Patient specific numerical modelling for the optimisation of HCC selective internal radiation therapy an image based approach

• Main Author: Simoncini, Costanza
• Other Authors: Rennes 1
• Language: en
• Published: 2017
• Subjects: Radiothérapie interne sélective; Traitement d’images; Modélisation CFD; Selective internal radiation therapy; Image processing; CFD modeling
• Online Access: http://www.theses.fr/2017REN1S020/document

La radiothérapie interne sélective est une thérapie émergente très peu invasive du carcinome hépatocellulaire, quatrième cause de décès par cancer dans le monde. Des millions de microsphères chargées en Yttrium 90 sont injectées dans l'artère hépatique par un cathéter. Actuellement, leur distribution lors d'une injection est estimée par l'injection préliminaire d'un radiomarqueur, ce qui peut se révéler trop approximatif. Un traitement personnalisé permettrait une concentration des radiations à la tumeur tout en épargnant le tissu sain environnant. Dans ce travail je me suis intéressée au développement d'un modèle numérique, pour une simulation spécifique à chaque patient des trajectoires des microsphères, dans le but d'optimiser le traitement. Le protocole clinique d'imagerie a été exploité et optimisé pour l'extraction de données spécifiques patients telles que le foie, les tumeurs, l'artère hépatique et le flux sanguin. Les tissus et l'artère hépatique (jusqu'à un diamètre de 0.05 mm) sains et malins ont été simulés. Cela nous permet de simuler la distribution des microsphères dans le tissue hépatique, validée grâce à la scintigraphie post-traitement. Il est supposé ici que les microsphères se distribuent de façon proportionnelle au flux sanguin, lequel est modélisé par la loi de Poiseuille. Des simulations plus approfondies en mécanique de fluides numérique du flux sanguin ont ensuite été réalisées dans l'artère hépatique du patient. Pour cela nous avons utilisé et comparé les méthodes des Volumes Finis (Ansys Fluent) et de Lattice Boltzmann (programme développé dans le laboratoire). Le transport des microsphères a été simulé dans l'artère hépatique du patient avec la méthode des volumes finis, et dans une géométrie simplifiée avec la méthode de Lattice Boltzmann. Une séquence IRM de contraste de phase a aussi été optimisée pour l'extraction de la vitesse du sang dans l'artère hépatique, dans le but de valider le modèle numérique. === Selective internal radiation therapy using Yttrium-90 loaded glass microspheres injected in the hepatic artery is an emerging, minimally invasive therapy of hepatocellular carcinoma, which is the fourth cause of mortality in the world. Currently, microspheres distribution can be only approximately predicted by the injection of a radiotracer, whose behaviour may be different. A personalised intervention can lead to high concentration dose in the tumour, while sparing the surrounding parenchyma. This work is concerned with the development of a patient-specific numerical model for the simulation of microspheres trajectories and treatment optimisation. Clinical imaging protocol is utilised and optimised in order to extract patient’s specific data such as liver, tumours, hepatic artery and blood flow. Normal and malignant hepatic arterial vasculature and tissues are simulated down to a vessels diameter of 0.05 mm. A preliminary simulation of microspheres distribution in liver tissue is proposed and validated against post-treatment scintigraphy. Microspheres are here supposed to distribute proportionally to blood flow, which is computed based on Poiseuille’s law. More precise computational fluid dynamics (CFD) simulations of blood flow in the patient’s segmented arteries are performed. The Finite Volume Method (Ansys Fluent) and the Lattice Boltzmann Method (in-house developed software) are used to this purpose and their efficacy is compared. Microspheres transport is simulated in the patient’s hepatic artery using the FVM, and in a representative geometry using the LBM method. A phase contrast MRI sequence has been optimised in order to extract blood velocity from the hepatic artery and validate CFD simulations.