Simulation biomécanique pour la stimulation cérébrale profonde

Deep brain stimulation is a neurosurgical treatment involving the permanent implantation of electrodes in the brain, to stimulate a specific deep structure. Electrical stimulation of some brain structures treats symptoms of motor or affective neurological disorders. The success of the operation relies on the electrode placement precision, which the goal is to maximize the therapeutic outcomes, and minimize the adverse effects. To do that, a pre-operative planning step determine the target coordinates to stimulate, as well as the electrode trajectory to reach it, thanks to a combination of medical images of the patient and numerical tools. However, intra-operative brain deformation, called brain shift, might invalidate the planning.The contributions of this thesis rely on a biomechanical model of brain shift which comprises a mechanical model for deformation, as well as a model of cerebrospinal fluid leak. We present a pre-operative tool, based on our model, in order to provide to the surgeon an information on the deformation risks, that he could use to select a safe trajectory for the patient, even in the case of brain shift. Moreover, we propose an intra-operative registration method based on our biomechanical model, in order to compute the new location of anatomical structures. Finally, thanks to a model of insertion of the electrode and its interaction with brain tissue, we reproduce the operating protocol in order to compute the electrode curvature due to brain shift.La stimulation cérébrale profonde est un traitement chirurgical impliquant l'implantation permanente d'électrodes dans le cerveau, afin de stimuler une zone spécifique. La stimulation électrique continue de certaines structures cérébrales traite des symptômes de troubles neurologiques moteurs ou affectifs. Le succès de l'opération repose sur la précision du placement de l'électrode dont le but est de maximiser les bénéfices thérapeutiques, et de minimiser les effets secondaires. Pour cela, une phase de planification pre-opératoire détermine les coordonnées de la cible à stimuler, ainsi que la trajectoire de l'électrode pour atteindre la cible, à l'aide d'une combinaison d'images médicales du patient et d'outils numériques. Cependant, la déformation intra-opératoire du cerveau, appelée brain shift, peut rendre la planification invalide.Les contributions de cette thèse s'appuient sur un modèle biomécanique du brain shift qui comprend un modèle de déformation mécanique, ainsi qu'une modélisation de la fuite de liquide cérébro-spinal. Nous présentons un outil pré-opératoire, basé sur notre modèle, afin de fournir au chirurgien une information sur les risques de déformation, qu'il utilise pour sélectionner une trajectoire sécurisée pour le patient, même en cas de brain shift. Dans un deuxième temps, nous proposons une méthode de recalage intra-opératoire basée sur notre modèle biomécanique, afin de calculer la nouvelle position des structures anatomiques. Enfin, grâce à un modèle d'insertion de l'électrode et de son interaction avec les tissus cérébraux, nous reproduisons le protocole opératoire afin de calculer la déflexion de l'électrode due au brain shift