1. Shape parametrization of bio-mechanical finite element models based on medical images
- Author
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Domenico Borzacchiello, Francisco Chinesta, Alexandre Hostettler, Daniel George, Yves Rémond, Nathan Lauzeral, Michael Kugler, Institut de Calcul Intensif (ICI), École Centrale de Nantes (ECN), Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (ICube), Institut National des Sciences Appliquées - Strasbourg (INSA Strasbourg), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES)-Réseau nanophotonique et optique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Mécanique des Fluides et des Solides (IMFS), École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), l'Institut de Recherche contre les Cancers de l'Appareil Digestif (IRCAD), Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM), Conservatoire National des Arts et Métiers [CNAM] (CNAM)-Arts et Métiers Sciences et Technologies, HESAM Université (HESAM)-HESAM Université (HESAM), Institut de Calcul Intensif ( ICI ), École Centrale de Nantes ( ECN ), Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie ( ICube ), Institut National des Sciences Appliquées - Strasbourg ( INSA Strasbourg ), Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg ( ENGEES ) -Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar ( Université de Haute-Alsace (UHA) ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar ( Université de Haute-Alsace (UHA) ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Matériaux et nanosciences d'Alsace, Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar ( Université de Haute-Alsace (UHA) ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ), Institut de Mécanique des Fluides et des Solides ( IMFS ), École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg ( ENGEES ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux [Paris] ( PIMM ), Conservatoire National des Arts et Métiers [CNAM] ( CNAM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux [Paris] (PIMM), Arts et Métiers ParisTech, HESAM Université (HESAM)-HESAM Université (HESAM)-Conservatoire National des Arts et Métiers [CNAM] (CNAM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National des Sciences Appliquées - Strasbourg (INSA Strasbourg), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Les Hôpitaux Universitaires de Strasbourg (HUS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Conservatoire National des Arts et Métiers [CNAM] (CNAM), HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)-HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Arts et Métiers Sciences et Technologies, and HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)
- Subjects
[ INFO.INFO-MO ] Computer Science [cs]/Modeling and Simulation ,Matériaux [Sciences de l'ingénieur] ,Computer science ,Biomedical Engineering ,Computational Mechanics ,ComputingMethodologies_IMAGEPROCESSINGANDCOMPUTERVISION ,data driven modeling ,02 engineering and technology ,030218 nuclear medicine & medical imaging ,03 medical and health sciences ,0302 clinical medicine ,statistical shape model ,mesh morphing ,[ INFO.INFO-TI ] Computer Science [cs]/Image Processing ,0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering ,[INFO.INFO-IM]Computer Science [cs]/Medical Imaging ,Radiology, Nuclear Medicine and imaging ,Polygon mesh ,Computational anatomy - data driven modeling - liver atlas - mesh morphing - patient-specific modeling - Statistical shape model ,Thin plate spline ,ComputingMethodologies_COMPUTERGRAPHICS ,[ INFO.INFO-IM ] Computer Science [cs]/Medical Imaging ,Statistical shape analysis ,liver atlas ,Computational anatomy ,[INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation ,Finite element method ,Computer Science Applications ,Morphing ,computational anatomy ,data-driven modeling ,[INFO.INFO-TI]Computer Science [cs]/Image Processing [eess.IV] ,Principal component analysis ,patient-specific modeling ,020201 artificial intelligence & image processing ,Algorithm ,Subspace topology - Abstract
International audience; The main objective of this study is to combine the statistical shape analysis (SSA) with a morphing procedure in order to generate shape-parametric finite element models of tissues and organs and to explore the reliability and the limitations of this approach when applied to databases of real medical images. As classical statistical shape models are not always adapted to the morphing procedure, a new registration method was developed in order to maximize the morphing efficiency. The method was compared to the traditional iterative thin plate spline (iTPS). Two data sets of 33 proximal femora shapes and 385 liver shapes were used for the comparison. The principal component analysis (PCA) was used to get the principal morphing modes. In terms of anatomical shape reconstruction (evaluated through the criteria of generalization, compact-ness and specificity), our approach compared fairly well to the iTPS method, while performing remarkably better in terms of mesh quality, since it was less prone to generate invalid meshes in the interior. This was particularly true in the liver case. Such methodology offers a potential application for the generation of automated finite element (FE) models from medical images. Parametrized anatomical models can also be used to assess the influence of inter-patient variability on the biomechanical response of the tissues. Indeed, thanks to the shape parametrization the user would easily have access to a valid FE model for any shape belonging to the parameters subspace.
- Published
- 2019
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