wehavedevelopedmodelsofpregnantwomenwithdetailedutero‐foetalunits:  atdifferentperiodsofthegestation,  indifferentpositions,  validatedbymedicalexperts!

  DosimetrysimulationsofSARmeasurementsshowthat:  Globalandlocalexposuresofthefoetusaremuchlowerthanforthemother.

  Foetalexposuredependsofthefoetalposition!44

Page 45: Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini ... · Lazar Bibin, Jérémie Anquez, Tamy Boubekeur, Elsa Angelini, Isabelle Bloch Télécom ParisTech, CNRS LTCI Abdelhamid

Thankyouforyourattention.

FEMONUMproject:http://www.tsi.enst.fr/~anquez/Pages/femonum.html

Contacts:Lazar.bibin@telecom‐paristech.frelsa.angelini@telecom‐paristech.frjoe.wiart@orange‐ftgroup.com

45