Résolution des Equations de Maxwell pour un système d'Imagerie Médicale complet – MEDIMAX

Le projet implique également le développement d'un code open source généraliste parallélisé de simulation d'un problème direct, basé sur l'environnement haut niveau de FreeFEM + +, pour modéliser le problème direct de la diffraction des ondes électromagnétiques arbitraires dans des milieux fortement hétérogènes, pour une large gamme de fréquence.
Les premières applications envisagées ici seront applications médicales: images tomographiques microondes d'accidents vasculaires cérébraux, traumatismes crâniens, ... à partir de données synthétiques et expérimentales en collaboration avec EMTensor GmbH, Vienne (Autriche), une société´ d'imagerie médicale et électromagnétique, développant des systèmes d'imagerie microonde pour la détection et le suivi des AVC et accidents cérébraux

- Modélisation et simulation du système d'émission/réception d'EMTensor avec le logiciel commercial HFSS.
Développement d'un code de simulation basé sur l'environnement haut niveau FreeFem++, modélisant l’acquisition des mesures du cerveau par un réseau de 160 (5 couronnes de 32 antennes) antennes tridimensionnelles. Comparaison résultats numériques/code commercial HFSS en très bon accord.
- A l'issue de cette première période, la modélisation et la simulation d'un modèle de tête tridimensionnel de 5.7 Megapixels (362x434x362 pixels) avec le code FreeFem++

Développement d'une nouvelle méthode numérique pour résoudre le problème inverse afin de reconstruire de reconstruire des images tomographiques microondes à partir de données expérimentales (pour les différents modèles de fantômes réalistes) acquises avec le système construit par la société EMTensor (Vienne, Autriche).

1. L. Conen, V. Dolean, R. Krause, F. Nataf, A coarse space for heterogeneous Helmholtz problems based on the Dirichlet-to-Neumann operator, Journal of Computational and Applied Mathematics, Volume 271, December 2014, Pages 83-99.
2. V. Dolean, P. Jolivet and F. Nataf, An Introduction to Domain Decomposition Methods: algorithms, theory and parallel implementation, Lecture Notes in Computer Science, 2015.
3. El Kanfoud, V. Dolean, C. Migliaccio, J. Lanteri, I. Aliferis, Ch. Pichot, P.-H.Tournier, F. Nataf, F. Hecht, S. Semenov, M. Bonazzoli, F. Rapetti,, R. Pasquetti, M. De Buhan, M. Kray, M. Darbas “Whole-microwave system modeling for brain imaging”. ”. 2015 IEEE CAMA (International Conference on Antenna Measurements & Applications) (November 30-December 2, 2015, Chiang Mai, Thailand). Special Session «Recent Advances in Electromagnetic Imaging«.

L'objectif principal est le développement méthodologique et numérique d'un outil robuste inversion (associé au problème électromagnétique directe) cela suppose aussi l'analyse comparative des différentes autres approches existantes (Reverse temps à absorber Etat, Méthode de petit volume extensions, la méthode Level Set) .
Cela implique egalement le développement d'un code open source generaliste parallèle de simulation d'un problème direct, basé sur l'environnement de haut niveau de FreeFEM + +, qui peut être utilisé pour la modélisation de la diffusion des ondes électromagnétiques arbitraires dans des milieux fortement hétérogènes, sur une gamme de fréquences étendue .
Les premières applications envisagées ici seront applications médicales: images tomographiques micro-ondes d'accidents vasculaire cérébraux, traumatismes crâniens, ... à partir de données synthétiques et expérimentales en collaboration avec EMTensor GmbH, Vienne (Autriche), une société d'imagerie médicale et électromagnétique, avec des neurologues, accident vasculaire cérébral et le cerveau spécialistes chirurgien blessures (Carolinas Medical Center, Caroline du Nord, Etats-Unis, l'Hôpital de North Straffordshire, Royaume-Uni, Université médicale de Vienne, Autriche).

Il ya deux grands défis à résoudre justifiant l'originalité et la nouveauté du projet:
1) Développement d'un outil numérique pour résoudre le problème direct, réaliser un modèle réaliste a partir des données acquises par le système d'imagerie micro-ondes. La modélisation doit tenir compte avec exactitude de la grande hétérogénéité et la complexité des tissus de la tête (peau, la graisse, le crâne, la moelle osseuse, le cerveau / de la substance blanche, le cerveau / de la matière grise, liquide céphalo-rachidien, artères, ...) pour les cas normaux et pour les différents cas possibles de pathologie du cerveau (AVC ischémiques et hémorragiques, traumatismes crâniens, ...). Les tissus sont des milieux diélectriques dissipatifs dans le domaine des hyperfréquences, c'est à dire qu'ils présentent une permittivité complexe. Ils sont en outre dispersifs (la permittivité complexe varie fonction de la fréquence). L'interaction onde / matière doit prendre en compte également avec précision le champ incident à partir des antennes d'émission. Cette interaction est assez complexe car elle doit être considérée comme un problème de couplage entre les antennes et la tête plutôt que d'un problème de diffusion simple. En d'autres termes, la présence de la tête perturbe le champ incident créé par les antennes. En outre, le champ électrique est mesuré au moyen de capteurs (antennes). Par conséquent, nous n'avons pas accès directement au champ électrique, mais aux parametres de diffraction. En regardant l'état de l'art de la modélisation numérique, ensemble de l'interaction n'a jamais été modélisé.
2) Développer une nouvelle méthode numérique pour résoudre le problème inverse afin de reconstruire de reconstruire des images tomographiques micro-ondes à partir de données expérimentales (pour les différents modèles de fantômes réalistes) acquises avec le système construit par la société EMTensor, (Vienne, Autriche) est un défi de grande taille.

En règle générale, les applications biomédicales ont beaucoup de défis scientifiques qui attendent d'être abordés, le tout avec des effets potentiellement énormes sur la société de demain.