Introducing interactive inverse FEM simulation and its application for adaptive radiotherapy

Eulalie Coevoet (1) , Nick Reynaert (2) , Eric Lartigau (2) , Luis Schiappacasse (2) , Jérémie Dequidt (1, 3) , Christian Duriez (1, 4)

1 SHACRA - Simulation in Healthcare using Computer Research Advances
2 UNICANCER/Lille - Centre Régional de Lutte contre le Cancer Oscar Lambret [Lille]
3 Université de Lille, Sciences et Technologies
4 LIFL - Laboratoire d'Informatique Fondamentale de Lille

We introduce a new methodology for semi-automatic deformable registration of anatomical structures, using interactive inverse simulations. The method relies on non-linear real-time Finite Element Method (FEM) within a constraint-based framework. Given a set of few registered points provided by the user, a real-time optimization adapts the boundary conditions and(/or) some parameters of the FEM in order to obtain the adequate geometrical deformations. To dramatically fasten the process, the method relies on a projection of the model in the space of the optimization variables. In this reduced space, a quadratic programming problem is formulated and solved very quickly. The method is validated with numerical examples for retrieving Young's modulus and some pressures on the boundaries. Then, we apply the approach for the registration of the parotid glands during the radiotherapy of the head and neck cancer. Radiotherapy treatment induces weight loss that modifi es the shape and the positions of these structures and they eventually intersect the target volume. We show how we could adapt the planning to limit the radiation of these glands.

Nous introduisons une nouvelle méthode de recalage déformable semi-automatique de structures anatomiques, à l'aide de simulations inverses interactives. La méthode est basée sur la méthode des éléments finis(FEM) et revient à résoudre un système de contraintes. Etant donné un ensemble de quelques points fournies par l'utilisateur, une optimisation en temps réel adapte les conditions aux limites et(/ou) des paramètres de la FEM dans le but d'obtenir les déformations géométriques adéquates. Pour accélérer les calculs de manière conséquente, la méthode repose sur une projection du modèle dans l'espace des variables d'optimisation. Dans cet espace réduit, un problème de programmation quadratique est formulé et résolu très rapidement. La méthode est validée par des exemples numériques (récupérer le module de Young et des pressions à appliquer sur le modèle). Ensuite, nous appliquons l'approche pour le recalage des glandes parotides pendant la radiothérapie de la tête et du cou. Un traitement de radiothérapie induit généralement une perte de poids chez le patient qui modifie la forme et la position de ces structures. Structures qui finissent par entrer dans le volume cible. Nous montrons comment nous pourrions adapter la planification afin de limiter le rayonnement de ces glandes.

Domaines: Modélisation et simulation

Eulalie Coevoet, Nick Reynaert, Eric Lartigau, Luis Schiappacasse, Jérémie Dequidt, et al.. Introducing interactive inverse FEM simulation and its application for adaptive radiotherapy. MICCAI - 17th International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, Sep 2014, Boston, United States. ⟨hal-01059667⟩