Contribution mécanique à la réduction des marges en radiothérapie de la prostate : modélisation et simulation numérique du mouvement et de la déformation des organes pelviens, Mechanical approach for reducing margins during prostate radiotherapy : modeling and finite element simulation of the motion and deformation of pelvic organs

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Sous la direction de Jean-François Ganghoffer, Pierre Aletti
Thèse soutenue le 03 décembre 2009: INPL
La prostate est un organe pelvien qui joue un rôle important dans son environnement anatomique, notamment en assurant la sécrétion d’un liquide essentiel dans la composition du liquide séminal. Le cancer de la prostate représente la première cause mortalité chez l’homme à un âge avancé. Ce travail concerne le développement par la méthode des éléments finis d'un modèle numérique du mouvement des organes pelviens (prostate, vessie, rectum) et de leurs interactions. L’objectif est la réduction des marges d'irradiation du volume cible au cours d'une séance de radiothérapie, afin de ne pas altérer les organes sains avoisinants. Les marges choisies sont importantes compte tenu du fait que la prostate subi des déplacements importants lors des interactions permanentes avec les organes avoisinants. Un premier modèle est construit à partir de la géométrie des organes pelviens générée à partir d'images scanner acquises sur patients. Des lois hyper-élastiques sont adoptées pour modéliser le comportement mécanique du rectum et de la vessie et un comportement Hookéen est considéré pour la prostate. Les paramètres physiques du modèle sont déterminés à partir de la littérature, des données expérimentales et de nos propres mesures. Les conditions aux limites cinématiques et statiques (pressions de distension intra-vésicale et intra-rectale) sont définies à partir des observations anatomiques et reflètent la présence de l’entourage anatomique et les conditions de chargement. Des comparaisons entre les variations de forme et de position d'organes obtenues par simulation et les mesures obtenues par imagerie scanner (Keros et al. ; 2006) montrent des amplitudes de déplacements proches, avec des écarts variant entre 8% et 11%. Un modèle prenant en compte la variabilité des paramètres physiques inter et intra patients est envisagé en perspectives
-Cancer de la prostate
-Mobilité de la prostate
-Radiothérapie externe
-Méthode des éléments finis
The prostate plays an important biological role in the human body, such as secretion of some prostatic liquid essential in the semen composition. Prostate cancer is the first cause of mortality for men at an advanced age. The prostate motion due to the interactions with the surrounding anatomic entities is difficult to predict, hence important margins are usually adopted during X-ray irradiation, in order not to damage the surrounding healthy organs (bladder and rectum). The principal objective of this work is to set up a FE model of the motion and deformation of the human pelvic organs in order to reduce the margins. A first model is constructed from CT-scans of the human pelvic organs, allowing the generation of the organ geometrics. Hyperelastic modeling of the bladder and rectum behaviors were considered whereas a Hookean model was retained for the prostate. The model parameters are fixed by adopting literature data, experimental data (from CHU-Nancy) and experimental measurements achieved on pig. Boundary conditions are defined according either surrounding anatomy kinematic constraints or internal pressures that correspond to the bladder and rectum repletion’s. Simulated displacements show order of magnitudes of the prostate motion very close to measurements carried out by Keros et al. (2006) on a deceased person, with a relative error ranging from 8% to 11%. Those differences are essentially due to the variability in the physical parameters, pointing out the need for a statistical approach in order to take into account the material, geometrical and loading variability related to a panel of patients
-Soft Tissues
-Pelvic Organ Interactions
-Organ Motion
-Hyperelasticity
-Finite element modelling
Source: http://www.theses.fr/2009INPL089N/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole Doctorale E.M.M.A.
THESE
pr¶esent¶ee par
Mohamed Bader BOUBAKER
pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Sp¶ecialit¶e : M¶ecanique et Energ¶etique
Contribution m¶ecanique µa la r¶eduction des marges en radioth¶erapie
de la prostate : mod¶elisation et simulation num¶erique du mouvement
et de la d¶eformation des organes pelviens
Soutenue le 03 d¶ecembre 2009 devant le jury constitu¶e de :
Pierre BEY Professeur radioth¶erapeute µa l’Institut Curie (Rapporteur)
¶Mathias BRIEU µa l’Ecole Centrale de Lille (Rapporteur)
Pierre ALETTI Radiophysicien au Centre Alexis Vautrin (Co-directeur de thµese)
Luc CORMIER Professeur urologue au CHU de Dijon
Jacques FELBLINGER µa l’Universit¶e Henri Poincar¶e de Nancy
Jean-Francois
GANGHOFFER Professeur µa l’INP de Lorraine (Directeur de thµese)
Mohamed HABOUSSI Ma^‡tre de Conf¶erence µa l’INP de Lorraine (Co-directeur de thµese)
¶Laboratoire d’Energ¶etique et de M¶ecanique Th¶eorique et Appliqu¶eeRemerciements
Un tel travail re µete trois ann¶ees de recherche et de d¶eveloppement au sein du Laboratoire
¶d’Energ¶etique et de M¶ecanique Th¶eorique et Appliqu¶ee, LEMTA, en ¶etroite collaboration
avec le Centre de radio-physique Alexis Vautrin (CAV, Nancy). Je tiens donc µa remercier
Christian MOYNE, directeur du LEMTA, pour m’avoir permis de r¶ealiser les travaux de
recherche au sein du laboratoire et surtout pour son souci afln de m’ofirir les conditions
favorables de travail.
Ce travail, long et trµes exigeant, ne serait possible sans le suivi rigoureux, les r¶e exions et
les recadrages parfois n¶ecessaires de mes directeurs de thµese. Ainsi, je d¶esire en tout premier
lieu exprimer ma profonde gratitude µa Jean-Fran»cois GANGHOFFER pour la libert¶e et la
conflancequ’ilm’aaccord¶eaucoursdecestroisann¶ees,µamonco-directeurdethµeseMohamed
HABOUSSI, pour son suivi rigoureux de mon travail num¶erique et pour ses pr¶ecieux conseils
etµaPierreALETTI,radiophysicienetresponsabledelarechercheenradiophysiqueauCentre
AlexisVautrin,pouravoirpr¶epar¶elecadreg¶en¶eraldemathµeseainsiquelesbonnesconditions
pour le d¶eroulement des mes travaux de recherche.
Ce travail de thµese n’aurait pas pu avoir lieu sans le flnancement de la Ligue Contre le
Cancer, Meurthe et Moselle. Je remercie ainsi son Pr¶esident Yves KESSLER, pour son sou-
tien flnancier et aussi M. Jean Pierre PILON, pour son accueil chaleureux et son extr^eme
sympathie.
Je remercie aussi MM. Mathias BRIEU et Pierre BEY pour m’avoir fait l’honneur d’^etre
rapporteurs de ma thµese. Le regard critique, juste et avis¶e qu’ils ont port¶e sur mes travaux,
leur lecture minutieuse de mon manuscrit, m’ont ¶et¶e pr¶ecieux.
Cette thµese est ¶egalement le fruit de discussions et d’¶echanges avec les m¶edecins. Je tiens µa
remercier particuliµerement M. Luc CORMIER, urologue au CHU, et M. Jean Marie GAL-
LAS, urodynamicien au CHU, pour leurs disponibilit¶es et leurs pr¶ecieuses contributions. Ma
reconnaissance va aussi µa M. Nguyen TRAN et toute son ¶equipe µa l’¶ecole de chirurgie de
nancy pour leur pr¶ecieuse aide en me fournissant des ¶echantillons d’organes porcins.
Mon admiration et mon respect vont particuliµerement µa M. Rachid RAHOUADJ, pas uni-
quement pour son aide et son savoir faire en matiµere de mesures exp¶erimentales, mais plut^ot
pour son ¶etat d’esprit et pour ses pr¶ecieux conseils concernant mon avenir professionnel.
Jepenseaussi µatoutesles personnesquej’aipuc^otoyerdurantcesann¶eesdethµeseetqui ont
particip¶e µa son bon d¶eroulement, tant au niveau scientiflque, que technique et administratif,
qu’amicalouencorepersonnel.JesouhaiteunebonnecontinuationµaAzad.MerciAli,Nadjim,
Norbert,TaleletCedricpourvotreamiti¶eetvosconseils.Jepensepareillementµalagentillesse
de Dalida et aux renseignements pr¶ecieux de Edith et Catherine. De m^eme, je ne peux
pas oublier l’intervention des techniciens du laboratoire MM. Alain GERARD et FranckDEMEURIE pour mettre en place des dispositifs de mesure.
Je dois m’incliner majestueusement devant mes parents qui m’ont bien¶eduqu¶e et qui se sont
d¶evou¶es pour mon bien ^etre. Ils m’ont toujours soutenu et aujourd’hui je suis certain qu’ils
sont flers de moi. Je pense avec tant d’¶emotion µa Souha, Sana, Noureddine, Bilel, Chams,
Hachem et tous mes proches ainsi que mes amis en Tunisie, qui m’ont ¶enorm¶ement soutenu
pour d¶ecrocher ce pr¶ecieux dipl^ome universitaire.
Mouayed, t’es le bienvenu dans la petite famille. Dommage, t’as pas pu assister µa la
soutenance de ton papa!!
Yosra! You are my wife and you are my life. You have been great with me along this
di–cult period. Thanks a lot.Table des Matiµeres
Abr¶eviations et Notations ix
Introduction G¶en¶erale xi
I Contexte m¶edical 1
I.1 R¶egion pelvienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
I.2 Cancer de la prostate et son traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I.3 Limitations de la radioth¶erapie conformationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.4 Mobilit¶e de la prostate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.5 Marges de s¶ecurit¶e et leur am¶elioration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
I.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
II Comportement hyper-visco¶elastique 17
II.1 Rappels de m¶ecanique non lin¶eaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
II.1.1 Cin¶ematique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
II.1.2 Statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
II.2 Hyper¶elasticit¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
II.2.1 D¶eflnition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
II.2.2 La compressibilit¶e et l’incompressibilit¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
II.2.3 Anisotropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
II.2.4 Modµeles hyper¶elastiques isotropes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
II.2.5 Analyse du modµele d’Ogden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
II.3 Visco¶elasticit¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
II.3.1 Modµeles rh¶eologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
vII.3.2 Modµeles ph¶enom¶enologiques h¶er¶editaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
II.3.3 Hyper-visco¶elasticit¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
II.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
IIICaract¶erisation et identiflcation des propri¶et¶es (visco)-¶elastiques des tissus
pelviens 37
III.1 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
III.1.1 Propri¶et¶es ¶elastiques de la prostate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
III.1.2 Propri¶et¶es ¶ du rectum et de la vessie . . . . . . . . . . . . . 39
III.1.3 Propri¶et¶es ¶elastiques : comparaison et discussion . . . . . . . . . . . . 41
III.2 Caract¶erisation exp¶erimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
III.2.1 Aspect ¶ethique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
III.2.2 Protocole exp¶erimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
III.2.3 Mesures exp¶erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
III.2.4 Analyse des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
III.2.5 Comparaison des mesures avec les donn¶ees de la litt¶erature . . . . . . 54
III.3 Identiflcation des paramµetres des lois de comportement . . . . . . . . . . . . . 56
III.3.1 Qualit¶e du lissage selon les modµeles de Mooney-Rivlin et d’Ogden . . 56
III.3.2 Identiflcation des paramµetres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
III.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
IVMod¶elisation et simulations de la mobilit¶e de la prostate 65
IV.1 Quelques approches de mod¶elisation num¶erique . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
IV.2 D¶eflnition du modµele biom¶ecanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
IV.3 Simulations par ¶el¶ements flnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
¶IV.3.1 Distensions rectale et v¶esicale (Etapes 1 et 2) . . . . . . . . . . . . . . 80
¶IV.3.2 Mod¶elisation de la mobilit¶e de la prostate (Etape 3) . . . . . . . . . . 85
IV.3.3 Etude param¶etrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
IV.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
V Discussion :
vers un modµele biom¶ecanique plus complet 95V.1 Mod¶elisation biom¶ecanique enrichie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
V.1.1 Repr¶esentation g¶eom¶etrique enrichie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
V.1.2 R¶epl¶etion v¶esicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
V.1.3 Lois de comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
V.1.4 Efiet de la respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
V.2 Automatisation du processus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
V.3 Conclusion : am¶elioration des marges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Conclusion g¶en¶erale 107
Annexe 1 : Anatomie pelvienne chez l’homme 117
Annexe 2 : Techniques de mesure des propri¶et¶es ¶elastiques des tissus biolo-
giques 119
Annexe 3 : Identiflcation des paramµetres 127
Annexe 4 : Comparaison MSC Marc- Simulia Abaqus 131
D.1 Interface des deux logiciels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
D.2 G¶eom¶etrie et discr¶etisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
D.3 Mod¶elisation des conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.4 Gestion des contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.5 D¶eroulement des calculs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Summary // R¶esum¶e 135Abr¶eviations et Notations
Abr¶eviations
c. a.d. c’est µa dire
CAO Conception Assist¶ee par Ordinateur
CAV Centre Alexis Vautrin
CHU Centre Hospitalier Universitaire
CT Computed Tomography
CTV Clinical Target Volume = Volume cible anatomoclinique
EF ¶el¶ements flnis
Gy le Gray : la dose d’¶energie absorb¶ee par un milieu homogµene d’une masse
d’un kilogramme lorsqu’il est expos¶e µa un rayonnement ionisant apportant
une ¶energie d’un joule (1 Gy = 1 J/kg)
Hz Hertz (1/seconde)
HBP Hypertrophie B¶enigne de la Prostate
IRM Imagerie par R¶esonance Magn¶etique
kPa kilo Pascal
PTV Planning Target Volume = Volume cible pr¶evisionnel
Notations (liste non-exhaustive - Chapitre II)
A tenseur d’ordre 2

A vecteur
r op¶erateur Nabla (gradient) LagrangienL
r op¶t) Eul¶erienE
‚ ¶elongations pures, i= 1..3i
ix

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