Modélisation géométrique tridimensionnelle du sein: Intérêt pour la création d'un modèle biomécanique générique personnalisable

Breast 3D geometric modeling: benefit for the development of a generic specified biomechanical model

• Auteur / Autrice : Martha Duraes
• Direction : Christian Herlin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Inscription en doctorat le 26/10/2020
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Robotique et de Micro-électronique de Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Informatique

Mots clés

Mots clés libres

Modelisation

Glande mammaire

Tissu conjonctif

Elasticité

Anatomie

Mecanique

Modelling

Mammary gland

Breast cancer

Stiffness

Anatomy

Mechanic

Résumé

Contexte : Dans le cancer du sein, les examens d'imagerie sont réalisés des positions différentes (décubitus dorsal ou ventral) de la situation per-opératoire (assise). L'utilisation d'un modèle 3D personnalisé du sein serait très utile pour l'information pré-opératoire et pour aider le chirurgien à mieux appréhender la position tridimensionnelle des tumeurs en position opératoire. L'obtention d'une modélisation 3D du sein, organe mou, est difficile en raison de la complexité et de la diversité de la géométrie 3D des structures et de leur caractère biomécanique hautement hétérogène. Objectifs : Le but de notre travail était de développer un modèle 3D géométrique, générique et paramétrique du sein, adaptable à chaque patiente en intégrant ses données morphologiques recueillies de manière non invasive en clinique courante. Méthodes : 200 patientes ont été incluses au sein du service de chirurgie gynécologique du CHU de Montpellier. Parmi ces patientes, 10 ont bénéficié d'une IRM mammaire dans 3 positions différentes : decubitus dorsal, ventral et latéral. Ce projet a été réalisé en 3 étapes : 1/l'étude des propriétés mécaniques des tissus du sein chez les 200 patientes à l'aide d'un disposition de succion non invasif appelé VLastic. Cette étape a été réalisée en collaboration avec l'équipe BIOMECA-TIMC de Grenoble. 2/l'étude de l'architecture anatomique des tissus du sein et notamment du tissu collagénique à l'aide des images d'IRM et des constatations per-opératoires. 3/Le développement d'un modèle géométrique et générique du sein en se basant sur les constatations des étapes précédentes. Cette étape a été réalisée en collaboration avec le LIRMM, Université de Montpellier. La validité de ce modèle a été testée par confrontation à des cas cliniques. Résultats : Cette étude a proposé un protocole de mesure in vivo des modules de Young des deux premières couches de tissus du sein, c'est-à-dire la peau et le tissu fibroglandulaire. Les mesures reposant sur une analyse inverse par éléments finis ont permis d'estimer des modules de Young de 39 kPa et 3kPa respectivement pour la peau et le tissu fibroglandulaire. Le seul facteur clinique influençant l'élasticité du tissu fibroglandulaire est la ménopause. Aucun facteur d'influence de l'élasticité cutanée n'a été retrouvé. Nous avons pu définir un modèle anatomique générique du sein quelque soit les caractéristiques morphologiques des patientes. La glande mammaire est entourée par l'ensemble des tissus de la paroi thoracique à savoir le fascia superficialis, les retinacula cutis, le tissu adipeux. Le principal élément impliqué dans la mécanique du sein est le tissu conjonctif et plus particulièrement le fascia superficialis. A partir de ces constatations, nous avons pu définir un modèle géométrique générique du sein composé de 5 compartiments : la paroi thoracique sous la forme d'une surface incurvée ; un tissu homogène pour le tissu glandulograisseux sous la forme d'un cône plein ; le tissu conjonctif sous la forme d'un cône vide représentant 3 des compartiments : une base correspondant à l'anneau d'ancrage à la paroi, une surface entourant la glande et un sommet correspondant à l'anneau de la plaque aréolomamelonnaire. Ce modèle a été confronté à des cas cliniques et montre des résultats encourageants pour la représentation de morphologies rencontrées fréquemment en pratique clinique (hypertrophie mammaire, ptose, implants mammaires, sein tubéreux). Conclusion : Nous avons pu définir un modèle géométrique générique du sein en se basant sur des analyses anatomiques et mécaniques. La prochaine étape sera la validation biomécanique d'un modèle masse-ressort utilisable de manière simple en pratique courante par la comparaison aux résultats des IRM réalisés dans 3 positions différentes.

Context: In breast cancer, imaging examinations are performed in different positions (supine or prone) from the intraoperative position (sitting). The use of a personalized 3D model of the breast would be very useful for preoperative information and to help the surgeon better understand the three-dimensional position of tumours in the operative position. Obtaining a 3D model of the breast, a soft organ, is difficult due to the complexity and diversity of the 3D geometry of its structures and their highly heterogeneous biomechanical nature. Objectives: The aim of our work was to develop a generic, parametric 3D geometric model of the breast that can be adapted to each patient by integrating their morphological data collected non-invasively in routine clinical practice. Methods: 200 patients were included in the gynaecological surgery department at Montpellier University Hospital. Among these patients, 10 underwent breast MRI in three different positions: supine, prone and lateral. This project was carried out in three stages: 1/study of the mechanical properties of breast tissue in the 200 patients using a non-invasive suction device called VLastic. This step was carried out in collaboration with the BIOMECA-TIMC team in Grenoble. 2/Study of the anatomical architecture of breast tissue, particularly collagen tissue, using MRI images and intraoperative findings. 3/The development of a geometric and generic model of the breast based on the findings of the previous stages. This step was carried out in collaboration with LIRMM, University of Montpellier. The validity of this model was tested by comparing it with clinical cases. Results: This study proposed a protocol for in vivo measurement of the Young's moduli of the first two layers of breast tissue, i.e. the skin and fibroglandular tissue. Measurements based on inverse finite element analysis estimated Young's moduli of 39 kPa and 3 kPa for the skin and fibroglandular tissue, respectively. The only clinical factor influencing the elasticity of fibroglandular tissue is menopause. No factors influencing skin elasticity were found. We were able to define a generic anatomical model of the breast regardless of the morphological characteristics of the patients. The mammary gland is surrounded by all tissues of the chest wall, namely the superficial fascia, the retinacula cutis and adipose tissue. The main element involved in breast mechanics is connective tissue, particularly the superficial fascia. Based on these findings, we were able to define a generic geometric model of the breast composed of five compartments: the chest wall in the form of a curved surface; homogeneous tissue for the glandular-adipose tissue in the form of a solid cone; connective tissue in the form of a hollow cone representing three of the compartments: a base corresponding to the anchoring ring to the wall, a surface surrounding the gland, and a tip corresponding to the ring of the nipple-areola complex. This model has been tested in clinical cases and shows encouraging results for the representation of morphologies frequently encountered in clinical practice (breast hypertrophy, ptosis, breast implants, tuberous breasts). Conclusion: We were able to define a generic geometric model of the breast based on anatomical and mechanical analyses. The next step will be the biomechanical validation of a mass-spring model that can be easily used in routine practice by comparing it with the results of MRI scans performed in three different positions.