Mémoire de Licence en Système d`Information et de Communication
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1. 9 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence anatomiques et g om triques de chaque tissu recaler Apr s avoir pos les bases de mon travail j ai commenc impl menter l aide de mes nouvelles connaissances en C et VTK chacune de ces m thodes Certaines se sont av r es inutiles d autres ont fortement am lior l utilisation globale du programme ou en ont augment sa souplesse Une fois le d veloppement achev une premi re s rie de tests a t labor e en respectant uniquement les contraintes de liaison avec les os Apr s r flexion et discussion avec mon assistant j ai remarqu que certaines de mes m thodes taient un peu approximatives et qu il fallait les modifier Une fois celles ci corrig es une deuxi me s rie de tests a t r alis e avec des mod les g n riques de haute r solution Ainsi tous les tissus g n riques disponibles ont t recal s selon les contraintes de liaison avec les os mais aussi en d tectant la collision avec d autres tissus Pour valider les tests j ai utilis deux sujets les os d un homme et d une femme issus de leurs IRMSs ainsi que les donn es segment es et les IRMs du patient correspondant 2 Analyse du probl me Le recalage des mod les g n riques Comme je l ai d j mentionn dans l introduction le recalage comporte deux tapes principales La premi re constitue la s lection de points caract ristiques sur les divers tissus2. PRE RSR RE Re 36 03 GOU as 36 AP 11 QE Ce 37 7 11 Manuela Gulls at oNkess e a E 37 MIRALab University of Geneva 1 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence 1 Introduction Exposition du probl me et besoins Ce m moire de licence s ins re dans le cadre du projet COME dont le but fondamental est d tudier analyser et d montrer le potentiel que la technologie de l information offre pour l optimisation des interventions m dicales afin d am liorer le diagnostic et le traitement des patients La contribution de MIRALab consiste en l laboration d un outil de mod lisation anatomique et fonctionnelle de l articulation de la hanche partir de l imagerie par R sonance Magn tique IRM Dans ce cadre une mod lisation tridimensionnelle pr cise de la hanche est n cessaire Or la segmentation des organes c est dire leur identification sur les images en particulier celle des cartilages et des ligaments est une t che difficile r aliser automatiquement cause du bruit dans les images et de leur r solution limit e environ 1mm Afin d obtenir des mod les pr cis des organes des patients MIRALab propose d utiliser des mod les g n riques ligaments cartilages labrum et de les adapter aux patients en utilisant deux types de donn es des donn es issues des images du patient segmentation de zones caract ristiques des organes et des contraintes g om triques issues de propri t s anatomique
3. dans ce projet des mod les discrets c est dire que la repr sentation des objets de notre tude que ce soit les os ou les mod les g n riques est compos e d un ensemble de polygones mesh qui sont eux m mes d finis par un ensemble de points interli s formant des ar tes figure 4 C est cette propri t g om trique qu il s agit d exploiter Figure 4 Mod le discret En effet pour mod liser l articulation de la hanche du patient recalage deux tapes distinctes doivent tre r alis es figure 5 et 6 la premi re comporte la s lection de points caract ristiques sur les divers tissus g n riques par exemple les surfaces d attache La deuxi me permet la s lection de points sur les os du patient f mur et pelvis repr sentant la zone d attache du tissu A partir de ces deux espaces de points une m thode d interpolation approximation bas es sur des splines Thin Plate Spline interpolation TPS est utilis e Celle ci permet de recaler les points caract ristiques du mod le g n rique sur les os et d interpoler la position des autres points du mesh http www cs ucsd edu sjb pami_tps pdf et http www vtk org doc nightly html classvtkThinPlateSpline Transform html MIRALab University of Geneva 6 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Dans cette id e un programme de base a t fourni par l assistant permettant de charger des donn es telles que les os les IRMs les do
4. g n riques par exemple les surfaces d attache La deuxi me permet la s lection de points sur les os f mur et pelvis repr sentant la zone d attache du tissu Afin de recaler et adapter le mod le g n rique au patient une m thode d interpolation bas e sur des splines est utilis e Dans le cadre de ce projet nous avons choisi Thin Plate Spline interpolation parmi bien d autres techniques de d formation qui conna t une large diffusion dans les applications de traitement graphique Son appellation vient du fait que la d formation calcul e par cette m thode correspond celle d une plaque mince Thin Plate TPS comporte plusieurs caract ristiques qu il s agit de respecter Elles vont videmment conditionner les solutions d optimisation envisag es On a vu que notre analyse portait sur un caract re important du mesh les points En effet TPS d crit une transformation non lin aire d finie par un ensemble de points sources les points caract ristiques et un ensemble de poinis cibles les points d finis sur l os partir de ces deux espaces de points TPS remplace la coordonn e de chaque point source par celle du point cible et calcule la position des autres points du mesh par interpolation Chaque point caract ristique agit comme point d influence sur les autres points du mesh c est dire qu un point du mesh proche d un point source sera recal une position proche du point cible correspondant et les points en
5. rie 2 a b Figure 31 a Mod le homme ligament rond S rie 1 b Mod le homme ligament rond et cartilage f moral S rie 2 MIRALab University of Geneva 31 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence e Figure 32 a Mod le homme capsule articulaire S rie 2 b Mod le femme cartilage f moral S rie 1 c Mod le femme cartilage de l ac tabulum S rie 1 d Mod le femme ligament ilio f moral et cartilage f moral en arri re plan S rie 2 On constate que le ligament traverse encore la t te f morale e Mod le femme ligament transverse S rie 1 MIRALab University of Geneva 39 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Voici quelques exemples de s lection des zones d attache des muscles sur le f mur et le pelvis du patient masculin J a b Figure 33 a Mod le homme insertion du muscle vaste interm diaire b Mod le homme insertion du muscle grand adducteur a b Figure 34 a Mod le homme insertion du muscle moyen fessier b Mod le homme insertion du muscle petit fessier MIRALab University of Geneva 33 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence 4 3 Critique globale et am liorations Le bilan est plut t positif Globalement les nouvelles techniques apportent plus de souplesse et d autonomie au programme La s lection des points caract ristiques sur les mod les g n riques quelq
6. un premier temps les contraintes prises en compte furent les liaisons avec les os et par la suite le lien avec d autres tissus e De tester la m thodologie de mod lisation sur plusieurs types de tissu labrum cartilages et ligaments et sur plusieurs sujets Le but de ce m moire est donc d tudier les possibilit s d optimisation de recalage en les rendant plus automatiques et de concevoir une application permettant de r aliser ces m thodes MIRALab University of Geneva 8 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence 1 4 Etapes du projet et m thodologie Ce projet consiste tudier les limitations des techniques existantes de recalage de mod les 3D bas es sur l interpolation de splines puis d exploiter les r sultats pour fournir de nouvelles m thodes d optimisation et de les impl menter Celles ci sont par la suite soumises diff rents tests sur plusieurs tissus et sujets Ce travail de licence a commenc fin juin 2004 o les tapes suivantes furent d finies T ches Mois 2 Mois 3 Mois 4 Etude documentaire anatomie C librairie VTK MULTI Impl mentation de nouvelles techniques USM 1111 Tests sur plusieurs tissus et sujets JETTA TT R daction du rappor LITTLE D fense du projet Tableau 2 Calendrier des t ches Pour mieux d celer les m thodes d optimisation le premier travail consistait prendre connaissance des fonctionnalit s possibilit s et limitations du programme
7. M moire de Licence en Syst me d Information et de Communication orientation Technologie Recalage de mod les 3D partir d IRMs en utilisant des contraintes g om triques pour la mod lisation anatomique des tissus mous Caecilia Charbonnier Juillet 2004 Septembre 2004 Directeur Nadia Magnenat Thalmann Assistant responsable Benjamin Gilles MIRALab University of Geneva Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Table des mati res L IDHOAUC HOME eee been ten cena 2 1 1 Exposition du probl me et besoins 2 12 Canatomie dela MANG 2er nent nee nsc EEan 2 1 3 SOUNS apport es tOD CUIS nn nu NN ni nous 4 1 4 Etapes du projet et m thodologie VV 9 2 Analyse dU proble ME esne 10 2 1 Le recalage des mod les g n riques n nnnssnnsennorrrnsnreorrrnsrrrsrrrrrrresene 10 2 2 M thodes d optimisation propos es 13 3 MISE CMO UVO oanp r E 19 3 1 Structure g n rale de l application 19 3 2 Le programme description proc durale s ssseeensssenesesnnrenrrrrerrrrrrnnene n 20 3 3 M thodes d optimisation impl ment es nannnaannnannnennnnennnennnsnnnnenrennnnnne 21 4 R sultats critiques et am liorations 26 4 Les aonnees d tests Le An SA ns nn ne 26 4 2 R SUMALS LCOMMENIASS 4 5 nn re ont 26 4 3 Critique globale et am liorations 34 D OONCISIONESS ne en nome 34 i CONEA E i a e AAT E EA 34 D CO AO E A a nt ec 36 Ol LLC PR Re 36 02 A1 KE 1 01
8. a surface externe et a contrario les points internes l aide d une sph re inscrite figure 16 a b Figure 16 a Sph re englobante pour le cartilage de l ac tabulum b Sph re inscrite pour le cartilage f moral MIRALab University of Geneva 17 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence 2 Les techniques de s lection des zones d attache sur les os gt S lection par une spline de la zone d attache des ligaments sur les os Ici m me principe que pour les mod les g n riques une spline correspondant la zone d attache est dispos e sur l os Celle ci s lectionne les points du mesh n cessaires tout en les ordonnant automatiquement figure 17 La seule diff rence est qu il faut v rifier que la s lection comporte le m me nombre de points que la s lection sur le mod le g n rique sinon nous ne pourrons pas assurer la correspondance pour TPS De Spline a b Figure 17 a Spline repr sentant la zone d attache b Points s lectionn s par la spline gt S lection de la surface d attache des cartilages sur les os Les cartilages ne poss dant pas de contour d attache mais d une surface la m thode des splines n est pas adapt e Le proc d utilis ici consiste s lectionner pour chaque point caract ristique le point de l os le plus proche figure 18 Ils seront donc directement recal s et la correspondance pour TPS sera garantie MIRALab Uni
9. bes j ai pens calculer pour chaque point du mesh leur coefficient de courbure et ainsi conserver uniquement les points de courbure maximale Pour se faire j ai utilis l algorithme de Gauss Malheureusement ce proc d n a pas fourni les r sultats attendus En effet les coefficients de l algorithme de Gauss poss dent des signes diff rents selon la topologie du mesh Le signe n gatif lorsque la surface ressemble une selle et positif lorsqu elle ressemble une sph re figure 14 Figure 14 a Courbure n gative b Courbure net De ce fait je croyais pouvoir s lectionner les points de la surface externe du cartilage en calculant les courbures positives maximales et la surface interne avec les courbures n gatives maximales Or le mesh tant irr gulier alternance de bosses et de trous j avais des points des deux c t s figure 15 J ai donc cart cette m thode i http www umpa ens lyon fr JME Vol1Num1 artSBarre artSBarre pdf 10 idem MIRALab University of Geneva 16 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Erreur Figure 15 a b Des points des deux c t s sont s lectionn s gt S lection par une sph re des points de la surface d attache du cartilage Pour obtenir la surface d attache des cartilages c est une sph re qui semblait le plus efficace et nous avons donc retenu cette solution En disposant une sph re englobante celle ci permet de s lectionner les points de l
10. bilit de positionner celle ci manuellement en agissant sur les points de contr le ou de charger une spline existante partir d un fichier et de l adapter au besoin ou encore de placer des points dans l espace et de cr er la spline passant par ces points qui deviendront alors les nouveaux points de contr le figure 24 Cette derni re m thode est particuli rement pratique car elle permet de s lectionner plus rapidement le contour d un ligament et elle cr e une zone d attache plus facilement partir de points dispos s sur IRM Ceci est particuli rement utile lorsque l on conna t la position approximative d un ligament mais que la zone d attache ne peut pas tre d finie exactement T i To a b Figure 24 a Points plac s dans l espace croix en bleu b Spline passant par ces points les points deviennent les points de contr le de la spline On remarque donc que la spline joue un r le majeur dans notre application De plus gr ce sa flexibilit cet outil peut tre utilis dans d autres proc d s Par exemple elle peut tre utile pour d finir la zone d attache des muscles figure 25 Ceci ayant t r alis dans le cadre de ce projet apr s les tests cf 4 2 Figure 25 Les couleurs repr sentent les zones d attache des diff rents muscles sur le f mur http www tecno ior it VRLAB researchers repository MuscleSF MuscleSF jpg MIRALab University of Geneva 24 Caecilia Pro
11. cipe qu expliqu plus haut Quant l autre s lection il fallait un peu modifier la m thode En effet j ai d impl menter un moyen de s lectionner ces points suppl mentaires directement sur la spline figure 28 vu que le corps du ligament n est pas attach l os Au moment du recalage on sp cifiera avec la spline par o le mod le devra passer C est dire qu il suffit de disposer celle ci dans la sc ne de fa on repr senter le contour du ligament en son milieu puis de cliquer sur le bouton de s lection pr vu cet effet Le syst me propose l utilisateur de choisir avec quel ligament et quelle s lection du mod le il souhaite faire la correspondance puis s lectionne automatiquement le nombre de points n cessaire figure 29 Gr ce cette technique nous avons consid rablement am lior les premiers tests et nous vitons les collisions avec l os ou d autres tissus Le corps du ligament poss de une meilleure paisseur ces proportions globales sont mieux conserv es mais il reste quand m me MIRALab University of Geneva 27 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence des am liorations faire surtout pour les ligaments ilio f moral et ischio f moral qui demeurent encore insatisfaisants c d Figure 28 a S lection avec la spline des points caract ristiques du ligament en son milieu b Les points sont s lectionn s selon le principe habituel c La spline d finit le co
12. daf 6 3 Cours G Falquet Tableaux et tri Structure de donn es Universit de Gen ve 20083 http cui unige ch isi cours std present04 MIRALab University of Geneva 36 Caecilia Projet Charbonnier COME T Annexes 7 1 Manuel d utilisation Interface utilisateur Calcule les points de courbure Charger les re d CUrYatures E Save Positive v Visualiser les visualization Processing Sauver les donn es landmarks sur l IRM Ldms Mew Ldm 2 Interaction on off i 100 Visualiser le mod le TE _Ldm Reg DD Model Smooth 10 Se _ Segmented Data Data Deform Visualiser les donn es segment es Selection SelectonModel S l ctonST Cr er une spline Interaction on off SelectMiddiecrsT Type de s lection SphereSelector Translate pour la spline PlaneSelector Reset Convert C Interaction on off Interaction on M moire de licence Nombre de points de courbure souhait Type de courbure Nouveau landmark Nombre de points affich Recale le mod le nombre de points souhait pour TPS Lisse le mod le nombre d it rations D forme le mod le et la zone d attache S lectionne sur l os S lectionne sur le tissu S lectionne le milieu du tissu Recale les points pour les cartilages off Efface les Convertion landmarks landmarks sph res MIRALab University of Geneva Ji Caecilia Proj
13. de base Pour se faire des tests de recalage ont t accomplis et ceux ci ont tout de suite d montr l inefficacit de telles techniques Parall lement cette d marche d apprentissage une premi re prise de contact avec l anatomie et la lecture de coupes d IRMs de la hanche tait n cessaire notamment afin d tre capable de r aliser ces premiers tests et d obtenir une compr hension g n rale de la physiologie articulaire Le langage choisi pour ce programme tant C langage parfaitement adapt ce type d op ration de traitement il fallait aussi entreprendre une remise niveau dans ce domaine et comprendre les librairies VTK Visualization ToolKit consistant en un ensemble de classes C et supportant une large vari t d algorithmes de visualisation et de techniques de mod lisation A ce niveau il para t ind niable qu une bonne ma trise de ces librairies VTK apporterait un gain de temps certain dans le d veloppement des m thodes futures et fournirait un ventail suppl mentaire vident de possibilit s d optimisation Dans ce contexte il tait d ailleurs important de prendre rapidement en main la plate forme Microsoft Visual Studio NET qui m tait jusqu alors m connue L tude documentaire tant termin e et ayant analys les limitations du programme une premi re liste de solutions a t bauch e celle ci tenant compte des caract ristiques http www vtk org MIRALab University of Geneva
14. disposer des objets interactivement apr s am lioration comme les outils de s lection plan sph re spline Une deuxi me fen tre est utilis e pour l affichage de IRM et des images segment es associ es au volume visionn dans la premi re fen tre Cette seconde fen tre est MIRALab University of Geneva 19 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence automatiquement mise jour lorsque l utilisateur change de vue Finalement une bo te de dialogue assure l interaction avec l utilisateur contr le et param tre les outils de visualisation de s lection et de recalage Celle ci permet aussi de sauvegarder les donn es Must ja 2 Lot st simttnding tes japati Si beo Cut ivatan Tout 7 wsmstratmn te Sitting TUSDA nr Figure 19 Le programme gauche l IRM droite la bo te de dialogue et au centre les donn es 3 2 Le programme description proc durale Avant de d tailler les m thodes d optimisation je d sire revenir quelques instants sur la proc dure g n rale appliqu e pour la mod lisation anatomique des tissus mous Comme on l a d j vu le travail de recalage se r alise en plusieurs temps figure 20 Tout d abord l utilisateur charge le mod le g n rique qu il souhaite adapter puis s lectionne et enregistre ses points caract ristiques laide des outils de s lection suivant la topologie du mesh Cette manipulation n est effectu e qu une seule fo
15. e technique r cup re donc leurs coordonn es et recherche pour chacun d eux le point du mod le g n rique le plus proche Evidemment il est n cessaire que le syst me mette jour les coordonn es quand l utilisateur la d place Dans le cas du cartilage de l ac tabulum nous souhaitons obtenir la surface externe pour le recalage ceci tant r alis l aide de la sph re englobante Ici une difficult suppl mentaire se pr sente En effet il est n cessaire de restreindre la recherche du point le plus proche afin d viter que la sph re ne s lectionne un point de la surface interne figure 21 et 22 Ceci tant r alis facilement si l on limite la recherche plus ou moins la moiti du rayon de la sph re R 2 MIRALab University of Geneva 21 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence a b Ici la sph re s lectionne la surface interne restreindre la recherche Fiqure 21 a Zone demandant une restriction de recherche b R sultat aucun point interne n est s lectionn J Mod les E Points ce N e Outils Ne M Traitement Figure 22 Proc dure avec la sph re MIRALab University of Geneva 22 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence La spline La spline se d finit comme un ensemble de points ordonn s attach s de bout en bout et poss de des points de contr le permettant de la d placer et d en modifier sa forme E
16. eci permettant de gagner norm ment de temps et de rendre le programme plus ind pendant 5 Conclusion 5 1 Commentaires Ce projet a t men avec le d fi de construire une application compl te en exploitant les m thodes issues de recherches en optimisation de traitement graphique Plusieurs m thodes ont t mises en avant et toutes ont t inclues dans le programme final Certes certaines se sont av r es inutiles mais d autres ont fortement am lior l utilisation globale du programme ou en ont augment sa souplesse Malgr les am liorations qu il reste accomplir ce projet a constitu une certaine r ussite dans l optimisation des m thodes de recalage et encourage la recherche de nouveaux proc d s MIRALab University of Geneva 34 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Ce travail de licence tait int ressant gr ce l axe de recherche tudi et aux outils utilis s pour la mise en oeuvre En effet la r alisation d une application compl te l aide d un langage objet comme C et la d couverte des librairies VTK faisaient partie des aspects stimulants de ce projet De plus travailler dans un domaine tel que la mod lisation m dicale constitue un sujet particuli rement passionnant L tude des techniques de recalage et de mod lisation 3D ainsi que leurs optimisations laissent para tre un futur int ressant gr ce l infinit de possibilit s de d veloppement et aux divers enjeu
17. et M moire Charbonnier COME de licence Proc dure compl te de recalage cf aussi point 3 2 1 Pour s lectionner les points caract ristiques gt Chargez le mod le en cliquant sur Load fichier ST gt Choisissez l outil de s lection a pour la sph re appuyez sur SphereSelector et placez la autour ou l int rieur du cartilage Attention la sph re doit tre correctement coll e la surface sinon les points ne seront pas s lectionn s b pour la spline appuyez sur SplineSelector et placez la sur le ligament en agissant sur les points de contr le Utilisez le type de s lection Default le mode Restrictive n tant plus n cessaire vu que l on utilise des ligaments de haute r solution gt Si vous utilisez la spline enregistrez la en SP l aide du bouton Save sinon passez l tape suivante gt S lectionner les points caract ristiques en cliquant sur SelectOnST gt Pour la spline r p ter 2 fois les 3 tapes pr c dentes pour avoir les 2 zones d attache et les points sur le corps gt Enregistrer les points caract ristiques en txt l aide du bouton Save 2 Pour s lectionner les zones ou les surfaces d attache gt Chargez l os ou les os en cliquant sur Load fichier vtk gt Pour les ligaments cliquez sur SplineSelector et disposez la spline sur l os l endroit d sir Appuyez ensuite sur SelectOnModel le syst
18. ieure c Ligaments de la hanche face ant rieure Cette articulation est la fois tr s stable et tr s mobile Elle parvient concilier des imp ratifs contradictoires de mobilit et de stabilit De plus elle assure la jonction tronc membre inf rieur et en ce sens supporte la moiti du poids du buste de la t te des membres sup rieurs et du bassin en position debout et appui bi podal sur les deux pieds mais supporte en r alit des contraintes bien sup rieures d s lors que le corps est en mouvement Pour ce projet nous nous concentrons sur les ligaments et les cartilages de la hanche ainsi que les os La reconstruction de ces diff rents tissus est r alis e partir des IRMs du patient et des donn es segment es technique des Marching cubes En ce qui concerne les os ceux ci sont clairement identifiables sur les images et peuvent tre mod lis s facilement figure 3 Figure 3 Segmentation automatique des os on remarque qu ils sont facilement identifiables http www letempledelaforme com article21 html http perso wanadoo fr d lefebvre bertin htm i http www exaflop org docs marchcubes ind html MIRALab University of Geneva 4 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence En revanche les tissus mous comme les ligaments posent beaucoup plus de probl mes Effectivement les ligaments sont peu apparents et leurs zones d insertion et leur orientation exactes demeurent floues Ai
19. is En effet les points caract ristiques sont invariants vu que nous utilisons les mod les g n riques comme r f rence globale Ensuite l utilisateur affiche le f mur ou le pelvis ou les deux afin de s lectionner la surface d attache La technique de s lection d pendra nouveau du mod le g n rique mais il devra veiller s lectionner un ensemble de points identique en nombre par rapport la s lection de l tape pr c dente et l ordonner correctement pour TPS Une fois les s lections achev es il ne reste plus qu recaler le mod le avec TPS Le ligament ou le cartilage ainsi adapt est alors sauvegard MIRALab University of Geneva 20 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Figure 20 Proc dure de recalage 3 3 M thodes d optimisation impl ment es Dans cette section je vais d velopper chaque technique impl ment e en cartant celles qui n ont apport aucune am lioration au programme cf 2 2 1 Les outils de s lection La sph re De part leur caract re sph rique cet outil est utilis pour les cartilages Nous l avons d j mentionn au paragraphe 2 2 la sph re permet de s lectionner les points caract ristiques facilement en la disposant manuellement autour ou l int rieur du cartilage suivant la surface qu il s agit de s lectionner Comme n importe quel objet 3D la sph re est repr sent e par un ensemble de points interli s Cett
20. jet M moire Charbonnier COME de licence 2 Recalage des cartilages La surface du cartilage doit coller parfaitement l os De ce fait le proc d utilis ici consiste s lectionner pour chaque point caract ristique le point de l os le plus proche figure 26 Ils seront donc directement recal s et la correspondance pour TPS sera garantie Mod les Points En Traitement Figure 26 Proc dure de recalage des points caract ristiques des cartilages Evidemment la surface d attache doit avoir tout de suite la bonne orientation Le cas ch ant la position du cartilage par rapport l os sera mauvaise Heureusement le cartilage est un tissu facile segmenter Nous aurons donc ais ment son orientation exacte 3 Param trage de TPS On l a vu un nombre de point lev est un facteur f cheux pour la performance du programme En laissant l utilisateur le choix du nombre de points une zone de texte a t pr vue cet effet le syst me acquiert beaucoup plus de souplesse On verra dans les tests par la suite que le nombre de points s lectionn s par les techniques de s lection automatique tourne autour des 400 points ce qui est cons quent Avec le param trage l utilisateur a la possibilit de r duire ce nombre tout en gardant une bonne r partition sur le mesh condition respecter si l on veut obtenir une d formation acceptable MIRALab University of Geneva 25 Caecilia Pr
21. lle est utilis e pour deux manipulations diff rentes la s lection des points caract ristiques et la s lection des zones d attache Dans les deux situations le m canisme est identique quelques exceptions pr s Comme pour la sph re l id e est de parcourir la spline en r cup rant la position de chaque point qui doit tre mise jour chaque d placement et en recherchant le point du ligament ou de l os le plus proche figure 23 Ainsi un contour se dessine et l ordre des points est assur Quant la s lection des zones d attache une diff rence est noter il est imp ratif que le nombre de points s lectionn s soit gal au nombre de points de la s lection sur le mod le g n rique cf 2 1 sinon la d formation sera mauvaise car TPS n cessite le m me de points en entr e qu en sortie figure 23 Dans ce but le syst me propose l utilisateur de choisir avec quel ligament et quelle s lection du mod le il souhaite faire la correspondance D s lors le syst me s lectionne automatiquement le nombre de points n cessaire Mod les Points Outils Traitement Figure 23 Proc dure avec la spline gauche s lection des points caract ristiques et droite s lection des zones d attache MIRALab University of Geneva 23 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Pour disposer la spline dans la sc ne plusieurs solutions s offrent alors L utilisateur a la possi
22. me vous demandera de sp cifier avec quel ligament et quels points caract ristiques du mod le vous voulez faire correspondre la zone d attache donnez le ligament et la spline qui a s lectionn ces points R p ter l op ration pour la seconde zone d attache Finalement placez la spline de fa on ce qu elle d termine par o le ligament doit passer et cliquez sur SelectMiddleOfST le syst me vous demandera nouveau de sp cifier avec quel ligament et quels points caract ristiques du mod le vous voulez faire correspondre la s lection gt Pour les cartilages appuyez sur Translate le syst me vous demandera de sp cifier quels points caract ristiques vous voulez recaler gt Laissez vos points affich s l cran pour le recalage MIRALab University of Geneva 38 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence 3 Recaler le mod le avec TPS gt Sp cifier le nombre de points pour TPS dans la zone de texte pr vue cet effet puis cliquez sur Ldm Reg le syst me vous demandera de sp cifier quels points caract ristiques vous voulez utiliser pour le recalage gt Enregistrez le mod le en ST avec le bouton Save Autres fonctionnalit s utiles 1 Pour cr er une spline partir de landmarks appuyez sur New Ldm et placez le landmark dans la sc ne l endroit souhait R p tez cette derni re action suivant le nombre de points de contr le n cessaire puis appu
23. n rales de la surface du mesh tout en minimisant le temps de calculs Au niveau du nombre de points on peut constater l observation suivante plus celui ci est lev plus la d formation et la r partition des points sur le mesh sont bonnes mais plus le temps de calculs est cons quent Effectivement on a un accroissement du nombre de points d influence sur le mesh qui minimise le nombre de points approxim s par interpolation vu que ceux ci sont directement recal s Il faudra donc trouver un nombre de points id al sans diminuer la performance En ce qui concerne la position des points caract ristiques nous avons remarqu que les proportions taient mieux pr serv es si les points taient r guli rement r partis sur le mesh figure 9 Ceci permet d am liorer l approximation pour les points entre deux points sources car un point du mesh proche d un point source est recal une position proche du point cible correspondant Figure 9 a R partition parfaite des points caract ristiques en bleu sur le mod le g n rique les proportions sont bien pr serv es b R partition al atoire Dans le programme de base les techniques impl ment es admettaient uniquement de placer des points isol s manuellement et n gligeaient de prendre en compte la topologie du mesh De ce fait il n tait pas possible de disposer un grand nombre de points sur le mesh car ceci devenait trop fastidieux et la d formation tait par co
24. nn es segment es les ligaments etc de disposer manuellement un un et interactivement des points caract ristiques sur les IRMs et sur les mod les g n riques et de recaler ceux ci en utilisant TPS Figure 5 a S lection des points caract ristiques en bleu sur le mod le g n rique b S lection des zones d attache sur les os en bleu c Recalage avec TPS MIRALab University of Geneva 7 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Mod les S Points Outils Volume Fiqure 6 Diagramme illustrant les tapes du recalage Apr s tude de ce programme de base nous avons remarqu que les techniques utilis es pour le recalage taient p rilleuses manuelles et surtout tr s approximatives car elles n gligeaient les contraintes anatomiques comme par exemple que le ligament soit parfaitement attach l os D s lors il semblait essentiel d apporter de nouvelles solutions permettant d optimiser ces m thodes notamment en permettant la s lection automatique des points caract ristiques et des zones d attache sur les os ceci afin d obtenir un recalage plus pr cis et plus r aliste Dans ce cadre les objectifs fix s pour ce m moire ont t e D tudier l influence des param tres du recalage en particulier le nombre et la position des points caract ristiques sur la qualit de recalage e D incorporer des contraintes g om triques au processus de recalage dans
25. ns quent mauvaise D s lors il paraissait n cessaire de trouver des m thodes d optimisation permettant de s lectionner automatiquement les points optimaux en respectant les deux conditions sus mentionn es performance et conservation des proportions MIRALab University of Geneva 12 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence M thodes d optimisation propos es Les solutions de recalage propos es reposent sur deux l ments essentiels elles doivent rendre le programme plus automatique plus souple et doivent s appuyer sur des contraintes g om triques et anatomiques Les ligaments poss dent une g om trie filiforme et doivent tre fix s l os par leurs deux extr mit s figure 10 Nous allons donc chercher des proc d s permettant de s lectionner l ensemble des points caract ristiques constituant les contours des surfaces d attache les extr mit s et en faisant de m me sur l os les points des zones d attache du ligament a b Figure 10 a Les ligaments g n riques de la hanche b Contrainte le ligament doit tre fix l os par ses deux extr mit s Pour les cartilages leur g om trie diff re fortement de celle des ligaments En effet ceux ci ressemblent des demi sph res cartilage de l ac tabulum ou des sph res trou es cartilage f moral Ici nous n allons plus nous int resser leurs extr mit s mais l ensemble de leur surface car celle ci es
26. nsi on se voit dans l impossibilit de mod liser ceux ci directement d apr s les IRMs C est pourquoi nous utilisons des mod les g n riques qu il s agit de recaler sur les os du patient en prenant en compte l information limit e des IRMs La segmentation des cartilages quant elle est relativement ais e Nous savons que les cartilages doivent coller l os Or lors de leur reconstruction partir des images segment es on constate que ceux ci conservent leur orientation d origine mais ne sont malheureusement pas parfaitement coll s Ceci provenant de d fauts dans la m thode de reconstruction des Marching cubes Nous allons donc nous servir des cartilages issus des donn es segment es du patient et les recaler pour qu ils respectent les contraintes anatomiques Le cartilage d un patient peut tre aussi utilis de mani re g n rique et tre recal sur les os d un autre patient mais le r sultat sera par cons quent moins bon Voici un tableau illustrant les donn es disponibles dans le cadre de ce projet Capsule articulaire union des ligaments ilio f moral Ischio f moral et pubo f moral Cartilage f moral Patient Cartilage de l ac tabulum Patient Tableau 1 Donn es disponibles et leur origine G n rique MIRALab University of Geneva 5 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence 1 3 Solutions apport es et objectifs Comme il est de coutume dans l animation 3D nous utilisons
27. ntour du ligament en son milieu d Les points sont s lectionn s sur la spline MIRALab University of Geneva 2g Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Mod les Points Outils IH Traitement Figure 29 Proc dure avec prise en compte du contour du ligament en son milieu A gauche la s lection sur le mod le g n rique au centre la s lection des zones d attache sur les os et droite la s lection du contour du ligament en son milieu Pour cette deuxi me s rie c est ce moment l que nous avons pens param trer TPS Nous ne voyions pas l utilit de le faire plus t t car les ligaments utilis s avant avaient une r solution faible Gr ce cette optimisation nous avons gagn de pr cieuses secondes Dans les pages qui vont suivre vous trouverez un tableau comparatif des r sultats tableau 3 et quelques illustrations du recalage des ligaments et des cartilages g n riques sur les os de deux patients une homme et une femme bas sur leurs IRMs et les donn es segment es correspondantes figures 30 32 MIRALab University of Geneva 29 Caecilia Charbonnier Tableau ajouter l impression MIRALab University of Geneva Projet COME M moire de licence 30 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence a b Figure 30 a Mod le homme ligament pubo f moral S rie 1 b Mod le homme ligament pubo f moral et autres tissus S
28. oint celui du contour le plus proche Ainsi on devrait obtenir une cha ne ordonn e ce qui n est malheureusement pas le cas Nous avons donc abandonn cette m thode MIRALab University of Geneva 14 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Erreur c Figure 12 a Plan parall le la surface d attache du ligament b R sultat obtenu avec le plan on remarque que les points caract ristiques ne sont pas correctement ordonn s c R sultat souhait cha ne ordonn e gt S lection par une spline des points du contour de la surface d attache du ligament Apr s l chec du plan c est avec la spline que j ai d cid de poursuivre Il suffit de disposer une spline sur le contour de la surface d attache Celle ci va s lectionner les points du mesh n cessaires tout en les ordonnant automatiquement figure 13 C est cette solution que nous avons retenue pour les ligaments MIRALab University of Geneva 15 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence a Figure 13 a Spline dispos e sur le contour de la surface d attache les petites sph res roses repr sentent les points de contr le de la spline permettant de d placer ou de d former celle ci b Points caract ristiques s lectionn s par la spline ils sont automatiquement ordonn s gt S lection des points de courbure maximale du cartilage en tant que surface d attache Les cartilages poss dant des surfaces cour
29. ojet M moire Charbonnier COME de licence 4 D formation dynamique du ligament et de sa zone d attache correspondante Cette technique permet de visualiser dynamiquement le changement de s lection sur l os et la d formation correspondante du ligament Lorsque l utilisateur modifie la forme ou la position de la spline il peut demander au syst me d afficher directement les transformations cons quentes c est dire les nouveaux points s lectionn s sur l os et la d formation n cessaire pour que l extr mit du ligament puisse correspondre cette s lection Ceci est relativement pratique pour valuer ou modifier le r sultat du recalage rapidement 4 R sultats critiques et am liorations 4 1 Les donn es de test Toutes les donn es de tests ont t fournies par l assistant Une premi re s rie de tests a t labor e en respectant uniquement les contraintes de liaison avec les os Apr s r flexion et discussion avec celui ci certaines m thodes taient un peu approximatives et ont t modifi es Une fois celles ci corrig es une deuxi me s rie de tests a t r alis e avec des mod les g n riques de haute r solution Ainsi tous les tissus g n riques disponibles cf paragraphe 1 2 ont t recal s selon les contraintes de liaison avec les os mais aussi en d tectant la collision avec d autres tissus Pour valider les tests j ai utilis deux sujets les os d un homme et d une femme issus de leur
30. puyer sur Model gt Pour visualiser les donn es segment es sur l IRM dans la petite fen tre appuyer sur Segmented Data MIRALab University of Geneva 39
31. s IRMs ainsi que les donn es segment es et les IRMs du patient correspondant 4 2 R sultats et commentaires D une mani re g n rale les m thodes impl ment es ont apport beaucoup de souplesse au programme Elles sont plus automatiques plus simples et plus rapides manipuler Nous constatons aussi que peu de diff rences s parent les deux sujets Je vais maintenant successivement commenter les deux s ries de tests Premi re s rie de tests La s lection des points caract ristiques quelque soit l outil utilis s est d roul e sans probl me Les techniques ont t concluantes avec tous les mod les g n riques et ces outils permettent de s lectionner parfaitement le contour d attache des ligaments et les surfaces d attache des cartilages Pour le recalage les r sultats diff rent suivant le type de mod le g n rique En ce qui concerne les cartilages le r sultat est excellent La surface des deux mod les colle parfaitement l os aucune zone d encastrement dans l os n est relever Pour les ligaments les premiers tests sont satisfaisants La zone d attache est nettement plus facile s lectionner et manipuler et les extr mit s collent correctement l os Les contours sont assez nets sauf lorsque le corps du ligament est trop tir En revanche MIRALab University of Geneva 26 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence on constate trop de d formation et un manque d pais
32. s et topologiques Mod le g n rique Zones de contrainte le ligament doit tre attach l os Points caract ristiques Mod le du patient MIRALab University of Geneva 2 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Le travail de ce m moire consiste alors en la conception d une application permettant de mod liser des mod les 3D r alistes de la hanche en tenant compte des propri t s anatomiques et en s appuyant sur les IRMS correspondants 1 2 L anatomie de la hanche L articulation de la hanche dite coxo f morale unit le bassin os iliaque l extr mit sup rieure du f mur Il s agit d une articulation de type narthrose qui gr ce sa forme permet une grande libert de mouvement L extr mit sup rieure du f mur pr sente une t te dont son volume est gal aux 2 3 d une sph re Sa valeur angulaire est de 240 Dans sa partie centrale elle est creus e par la fossette du ligament rond qui en assure sa vascularisation La cavit cotylo ide ou ac tabulum est un segment de sph re creuse Sa courbure est parfaitement adapt e la courbure de la t te f morale mais sa valeur angulaire n est que de 180 Cet embo tement partiel autorise le mouvement La surface articulaire ressemble un fer cheval dont l ouverture est situ e vers le bas Celle ci est recouverte d une paisse couche de cartilage hyalin cartilage articulaire en moyenne 2 mm Le pourtour de l ac
33. seur au niveau du corps car aucun point ce niveau l n est pris en compte dans TPS D ailleurs ce probl me devient m me catastrophique pour les ligaments ilio f moral et ischio f moral figure 27 Etant fortement en rotation ceux ci traversent en grande partie le f mur et leurs zones d attache sont d coll es Figure 27 Le ligament ilio f moral pr sente une rotation d arri re attache sur le pelvis en avant attache sur le f mur On remarque qu il est fortement d form et qu il traverse la t te f morale Deuxi me s rie de tests Pour les seconds tests nous avons pr f r utiliser des ligaments de plus haute r solution afin d obtenir une meilleure interpolation Le nombre de points tant plus lev j ai d re s lectionner les points caract ristiques Cette fois ci la s lection a t plus ardue r aliser car le mesh tant mieux d fini il est plus irr gulier Toutefois le r sultat est identique aux pr c dents tests Concernant le recalage les cartilages n ont pas t re test s ceux ci ayant d j une r solution lev e Par contre pour les ligaments nous avons remarqu qu il serait int ressant d ajouter des points caract ristiques entre les deux extr mit s du ligament ainsi la r partition des points sur le mesh serait plus uniforme et la d formation serait meilleure Dans ce but nous avons utilis la spline pour s lectionner ces points sur les ligaments selon le m me prin
34. t compl tement coll e l os figure 11 Il faudra donc chercher des proc d s s lectionnant la plupart des points de surface que ce soit sur le cartilage ou sur l os MIRALab University of Geneva 13 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Figure 11 a Cartilage de l ac tabulum en forme de demi sph re b Cartilage f moral en forme de sph re trou e Voici la liste des solutions envisag es qui seront bri vement d crites les caract ristiques plus techniques seront d taill es dans le chapitre suivant 1 Les techniques de s lection des points caract ristiques gt S lection par un plan des points du contour de la surface d attache du ligament II s agit de disposer un plan parall le la surface d attache du ligament et de calculer l intersection de celui ci avec les points du mod le g n rique Si les points appartiennent au plan ils sont s lectionn s En revanche cet ensemble de points est class al atoirement d o la n cessit de conserver et d ordonner uniquement les points du contour afin d assurer par la suite la correspondance pour TPS figure 12 Cette technique paraissait int ressante mais je me suis tr s vite rendue compte qu elle tait limit e En effet elle se borne aux surfaces planaires et nous rencontrons de nombreuses difficult s ordonner les points correctement car la seule information exploitable est de s lectionner pas pas pour chaque p
35. tabulum est prolong par un anneau incomplet de fibro cartilage le labrum Celui ci augmente la stabilit articulaire sans limiter son amplitude figure 1 Le ligament transverse dont les fibres se confondent avec les extr mit s du labrum est la fois souple et tr s r sistant Il compl te la surface articulaire Finalement l articulation elle m me est solidement envelopp e par une capsule articulaire figure 2 L int rieur de celle ci est tapiss d une muqueuse s cr tant le liquide synovial qui d une part nourrit le cartilage et d autre part lubrifie l articulation afin d assurer son glissement exempt de friction Les os sont reli s par les ligaments ilio f moral ischio f moral et pubo f moral qui assurent l articulation la stabilit n cessaire figure 2 Les muscles et les tendons permettent l articulation de bouger F Fu pi ARE Labrum Cotyle T te f morale Ligament rond Grand trochanter er TT Membrane synoviale Ischion Petit trochanter Figure 1 L articulation de la hanche coupe frontale www doctissimo fr html sante atlas img 45b gif MIRALab University of Geneva 3 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Ligament ilio f moral Ligament ilio f moral Ligament ischio f moral fx horizontal fx vertical Ligament pubo f moral AS 4 c Figure 2 a Capsule articulaire en bleu b Ligaments de la hanche face post r
36. tre deux seront interpol s figure 7 L inconv nient de cette technique est que la correspondance de chaque point cible avec son point source doit tre connue et que les deux ensembles de points doivent tre de taille gale et ordonn s identiquement Le cas ch ant la d formation prendra des figures non conformes figure 8 MIRALab University of Geneva 10 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Figure 7 Simple exemple de transformation de coordonn es utilisant TPS On consid re 2 ensembles de points croix et rond pour lesquels nous assurons la correspondance a TPS permet un parfait alignement des points et le recourbement de la grille montre la d formation n cessaire pour que les 2 ensembles de points soient confondus b 100 200 E TT c TPS avec correspondances connues Figure 8 a b Images originales avec leurs markers correspondants c Superposition des images 1 et 2 et d formation en utilisant TPS pour que les markers co ncident 7 http www cs ucsd edu sjb pami_tps pdf i http www ceremade dauphine fr cohen mypapers wacv00 pdf MIRALab University of Geneva 11 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Reste tudier l influence des param tres du recalage en particulier le nombre et la position des points caract ristiques sur la qualit de recalage Dans les 2 cas le but est d obtenir une d formation acceptable pr servant les proportions g
37. ue soit l outil fonctionne parfaitement dans les deux s ries de tests Pour le recalage des cartilages les r sultats sont excellents mais comme je l ai d j mentionn il faut que la segmentation soit correctement ex cut e au pr alablement si l on veut obtenir une bonne orientation Enfin pour les ligaments on constate une nette am lioration dans la deuxi me s rie de tests mais il reste encore du travail fournir si l on veut acqu rir encore un meilleur recalage Dans ce but plusieurs am liorations seraient envisag es comme gt D ajouter des contraintes de d formation permettant de conserver automatiquement les proportions g n rales du ligament ou son volume gt D analyser les possibilit s de recalage autres que TPS gt De recaler les angles anatomiques du patient par rapport aux mod les g n riques c est dire de s assurer que les os du patient soient bien dans la m me orientation que les mod les g n riques gt D am liorer l interaction avec IRM en pla ant plusieurs points sur l image lorsque le ligament est visible et ainsi obtenir une position plus pr cise de celui ci lors du recalage gt De calculer automatiquement le nombre de points n cessaire par rapport la r partition spatiale du mod le g n rique gt Concernant la portabilit du programme nous envisageons aussi de r utiliser les zones d attache les splines d un patient et de les adapter automatiquement un autre c
38. versity of Geneva 18 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence Figure 18 a Points devant tre recal s le cartilage ne figure pas pour raison de clart on voit qu ils ne sont pas coll s la surface ou qu ils sont l int rieur de l os b Apr s manipulation les points collent maintenant parfaitement l os 3 Param trage de TPS On a vu que si l on augmentait le nombre de points caract ristiques on obtenait une d formation et une r partition des points sur le mesh meilleures mais que l accroissement du temps de calculs tait aussi proportionnel Dans cette id e j ai pens qu il serait int ressant de param trer TPS afin de pouvoir d finir manuellement le nombre de points souhait ceci donnant plus de souplesse et de contr le au programme 3 Mise en uvre 3 1 Structure g n rale de l application Une application de mod lisation de mod les 3D anatomiques implique de pouvoir visualiser diff rentes donn es afin de les manipuler Dans ce but un programme de base a t fourni par l assistant permettant de charger des donn es telles que les os les IRMs les donn es segment es les ligaments etc de disposer manuellement et interactivement des points caract ristiques sur les IRMs et sur les mod les g n riques et de recaler ceux ci en utilisant TPS Ce programme se compose de trois modules principaux figure 19 une premi re fen tre permet la visualisation 3D des donn es et de
39. x qu implique la recherche m dicale MIRALab University of Geneva 35 Caecilia Projet M moire Charbonnier COME de licence 6 R f rences 6 1 Livres Frank H Netter M D in Maloine ed Atlas d anatomie humaine 9th edition 1997 I A Kapandii in Moloine ed Physiologie articulaire 4th edition Williams Warwick Dyson amp Bannister in Churchill Livingstone ed Gray s Anatomy 37 edition 1989 H Petersson amp D Allison in Isis Medical Media ed The Encyclopaedia of Medical Imaging 1998 Imagerie m dicale S minaires aux tudiants en m decine de 1 2 et 3 ann e Universit de Gen ve 2001 Torsten B M ller Emil Reif in M decine Sciences Flammarion ed Atlas d anatomie en coupes s ri es TDM IRM 2 edition 2001 H Schild in First Interactive ed R f rence compl te C 2002 Commissions romandes de math matique de physique et de chimie in Tricorne ed Formulaires et tables 2000 6 2 Internet Ressources et documentation www cplusplus com Librairies VTK www vtk org doc nighitly html Standard Template Library STL http www linuxselfhelp com HOWTO C Programming HOWTO 17 htmIl et http www msoe edu eecs cese resources stl Courbure de Gauss http www umpa ens lyon frJME Voli Num1 artSBarre artSBarre pdf Thin Plate Spline interpolation http www cs ucsd edu sjb pami tps pdf et http www ceremade dauphine fr cohen mypapers wacv00 p
40. yez sur CreateSpline et SplineSelector pour l afficher Attention les landmarks doivent tre positionn s dans le bon ordre 0 1 2 sinon la spline ne sera pas correctement ordonn e 2 Pour effacer les landmarks cliquez sur Reset 3 Pour lisser le mod le d finissez le nombre d it rations dans la zone de texte puis appuyez sur Smooth 4 Pour convertir les points petites sph res en landmarks interactifs et vice versa cliquer sur Convert 5 Pour d former le mod le ou la s lection dynamiquement lorsque le mod le ou l os ou les 2 et que la spline sont affich s appuyez sur Deform le syst me vous demandera de sp cifier avec quel ligament et quels points caract ristiques du mod le vous voulez faire correspondre la zone d attache et la d formation donnez le ligament et la spline qui a s lectionn ces points Vous verrez la nouvelle s lection de points sur l os s afficher et la d formation du tissu correspondant 6 Pour visualiser les IRMs et les donn es segment es gt Chargez l IRM et les donn es segment es en cliquant sur Load fichier sMRI et segm gt Pour changer la vue de lIRM appuyer sur Cutplane et d placez le plan repr sentant la coupe IRM dans la fen tre de donn es gt Pour visualiser les landmarks sur l IRM dans la petite fen tre appuyer sur Ladms gt Pour visualiser le mod le g n rique sur l IRM dans la petite fen tre ap
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