Visualisation of Physical Lung Simulation: an Interactive Application to Assist Physicians

International audienceRadiation therapy of cancer necessitates accurate tumour targeting. Unfortunately, during the treatment the tumour and the related organs can undergo large displacement and deformation. Physicians need an estimation of these movements, for an adapted therapy. In this paper, we propose a methodology to provide physicians with reconstructed 4D (3D+time) CT scans, considered as essential data. Moreover we propose an interactive visualisation tool, permitting the exploration of reconstructed 4D CT scans as well as the generation of new CT scan sections in any direction of the 3D space

Modélisation biomécanique du diaphragme humain : du CT-4D au modèle du mouvement

Session "Articles"National audienceL'hadronthérapie est une technique avancée de traitement du cancer par radiothérapie. Elle offre une balistique d'irradiation bien supérieure à la radiothérapie conventionnelle. Lorsque la tumeur se trouve sur un organe en mouvement, la difficulté majeure est de pouvoir la cibler pendant le traitement. En ce qui concerne la tumeur pulmonaire, le diaphragme joue un rôle majeur et prépondérant dans le mouvement tumoral. Le diaphragme est une membrane musculo-tendineuse en forme de dôme qui sépare le thorax de l'abdomen. Dans ce travail nous présentons un modèle biomécanique permettant de modéliser les mouvements du diaphragme pendant la respiration. Dans cette démarche nous simulons le mouvement du diaphragme entre l'inspiration et l'expiration, à partir d'un modèle de contraction musculaire. Pour cela, un modèle biomécanique 3D personnalisé du diaphragme, basé sur la méthode des éléments finis, a été développé à partir de données expérimentales (4D CT-scan) d'un patient. Les résultats de notre modélisation montrent une bonne concordance entre la simulation et les données expérimentales

Resolution of Non-Linear Problems In Realistic-Lung-Inflating Simulation with Finite Element Method.

International audienceHadrontherapy treatment needs accurate tumour targeting, which is difficult for lung cancer due to breathing motions. We propose to quantify lung deformation and displacement by a simulation technique based on the geometrical and mechanical properties of organs. Thereby, we model lung behaviour by a 3D dynamic deformable model derived from continuous mechanics, computed with finite elements method (FEM)

Towards Accurate Tumour Tracking in Lungs

International audienceMotivated by radiotherapy and hadrontherapy improvement, we consider in a first step the potential of simple elastic mechanical modelling of the lung. We propose to simulate his deformation and motion during respiration towards tracking tumours. We present two approaches, based on finite-elements method and mass-spring system. For this, we suggest a personalised model based on the measurement of patient's physical and geometrical data

Lung Mesh Generation to Simulate Breathing Motion with a Finite Element Method

International audienceNumerical modelling of lung behaviour during the respiration cycle is a difficult challenge due to its complex geometry and surrounding environment constraints. This paper presents an approach to simulate a patient's lung motion during inhaling and exhaling based on a continuous media mechanics model and solved with a finite element method. One of the key problems is an adequate lung mesh generation, which is specifically developed in this paper

Simulation of Lung Behaviour with Finite Elements : Influence of Bio-Mechanical Parameters

International audienceMotivated by medical needs, we propose to simulate lung deformation and motion during respiration to track tumours. This paper presents a model of lung behaviour based on a continuous media mechanics model and solved with a finite element method. The result is a simulation of a normal breathing, matching with patient customised data. Moreover, we carried out numerical experiments to evaluate our algorithms and to measure the influence and the relevance of mechanical parameters

A chest wall model based on rib kinematics

International audienceThe success of radiotherapy treatment could be compromised by motion. Lung tumours are particularly concerned by this problem because their positions are subject to breathing motion. To reduce the uncertainty on the position of pulmonary tumours during breathing cycle, we propose to develop a complete thoracic biomechanical model. This model will be monitored through the measurement of external parameters (thorax outer-surface motion, air flow...) and should predict in real-time the location of lung tumour. In this paper, we expose a biomechanical model of the lung environment, based on anatomical and physiological knowledge. The model includes the skin, the ribs, the pleura and the soft tissue between the skin and the ribcage. Motions and deformations are computed with the Finite Element Method. The ribcage direct kinematics model, permits to compute the skin position from the ribs motion. Conversely, the inverse kinematics provides rib motion and consequently lung motion. It can be computed from the outer-surface motion. With regards to available clinical data the results are promising. In particular, the average error is lower than the resolution of the CT-scan images used as input data.Le succès du traitement par radiothérapie pourrait être compromis par le mouvement. Les tumeurs pulmonaires sont particulièrement concernées par ce problème, parce que leurs positions sont soumises à la respiration. Pour réduire l'incertitude sur la position des tumeurs pulmonaires au cours de la respiration, nous proposons de développer un modèle biomécanique de la cage thoracique. Ce modèle sera suivi par la mesure des paramètres externes (mouvement de la surface du thorax extérieur, quantité d'air inspirée et expirée ...) et devrait prévoir en temps réel la localisation de la tumeur du poumon. Dans ce document, nous exposons un modèle biomécanique de l'appareil respiratoire, fondé sur les connaissances anatomiques et physiologiques. Le modèle comprend la peau, les côtes, la plèvre et les tissus mous entre la peau et la cage thoracique. Les mouvements et les déformations sont calculées avec la méthode des éléments finis. Le modèle cinématique direct de la cage thoracique permet de calculer la position de la peau à partir du mouvement des côtes. Inversement, la cinématique inverse permet de déduire le mouvement des côtes et des poumons à partir du mouvement externe de la peau. Les résultats obtenus par ce modèle sont satisfaisants surtout que l’erreur moyenne est inférieure à la résolution des images CT-scan utilisées comme données d’entrée

Aromatase inhibitors augment nociceptive behaviors in rats and enhance the excitability of sensory neurons

Although aromatase inhibitors (AIs) are commonly used therapies for breast cancer, their use is limited because they produce arthralgia in a large number of patients. To determine whether AIs produce hypersensitivity in animal models of pain, we examined the effects of the AI, letrozole, on mechanical, thermal, and chemical sensitivity in rats. In ovariectomized (OVX) rats, administering a single dose of 1 or 5mg/kg letrozole significantly reduced mechanical paw withdrawal thresholds, without altering thermal sensitivity. Repeated injection of 5mg/kg letrozole in male rats produced mechanical, but not thermal, hypersensitivity that extinguished when drug dosing was stopped. A single dose of 5mg/kg letrozole or daily dosing of letrozole or exemestane in male rats also augmented flinching behavior induced by intraplantar injection of 1000nmol of adenosine 5'-triphosphate (ATP). To determine whether sensitization of sensory neurons contributed to AI-induced hypersensitivity, we evaluated the excitability of neurons isolated from dorsal root ganglia of male rats chronically treated with letrozole. Both small and medium-diameter sensory neurons isolated from letrozole-treated rats were more excitable, as reflected by increased action potential firing in response to a ramp of depolarizing current, a lower resting membrane potential, and a lower rheobase. However, systemic letrozole treatment did not augment the stimulus-evoked release of the neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP) from spinal cord slices, suggesting that the enhanced nociceptive responses were not secondary to an increase in peptide release from sensory endings in the spinal cord. These results provide the first evidence that AIs modulate the excitability of sensory neurons, which may be a primary mechanism for the effect of these drugs to augment pain behaviors in rats

A Preliminary Study For A Biomechanical Model Of The Respiratory System

Engineering and Computational Sciences for Medical Imaging in Oncology - ECSMIO is the special session 1 of International Conference on Computer Vision Theory and Applications - VISAPP 2010International audienceTumour motion is an essential source of error for treatment planning in radiation therapy. This motion is mostly due to patient respiration. To account for tumour motion, we propose a solution that is based on the biomechanical modelling of the respiratory system. To compute deformations and displacements, we use continuous mechanics laws solved with the finite element method. In this paper, we propose a preliminary study of a complete model of the respiratory system including lungs, chest wall and a simple model of the diaphragm. This feasibility study is achieved by using the data of a "virtual patient". Results are in accordance with the anatomic reality, showing the feasibility of a complete model of the respiratory system

Simulation biomécanique de la descente foetale sans trajectoire théorique imposée

A l'heure actuelle, le geste médical de l'accouchement est appris par les obstétriciens en réalisant de réels accouchements sous l'oeil attentif d'un expert. Ce geste devient plus compliqué lors des accouchements instrumentés, c'est-à-dire nécessitant l'utilisation de forceps ou de ventouses. L'utilisation d'un simulateur d'accouchement polyvalent prenant en compte différents cas anatomiques et pathologiques permettrait ainsi de compléter la formation des obstétriciens en améliorant la prise en charge de la parturiente. La réalisation d'un tel outil d'apprentissage peut reposer sur une partie logicielle, permettant la visualisation du comportement du foetus en interaction avec les organes de la parturiente (utérus, abdomen, bassin mou et osseux), et le calcul des efforts produits. Notons qu'en dehors des simulateurs basés sur un mannequin robotisé, qui sont disponibles dans le commerce, très peu d'outils de formation basés sur le calcul numérique des efforts produits ont été élaborés. Et malheureusement, tous ces simulateurs évaluent les forces d'expulsion de l'accouchement en imposant une trajectoire foetale pré-calculée. Ils ont ainsi des possibilités assez limitées et ne répondent pas aux exigences de polyvalence décrites ci-dessus. Par ailleurs, de nombreux travaux de recherches visent à simuler avec précision les effets de l'accouchement sur le dysfonctionnement du plancher pelvien et sur le prolapsus des organes, en se concentrant notamment sur les dommages causés aux muscles releveurs de l'anus. Mais ces modèles basés sur la méthode des éléments finis, ne prennent pas en considération l'ensemble des organes pelviens impliqués dans le processus de l'accouchement. Pour concilier l'exactitude des résultats et des temps de calcul interactifs, nous proposons une approche qui se situe entre les deux classes de travaux décrits ci-dessus afin d'effectuer une simulation réaliste de la descente du foetus au cours de l'accouchement. Dans cet article nous présentons la première étape de ce travail en mettant l'accent sur la modélisation géométrique et biomécanique des principaux organes impliqués. A ce stade, afin de vérifier l'exactitude de notre hypothèse, nous utilisons la méthode des éléments finis, en raison de sa fiabilité, sa précision et sa stabilité. La prochaine étape de notre travail portera sur l'optimisation de la simulation numérique pour obtenir du temps interactif afin de permettre son couplage avec un dispositif haptique