Mémoire DU Anatomie PDF

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Summary

Mémoire pour le DU d'anatomie clinique et numérique...

Description

Université Paris Descartes – Biomédicale des Saints-Pères

Mémoire en vue de l’obtention du Diplôme Universitaire d’Anatomie Clinique et Numérique (D.U.A.C.N) de l’Université Paris Descartes

2019-2020

Modélisation 3d vectorielle à partir d'angioscanner et impression 3d de structures anatomiques

Etudiant : Charlotte Le Parc Directeur du D.U.A.C.N : Prs Jean-Marc CHEVALLIER, Richard DOUARD Directeur de mémoire : Pr Jean-françois UHL

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CERTIFICAT D’ORIGINALITÉ DU TRAVAIL « Je soussignée, Charlotte Le Parc, atteste que le présent mémoire est le fruit de mes propres travaux effectués à Paris 5 sous la supervision du Professeur Uhl. Ce mémoire est authentique et n’a pas été antérieurement présenté pour l’acquisition du D.U.A.C.N ou de quelque grade universitaire que ce soit ».

REMERCIEMENTS Je remercie le Professeur Uhl, directeur du mémoire, pour son initiative dans ce grand projet. Je remercie aussi le Professeur Richard Douard et le Professeur Jean-Marc Chevallier, directeur du Diplôme Universitaire d’Anatomie Clinique et Numérique de Paris Descartes, d’avoir mis en place cet enseignement à la disposition de tous ceux qui souhaitaient approfondir leurs connaissances en anatomie. Je tiens à remercier Mme Hamou, responsable de la bibliothèque du département Anatomie de la faculté des Saints-Pères, pour sa gentillesse et sa disponibilité.

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TABLE DES MATIERES

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Introduction ...................................................................................................................................... 4 1.1 Objectifs ....................................................................................................................................... 4 1.2 Etat des lieux.............................................................................................................................. 5 1.3 Histoire de la modélisation informatisée ....................................................................... 6 Matériels et Méthodes .................................................................................................................... 7 2.1 Données DICOM à partir d'angioscanners ..................................................................... 7 2.2 Production des modèles vectoriels avec HOROS…………………………………………9 2.3 Logiciel Meshmixer ................................................................................................................. 9 2.4 Le logiciel CURA d'impression 3d…………………………………………………………….10 Résultats……………………………………………………………………………………………………….18 3.1 Modélisation du fichier Anevrix……………………………………………………………….18 3.2 Modélisation du fichier Kalimova…………………………………………………………….22 Discussion…………………………………………………………………………………………………….25 Conclusion…………………………………………………………………………………………………….25 Références bibliographiques………………………………………………………………………….27

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1. Introduction et objectifs Depuis les années 90, de nombreuses nationalités se sont lancées dans des projets de reconstructions tridimensionnelles du corps humain à partir de coupes anatomiques avec pour but de créer un atlas d’anatomie humaine en trois dimensions. Dans le prolongement des précurseurs chinois, américains et coréens, un grand nombre d’étudiants de l’Université René Descartes ont participé au grand projet de modélisation et de reconstruction vectorielle et en trois dimensions du corps humain en se basant sur des coupes anatomiques du Korean Visible Human (KVH). On peut aussi obtenir une modélisation vectorielle de l'anatomie à partir d'angio-scanners fournis par des examens radiologiques de patients. Tout le problème de ces méthodologies de reconstruction réside dans la SEGMENTATION anatomique 3D, ce qui consiste à découper un ensemble en ses différents éléments, c'est à dire en pratique définir précisément les limites de chaque structure anatomique dans l'espace 3D.

Ce mémoire a donc pour vocation d’apprécier le résultat de cette segmentation sur des fichiers préalablement nettoyés des différents artefacts . Il a été réalisé sur la période d’octobre 2019 à Juin 2020.

1.1. Objectifs Les différents objectifs de ce mémoire sont de : -

Réaliser une modélisation 3D de à partir d'angio-scanners.

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Nettoyer les fichiers afin de les rendre imprimables

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Segmenter les différentes unités anatomiques

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Imprimer en 3D

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1.2. Etat des lieux Les applications de modélisation 3D médicale et/ou anatomique sont en train de se développer fortement en ce moment.

Parmis elles, le site internet Sketchfab qui ressence des milliers de modèles anatomiques en 3D. Les modèles sont légendés, on peut les bouger dans l’espace et découvrir les légendes en cliquant sur les numéros. Mais l’accès à certains modèles est payant.

Figure 1 : Modèle Human Heart de l’utilisateur Alva Wirsén Holm

Beaucoup d’autres sites proposent des modèles 3D, gratuitement, par exemple les sites all3dp.com ou 3bscientific.com, ou payant, comme syndaver.com ou stratysis.com. Ces sites, très nombreux, proposent des modèles 3D à imprimer, médicaux ou non.

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La société Stratasys a développé une imprimante 3D J750 Digital Anatomy, l'objectif était d’ouvrir une nouvelle ère dans le monde de la modélisation médicale, via la création de modèles anatomiques ultraréalistes et fonctionnels. Ils utilisent le logiciel GrabCAD Print Digital Anatomy et Trois nouveaux matériaux (PolyJet - TissueMatrix, GelMatrix et BoneMatrix). Ces matériaux sont utilisés par le logiciel pour recréer efficacement l'apparence et la sensation des modèles cardiaques, vasculaires et orthopédiques imprimés 3D, résultant sur des modèles médicaux qui se comportent comme dans la réalité.

Figure 1.2 : Tissu imprimé à partir du logiciel GrabCAD Print Digital Anatomy

1.3.

Histoire de la modélisation informatisée

La modélisation informatisée de structures anatomiques et histologiques s’est vite montrée très utile pour visualiser la forme de ceux-ci en trois dimensions. Les modèles informatisés permettent de visualiser des formes complexes dérivées de tracés en 2 dimensions. La simulation numérique et la prédiction permettent de tester des hypothèses fonctionnelles ou morphogénétiques.

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Dans les années 1970, la génération de modèles 3D consistait à tracer les contours de structures histologiques sur du papier opaque. Ces contours étaient alors superposés afin de générer une structure en 3D. De la même manière des modèles en cire et en plâtre ont été réalisés, notamment par Gaunt en 1978. Les applications informatiques de modélisation 3D sont apparues dans les années 1970. Les bords des structures étaient numérisés et les structures numériques étaient exprimées comme une superposition de lignes. Même si ce fut un bon premier pas, les structures manquaient d’informations sur les surfaces. Dans les années 1980, un considérable effort a été fourni afin de développer des algorithmes capables de modéliser ces surfaces. Deux approches ont été retenues le « surface modeling » et le « solid modeling ». Le « surface modeling » reconstruit l’objet comme une coquille. Les structures sont numérisées manuellement ou automatiquement et les bords sont représentés comme des contours. L’espace est défini en configurant une fenêtre et son environnement fonctionne avec une échelle. L’échelle consiste en un facteur de grossissement des tissus et de l’épaisseur. Les algorithmes de configuration géométrique sont utilisés pour placer chaque contour en superposition avec le contour suivant et ceci sur chaque coupe, afin de créer une sorte de grillage numérique. Les logiciels OSIRIX et HOROS peuvent produire à partir de données DICOM des modèles volumiques (VRT) et vectoriels.

2. Matériels et méthodes 2.1. Données dicom et angioscanner Les données utilisées proviennent d’angioscanners. Le format des images d'acquisition est nommé DICOM. DICOM est l'abréviation de Digital Imaging and Communications in Medicine. Il s'agit d'une norme mondiale définissant le stockage, l'échange et la transmission d'images médicales. Les dispositifs d’image, notamment les rayons X, l’échographie, la microscopie, l’IRM et la tomodensitométrie, utilisent cette norme.

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La norme (initialement appelée ACR / NEMA 300) a été créée en 1985 lorsque les médecins voulaient décoder les images afin de déterminer le plan de dose pour la radiothérapie. La norme n'était pas parfaite dès le départ. Il a fallu deux ou trois grandes révisions pour que cette pratique devienne une pratique largement acceptée en 1993 (année où la norme a été renommée DICOM). DICOM est un format unique, car il ne stocke pas seulement les données de pixels de l’image (en tant qu’attribut spécial), mais également des ensembles de données composés d’attributs. Ces ensembles de données contiennent des informations critiques qui doivent être conservées dans le fichier pour garantir qu'ils ne sont jamais séparés les uns des autres. Par exemple, un scanner peut également contenir un ensemble de données représentant un patient et les attributs décrivant ce patient, (nom, âge, poids, etc). Il est possible d'ajouter plus de 2 000 attributs différents au fichier. Ils sont tous définis dans le dictionnaire de données DICOM. Ces attributs sont en quelque sorte similaires à la manière dont les fichiers JPEG peuvent comporter des balises incorporées pour décrire l’image. Les fichiers DICOM ne se limitent pas à des images à une dimension. Ils peuvent représenter des images en 3 ou 4 dimensions si l'attribut stockant les données de pixels a plusieurs images, ce qui permet le stockage de boucles de cinéma ou d'autres données multiimages. Les données de pixel peuvent être compressées en utilisant diverses normes, notamment : JPEG, JPEG sans perte et JPEG 2000

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2.2. Logiciel HOROS Grandes fonctions - Liste des patients et des séries - Double click sur la serie pour afficher les coupes

MODELISATION VECTORIELLE "globale" SOUS HOROS Le menu déroulant qui apparaît lorsque l’on passe la souris sur le bouton 3D viewer de la barre de menu donne accès à de multiples fonctions pour visualiser en 3D les images.

selection:

3D surface rendering

—>

puis réglage des paramètres en fonction de l'organe à modéliser.

Paramètres conseillés: PIXEL VALUE 80 à 140 faire des essais et varier Résolution 80-90 Decimate 80 Smooth 70

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2.3. Guide d’utilisation du logiciel MESHMIXER

1) Importer un fichier Import (Croix en haut à gauche) Si on veut travailler sur un nouveau fichier : Replace Si on veut ajouter un fichier à celui déjà présent : Append

2) Naviguer Bouton gauche pour sélectionner Bouton droit pour les rotations Bouton central (appui sur roulette) pour les translations Roulette pour zoom / dézoom Barre d’espace pour fonction dans l’espace si pas de souris 3 boutons

3) Nettoyer un fichier Sélectionner les déchets : Select (raccourci clavier : s) puis lasso pour entourer / Brush pour «Colorier » Gomme pour effacer : shift + click gauche pour Apple ; Ctrl + click gauche pour windows Réglage taille Brush / Gomme : Select -> curseur « Size » au-dessous du « Brush mode »

Lorsque l’on a sélectionné et que l’on veut créer un objet : Y pour séparer, puis soit on veut le conserver, il est alors préférable de le renommer, soit c’est du déchet et on le sélectionne dans le browser (l’encadré où apparaissent les objets) pour le rendre invisible ou le mettre à la corbeille.

Pour les gros nettoyages de petites entités séparées, prendre Meshlab. Cliquez sur le menu filtres et choisir « cleaning and repairing - remove isolated pieces (diameter) »

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Pour sélectionner une grande zone, on trace un trait dans l’espace pour sélectionner tout ce qui est d’un côté. En général, sera sélectionné le côté qui contient le moins d’éléments (la plus petite partie de l’objet).

On peut inverser pour sélectionner l’autre partie avec “i”.

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Idem si vous transformez le trait en boucle. Si vous tracez une petite boucle, l’intérieur sera sélectionné. Alors que si vous tracez une grande boucle avec la majeure partie des éléments à l’intérieur, ce sera ce qui est à l’extérieur de la boucle qui sera sélectionné. On peut aussi inverser avec “i”. Pour revenir face à l’objet, cliquer sur le carré d’orientation en haut à droite. Une fois que l’on a dégrossi, on passe à un nettoyage des petits défauts. On va dans Analysis -> Inspector > Auto Repair All

4) Comment faire une translation Si on veut effectuer une translation, une rotation ou modifier la taille dans un ou plusieurs plans d’un objet : Edit -> Transform (raccourci clavier : t) Puis se servir des flèches

5) Comment lisser une surface Cliquer sur : Ctrl + 1 ou Shift + 1

6) Comment réaliser des limites nettes lors de la segmentation Cliquer sur : Select à Sélectionner avec l’outil « brush » la partie à segmenter à B à « Accept»

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7) Comment segmenter un organe plein Edit à Plane Cut à placer le plan de telle sorte à rendre transparent l’organe d’intérêt à une fois le plan correctement placé, « accept » à Revenir sur « Select » à Cliquer n’importe où sur l’organe d’intérêt à Etendre la sélection en cliquant sur E à Puis Y.

8) Comment remplir les organes ayant perdu une partie lors de la segmentation ex : segmentation de l’aorte, or une partie de l’aorte est collé à la colonne vertébrale, lors de la segmentation il est impossible de séparer les deux morceaux, on se retrouve donc avec un vide au sein de l’aorte) : « Select » à Double clic sur un point au niveau des bordures de la partie vide (ce qui sélectionne toutes les bordures de cette même partie) à F à Accept.

9) Comment coloriser Sculpt -> on place le curseur sur : surface -> Brushes -> PaintVertex

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Comment faire un plan de coupe avant impression.

Edit - plane cut et manipuler les flèches

2.4. LOGICIEL CURA. Qu’est-ce Cura ? Cura est un logiciel conçu par Ultimaker pour imprimer les pièces dans des imprimantes 3D. L’interface claire et intuitive de Cura permet de prendre des décisions sur l’aspect et la qualité de la pièce en 3D que vous souhaitez imprimer rapidement et simplement. Tandis que vous choisissez les paramètres d’impression, Cura dimensionne la conception en couches, afin de pouvoir l’imprimer le plus rapidement possible sans que vous n’ayez à vous préoccuper de rien d’autre.

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Travailler sous Cura Interface principale de Cura

L’interface principale de Cura (fig. 4.5) comporte une fenêtre principale d’où l’on peut afficher la conception 3D de la pièce que l’on désire imprimer. Une fenêtre située sur la gauche permet de réaliser des adaptations d’impression.

Nous présentons ci-dessous les différents éléments qui apparaissent sur l’interface principale de Cura :

1. Barre de menu. Cette barre affiche les options File, Tools, Machine, Expert et Help. 2. Fenêtre de réglages. Elle modifie les paramètres d’impression de la pièce. La fenêtre de réglages comporte 4 onglets : Basic, Advanced, Plugins, Start/End-GCode. 3. Load. Elle importe la pièce que l’on désire imprimer depuis un répertoire de notre ordinateur ou depuis un appareil externe. 4. Toolpath to SD. Elle enregistre la pièce que nous désirons imprimer au format Gcode.

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5. Share on YouMagine. Partagez la pièce auprès de la communauté YouMagine.com. 6. View Mode. Elle change le mode d’affichage de la pièce. 7. Espace d’impression de l’imprimante Witbox. 8. Pièce qui a été préalablement importée. 9. Rotate. Elle fait pivoter la pièce en degrés sur les trois axes (X, Y, Z). 10. Scale. Elle modifie la taille de la pièce. 11. Mirror. Cette option permet d’effectuer des réglages rapides par rapport à la symétrie de la pièce.

Commandes souris Pour naviguer sur l’interface de Cura et prévisualiser tous les angles de la pièce que l’on désire imprimer, il sera nécessaire de connaître les commandes qui nous permettent d’interagir avec le logiciel. Ce sont les commandes par défaut de Cura :

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Bouton gauche de la souris : il sélectionne les objets. En gardant le bouton de gauche appuyé, vous pouvez faire glisser et déplacer la pièce dans la zone d’impression. Cette option est utile lorsque nous désirons imprimer plusieurs pièces en même temps et que nous avons besoin de les placer sur la base d’impression.

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Bouton droit de la souris : en gardant le bouton droit de la souris appuyé, il est possible de tourner autour du modèle à 360 degrés.

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Bouton de gauche et bouton de droite appuyés en même temps : le zoom de la pièce augmente ou diminue.

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Roue centrale de la souris : tout comme précédemment, elle permet d’augmenter ou de diminuer le zoom.

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Bouton droit de la souris + Shift : elle bouge la base d’impression dans l’espace.

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Charger la pièce Pour imprimer une pièce en 3D, il sera préalablement nécessaire de la laminer. Cura permet de transformer le fichier en 3D en un fichier au format .gcode déjà laminé. Pour cela, nous cliquerons sur le bouton Load et une fenêtre s’ouvrira automatiquement, d’où nous pouvons sélectionner le fichier que nous désirons ouvrir.

La plupart des programmes de conception 3D permettent d’enregistrer la pièce préalablement conçue au format .stl*. Le logiciel Cura est capable d’ouvrir les formats suivants : .stl*; .obj*; .dae*; .amf*.

Manipulation de la pièce (fig ci-dessous)

Déplacer la pièce

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Faire pivoter la pièce Une fois que la pièce est chargée, nous pouvons modifier son orientation dans l’espace

Modifier la taille de la pièce Cette option permet de modifier la taille de notre pièce. Les paramètres sont échelonnés et s’adapteront automatiquement sans avoir à changer la taille X, Y et Z de façon indépendante

Symétrie Cette option permet d’appliquer des conditions de symétrie à la pièce que l’on désire imprimer. Nous disposons de trois options de symétrie en fonction de l’axe par rapport auquel nous désirons appliquer la symétrie

Mode d’affichage Cette option permet de visualiser la pièce que l’on désire imprimer de différentes façons : -

Normal : c’est le mode standard d’affichage. Il permet de visualiser le modèle comme il a été préalablement conçu.

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Overhang : ce mode d’affichage permet d’identifier les zones critiques de la pièce au moment de l’impression. Les zones critiques seront marquées en rouge et il sera nécessaire d’y ajouter un support d’impression.

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Transparent : ajouter des transparences à la pièce que l’on va imprimer. Ce mode d’affichage permet de voir à travers la pièce et de visualiser des zones internes qui étaient en principe cachées.

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X-Ray : ce mode d’affichage permet de voir les pièces que l’on trouve à leur tour à l’intérieur d’autres pièces. Par exemple : si l’on désire imprimer un sifflet, ce mode d’affichage permettra d’apprécier la boule à l’intérieur.

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Layers : ce mode d’affichage permet de visualiser plusieurs couches qui composeront la pièce définitive. Une commande à droite de la fenêtre permet également de visualiser la mise en forme de la pièce, couche par couche. Ce mode d’affichage permet identifier d’éventuelles erreurs de laminage

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Exporter la pièce Après avoir téléchargé la pièce et après avoir apporté toutes les modifications nécessaires, l’étape suivante sera d’exporter la pièce que l’on désire imprimer vers la carte SD. Pour cela, insérez la carte SD dans l’ordinateur et cliquez ...