A chest wall model based on rib kinematics

Anne-Laure Didier (1) , Pierre-Frédéric Villard (2) , Jacques Saadé (1) , Jean-Michel Moreau (1) , Michaël Beuve (3, 1) , Behzad Shariat (1)

1 SAARA - Simulation, Analyse et Animation pour la Réalité Augmentée
2 Imperial College London
3 IPNL - Institut de Physique Nucléaire de Lyon

The 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.

Domaines: Synthèse d'image et réalité virtuelle [cs.GR]; Imagerie médicale; Modélisation et simulation

Anne-Laure Didier, Pierre-Frédéric Villard, Jacques Saadé, Jean-Michel Moreau, Michaël Beuve, et al.. A chest wall model based on rib kinematics. 6th International Conference on Biomedical Visualization, 2009, Barcelona, Spain. ⟨hal-00849198⟩