3D models for vascular lumen segmentation in MRA images and for artery-stenting simulation

Arterial stenoses and aneurysms are increasingly treated using stents. The goal of this work is to facilitate the pre-operative choice of the stent's length and diameter. Two models are used to accomplish this task: a deformable cylindrical simplex (DCS) model of the arterial intra-luminal wall and a right generalized cylinder (RGC) model representing the stent's geometrical properties. An angiographic 3D image is first segmented using the DCS model to create a patient-specific vascular model. The RGC model of a folded stent is then slid along the vessel centerline until an interactively chosen delivery location, and the model's geometry is modified to simulate the unfolding of the stent. Lastly, the DCS model is re-meshed to fit the shape of the unfolded-stent model and thus to simulate the shape of the arterial lumen boundaries after stenting. Accuracy of the segmentation was quantitatively evaluated in images of arterial phantoms with stenoses ranging from 50 to 95%. Mean error of the resulting diameter estimation was 4.24%. The simulation of the stent insertion is qualitatively illustrated using data of a patient with an aneurysm in the aorta arch.

RésuméLes sténoses artérielles et les anévrismes sont de plus en plus souvent traités par la pose de stents. L’objectif de ce travail est d’assister le médecin dans la sélection de la longueur et du diamètre du stent à poser. Deux modèles sont utilisés pour cela : un modèle déformable simplexe de cylindre (DCS), représentant la paroi interne de l’artère, et un modèle de cylindre généralisé droit (RGC) représentant les propriétés géométriques du stent. Une image angiographique 3D est tout d’abord segmentée à l’aide du DCS pour modéliser l’anatomie spécifique du patient. Le modèle RGC d'un stent replié est ensuite glissé interactivement le long de la ligne centrale du vaisseau. Ainsi, le site de pose est déterminé de manière interactive. Puis, la géométrie du modèle est modifiée automatiquement, pour simuler le déploiement du stent. Finalement, le modèle DCS est remaillé pour s'adapter à la forme du stent déployé. Il simule ainsi la forme de la lumière artérielle après pose du stent. La précision de la segmentation a été évaluée de manière quantitative grâce à des images de fantômes de sténoses artérielles (entre 50 et 95 % de rétrécissement). L’erreur moyenne sur le diamètre estimé est de 4,24 %. La simulation de l’insertion du stent est illustrée qualitativement en utilisant les données provenant d’un patient souffrant d’un anévrisme sur la crosse aortique.