Brain shift compensation in image-guided neurosurgery based on 3-D ultrasound

Méthode de compensation des déformations cérébrales par imagerie ultrasonore intraopératoire pour la neurochirurgie guidée par l'image

Pierrick Coupé (1)

1 VisAGeS - Vision, Action et Gestion d'informations en Santé

This thesis deals with the compensation of brain deformations which occur during neurosurgical procedures. Neuroavigation systems have become a very attractive tool in surgical planning and procedure. However, the accuracy and usefulness of such systems are limited in presence of soft-tissue deformations. In neurosurgery, this phenomenon is called ``brain shift''. At present, the compensation of the ``brain shift'' is one of the most important challenge in image-guided neurosurgery. The contribution of this thesis deals with non rigid registration between intraoperative ultrasound images and preoperative magnetic resonance images (MRI). In order to achieve this multimodal non rigid registration, several processes are described in this manuscript. First, a new method for 3D reconstruction of freehand ultrasounds is presented. Based on the incorporation of the probe trajectory during the interpolation step, this approach allows to improve the reconstruction quality. Then, a study on the non local means denoising filter is proposed. This contribution is twofold: the improvement of the denoising quality with a reduction of the computational time, and the adaptation of this filter to the speckle. Finally, a new framework for multimodal registration of ultrasound images and MRI is presented. Based on the probability for a voxel to be include in a hyperechogenic structure, this framework allows to achieve a robust and accurate registration. All these processes are integrated into an automatic workflow to compensate for brain shift. First results obtained on four real data sets are presented,

Cette thèse aborde le problème de la compensation des déformations cérébrales survenant au cours des opérations neurochirurgicales. Ces déformations des structures cérébrales dégradent la précision des systèmes de neuronavigation, ce qui limite leur utilisation tout au long de la procédure neurochirurgicale. La compensation de ces déformations est aujourd'hui l'un des enjeux majeurs de la neurochirurgie guidée par l'image. La méthode proposée repose sur le recalage non rigide d'images échographiques intraopératoires de type main libre et d'images préopératoires obtenues par résonance magnétique nucléaire (RMN). Afin de réaliser ce recalage non rigide multimodal, un processus incluant différents traitements est détaillé dans ce manuscrit. Tout d'abord, une nouvelle méthode de reconstruction tridimensionnelle des images échographiques de type main libre est présentée. Puis, un travail portant sur le filtre de débruitage des moyennes non locales est proposé. Ce travail aborde deux aspects: l'amélioration de la qualité du débruitage avec une réduction du temps de calcul d'une part, et l'adaptation de ce filtre aux caractéristiques du chatoiement présent dans les images ultrasonores d'autre part. Finalement, une nouvelle approche du problème de recalage des images ultrasonores et des images obtenues par RMN est décrite. Ces différents traitements sont integrés au sein d'une chaîne entièrement automatique de compensation des déformations cérébrales. Les premiers résultats obtenus sur les images de quatre patients sont présentés à la fin de ce document.

Mots clés: neurosurgery; brain shift; freehand ultrasound; image denoising; <br />image registration; three-dimensional reconstruction

Mots clés: neurochirurgie; deformations cerebrales; echographie de type main libre; restauration d'image; recalage d'image; reconstruction tridimensionnelle

Domaines: Traitement du signal et de l'image [eess.SP]; Interface homme-machine [cs.HC]; Ingénierie biomédicale

Pierrick Coupé. Brain shift compensation in image-guided neurosurgery based on 3-D ultrasound. Signal and Image processing. Université Rennes 1, 2008. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00328179⟩