Deformable object model and simulation. Application to lung cancer treatment.
Modélisation et simulation paramétrable d'objets déformables.
Application aux traitements des cancers pulmonaires.
Résumé
Ionising treatment against cancers such as conformal radiotherapy and hadrontherapy are planified with error margins that take into account statistics of tumour motions, for instance.
With the Centre against cancers Léon Bérard de Lyon partnership and within the ETOILE project, we are looking for reducing these margins by searching deformable models that would simulate displacements occuring in lungs during a treatment. It must be personalized with the geometry obtained from CT scans of the patient and also it must be parameterized with physiological measures of the patient.
In this Ph. D. thesis, we decided to use a mass-spring system to model lungs because of its fast and physically realist deformations obtained in animation.
As a starting point, we chose the model proposed by Van Gelder in order to parameterize a mass-spring system with rheological characteristics of an homogeneous, linear elastic isotrop material in 2D.
However, we tested this model and prouved it was false.
Hence we did a lagrangian study in order to obtain a parametric model with rectangular in 2D (cubic in 3D) elements.
We also determinated the robustness by testing with stretching, inflating, shearing and bending experiments and also by comparing results with other finite element method.
Thus, in this Ph.D. thesis, we eplain how to obtain this parametric model, and how it will be linked to physiological data and in which accuracy.
With the Centre against cancers Léon Bérard de Lyon partnership and within the ETOILE project, we are looking for reducing these margins by searching deformable models that would simulate displacements occuring in lungs during a treatment. It must be personalized with the geometry obtained from CT scans of the patient and also it must be parameterized with physiological measures of the patient.
In this Ph. D. thesis, we decided to use a mass-spring system to model lungs because of its fast and physically realist deformations obtained in animation.
As a starting point, we chose the model proposed by Van Gelder in order to parameterize a mass-spring system with rheological characteristics of an homogeneous, linear elastic isotrop material in 2D.
However, we tested this model and prouved it was false.
Hence we did a lagrangian study in order to obtain a parametric model with rectangular in 2D (cubic in 3D) elements.
We also determinated the robustness by testing with stretching, inflating, shearing and bending experiments and also by comparing results with other finite element method.
Thus, in this Ph.D. thesis, we eplain how to obtain this parametric model, and how it will be linked to physiological data and in which accuracy.
Les traitements curatifs des cancers par irradiation avec des rayons ionisants tels que la radiothérapie conformationnelle et l'hadronthérapie sont plannifiés avec des marges d'erreur qui prennent en compte, entre autres, les statistiques de mouvements des tumeurs.
En partenariat avec le Centre anticancéreux Léon Bérard de Lyon et dans le projet ETOILE, nous proposons de rechercher des modèles de simulations des objets déformables qui prendraient en considération, en plus de la géométrie issue directement de l'imagerie médicale, les paramètres physiologiques mesurés sur les patients afin de pouvoir garantir de meilleures marges d'erreur, dans le cas des tumeurs pulmonaires.
Dans cette thèse, nous avons choisi de modéliser les poumons avec des systèmes masses-ressorts qui sont généralement utilisés dans le monde de l'animation pour le réalisme et la rapidité.
Pour rendre le système précis et directement paramétré par les données mécaniques du patient, nous nous sommes inspirés des travaux de Van Gelder qui introduit un contrôle par les caractéristiques rhéologiques d'un matériaux "2D" linéaire élastique homogène isotrope.
Cependant, après vérification et étude théorique de ce modèle, il est apparut que celui-ci bien que donnant des animations réalistes était erroné.
Nous avons donc entrepris une étude lagrangienne qui nous a permis de rendre ce modèle 2D rectangulaire, puis 3D à base de brique élémentaire cubique, paramétrable.
Nous avons d'autre part déterminer la robustesse de notre système à l'aide de tests d'étirement, gonflement, fléchissement et cisaillement et par comparaison à des tests effectués sur des modèles éléments finis.
Cette thèse explique ainsi comment ce modèle paramétrable a été obtenu, et comment il pourra être relié avec les données physiologiques et dans quelle précision.
En partenariat avec le Centre anticancéreux Léon Bérard de Lyon et dans le projet ETOILE, nous proposons de rechercher des modèles de simulations des objets déformables qui prendraient en considération, en plus de la géométrie issue directement de l'imagerie médicale, les paramètres physiologiques mesurés sur les patients afin de pouvoir garantir de meilleures marges d'erreur, dans le cas des tumeurs pulmonaires.
Dans cette thèse, nous avons choisi de modéliser les poumons avec des systèmes masses-ressorts qui sont généralement utilisés dans le monde de l'animation pour le réalisme et la rapidité.
Pour rendre le système précis et directement paramétré par les données mécaniques du patient, nous nous sommes inspirés des travaux de Van Gelder qui introduit un contrôle par les caractéristiques rhéologiques d'un matériaux "2D" linéaire élastique homogène isotrope.
Cependant, après vérification et étude théorique de ce modèle, il est apparut que celui-ci bien que donnant des animations réalistes était erroné.
Nous avons donc entrepris une étude lagrangienne qui nous a permis de rendre ce modèle 2D rectangulaire, puis 3D à base de brique élémentaire cubique, paramétrable.
Nous avons d'autre part déterminer la robustesse de notre système à l'aide de tests d'étirement, gonflement, fléchissement et cisaillement et par comparaison à des tests effectués sur des modèles éléments finis.
Cette thèse explique ainsi comment ce modèle paramétrable a été obtenu, et comment il pourra être relié avec les données physiologiques et dans quelle précision.
Loading...