Modélisation in-silico des voies aériennes : reconstruction morphologique et simulation fonctionnelle

Volume spiral CT, in-silico modeling, upper airways, proximal airways, 3D segmentation, 3D mesh modeling, restricted Delauney mesh, adaptive Marching Cubes, central axis, virtual endoscopy, anatomical indexing, fluid flow simulation.Dans les nouveaux protocoles thérapeutiques par voie inhalée, le dosage des particules actives reste un problème complexe qui dépend de trois principaux facteurs : leur taille, la dynamique des flux et les variations de calibre bronchique. La solution nécessite de disposer d'un modèle de distribution des gaz et aérosols administrés dans les poumons. Ventilation pulmonaire et effets du cycle respiratoire sur la dynamique des fluides deviennent deux enjeux clés de la pratique clinique.Dans ce contexte, le projet RNTS RMOD a pour objectif de développer un simulateur morpho-fonctionnel des voies respiratoires pour l'aide au diagnostic, au geste médico-chirurgical et à l'administration de médicaments par inhalation.Contribuant au projet RMOD, la recherche développée dans cette thèse propose une modélisation in-silico de la structure des voies aériennes supérieures (VAS) et proximales (VAP) à partir d'examens tomodensitométriques (TDM). L'investigation morphologique et la simulation fonctionnelle bénéficient alors de géométries 3D réelles, adaptées au patient et spécifiques des pathologies rencontrées.La modélisation développée fait coopérer des méthodes originales de segmentation, de construction de surface maillée et d'analyse morpho-fonctionnelle.La segmentation des VAP est obtenue par un schéma diffusif et agrégatif gouverné par un modèle markovien, dont l'initialisation repose sur l'opérateur de coût de connexion sous contrainte topographique. De cette segmentation, l'axe central de l'arbre bronchique est extrait de manière robuste et précise en combinant information de distance, propagation de fronts, et partition conditionnelle locale. Cet axe central est représenté sous forme d'une structure hiérarchique multivaluée synthétisant caractéristiques topologiques et géométriques de l'arbre bronchique. Une surface maillée est ensuite construite en appliquant une procédure de Marching Cubes adaptative, les paramètres des différents filtres mis en jeu étant automatiquement ajustés aux caractéristiques locales du réseau bronchique conditionnellement aux attributs de l'axe central.La segmentation des VAS repose sur une propagation markovienne exploitant les variations locales de densité. L'initialisation combine morphologie mathématique et information de contour afin de garantir la robustesse à la topologie. Une procédure de type triangulation de Delaunay restreinte à une surface fournit ensuite la représentation maillée des VAS. Il est établi que la topologie et la géométrie des structures complexes composant les VAS sont effectivement préservées.Pour permettre aux médecins de valider les modèles maillés ainsi construits, un environnement virtuel 3D convivial et interactif a été réalisé. En outre, la morphologie des voies aériennes exo- et endo-luminale est analysée de façon automatique à partir de simulations d'écoulement pour des géométries réelles.Enfin, une modélisation unifiée des VAP et VAS est obtenue pour la première fois. Elle démontre la pertinence des approches développées. Elle ouvre la voie à la construction de modèles in-silico complets de l'appareil respiratoire ainsi qu'aux études fonctionnelles prenant en compte les paramètres morphologiques susceptibles d'influer localement ou globalement sur la dynamique des écoulements

Modélisation in-silico des voies aériennes (reconstruction morphologique et simulation fonctionnelle)

Dans les nouveaux protocoles thérapeutiques par voie inhalée, le dosage des particules actives reste un problème complexe qui dépend de trois principaux facteurs : leur taille, la dynamique des flux et les variations de calibre bronchique. Contribuant au projet RNTS RMOD, la recherche développée dans cette thèse propose une modélisation in-silico de la structure des voies aériennes supérieures (VAS) et proximales (VAP) à partir d examens tomodensitométriques. La modélisation développée fait coopérer des méthodes originales de segmentation des images, de construction de surface maillée et d analyse morphofonctionnelle. Une modélisation unifiée des VAP et VAS est obtenue pour la première fois. Elle démontre la pertinence des approches développées, ouvrant la voie aux études fonctionnelles prenant en compte les paramètres morphologiques susceptibles d influer localement ou globalement sur la dynamique des écoulements.In the new therapeutic protocols by inhalation, dosing the actives particles is still a complex issue which depends on three main parameters : the size, the fluid dynamics and the bronchial calibre variations. As a contribution of the RNTs project RMOD, the research developed in this thesis proposes an in-silico modelisation of the Upper Airwavs (UAw) and Proximal Airways (Paw) structure from computer tomography data. The developed modelisation uses original methods for image segmentation, meshed surface construction and morphofonctional analysis. A unified modelisation of the Uaw and Paw is obtained for the first time. It shows the pertinence of the developed approach, leading to functional studies which takes into account the morphological parameters influencing locally or globally on the fluid dynamics.PARIS5-BU Saints-Pères (751062109) / SudocSudocFranceF

Virtual investigation of pulmonary airways in volumetric computed tomography, in "Comput. Anim. Virtual Worlds", vol. 15, n o 3-4

This paper addresses the issue of non-invasive investigation and functional assessment of pulmonary airways reconstructed from multi detector computed tomography clinical acquisitions. Such an analysis combines accurate 3D meshing of the inner bronchial wall surface and navigation and interactivity tools based on a robust central axis representation. A reliable endoluminal investigation of airways via virtual bronchoscopy is possible regardless of their anatomical/pathological specificity (small caliber bronchi, severe stenoses,...). Computational fluid dynamics simulations on real airway geometries allow to assess functional modifications induced by physiopathological changes

An image-based computational model of oscillatory flow in the proximal part of the tracheobronchial trees

A computational model of an oscillatory laminar flow of an incompressible Newtonian fluid has been carried out in the proximal part of huaman tracheobronchial trees, either normal or with a strongly stenosed right main bronchus. After acquisition with a multislice spiral CT, the thoracic images are processed to reconstruct the geometry of the trachea and the six first brinchus generations and to virtually travel inside this duct network. The facetisation associated with the three-dimensional reconsturction of the tracheobronchial tree is improved to get a computation-adapted surface triangulation, which leads to a volumic mesh composed of tetrahedra. The Navier-Stokes equations associated with the classical boundary conditions and different values of the flow dimensionless parameters are solved using the finite element method. The airways are supposed to be rigid during rest breathing. The flow distribution among the set of bronchi is determined during the respiratory cycle. Cycle reproducibility and mesh size effects on the numerical results are examined. Helpful qualitative data are provided rather than accurate quantitative results in the context of multimodelling, from inmage processing to numerical simulations

The use of combined single photon emission computed tomography and X-ray computed tomography to assess the fate of inhaled aerosol

Background: Gamma camera imaging is widely used to assess pulmonary aerosol deposition. Conventional planar imaging provides limited information on its regional distribution. In this study, single photon emission computed tomography (SPECT) was used to describe deposition in three dimensions (3D) and combined with X-ray computed tomography (CT) to relate this to lung anatomy. Its performance was compared to planar imaging.Methods: Ten SPECT/CT studies were performed on five healthy subjects following carefully controlled inhalation of radioaerosol from a nebulizer, using a variety of inhalation regimes. The 3D spatial distribution was assessed using a central-to-peripheral ratio (C/P) normalized to lung volume and for the right lung was compared to planar C/P analysis. The deposition by airway generation was calculated for each lung and the conducting airways deposition fraction compared to 24-h clearance.Results: The 3D normalized C/P ratio correlated more closely with 24-h clearance than the 2D ratio for the right lung [coefficient of variation (COV), 9% compared to 15% p?&lt;?0.05]. Analysis of regional distribution was possible for both lungs in 3D but not in 2D due to overlap of the stomach on the left lung. The mean conducting airways deposition fraction from SPECT for both lungs was not significantly different from 24-h clearance (COV 18%). Both spatial and generational measures of central deposition were significantly higher for the left than for the right lung.Conclusions: Combined SPECT/CT enabled improved analysis of aerosol deposition from gamma camera imaging compared to planar imaging. 3D radionuclide imaging combined with anatomical information from CT and computer analysis is a useful approach for applications requiring regional information on deposition.<br/