Planning pour la thérapie de tumeur du foie par ultrasons haute intensité

Le scénario du surprenant film de science-fiction “Le voyage fantastique” réalisé par Richard Fleischer en 1966 peut laisser perplexe… Comment diable le capitaine Grant et son groupe de scientifiques embarqués dans un vaisseau miniaturisé -le Proteus- fontils pour se repérer et naviguer si facilement dans les structures vasculaires complexes du docteur Jan Benes ? La carte anatomique dont ils disposent s’avère pourtant relativement peu détaillée au regard de la difficulté et de la précision nécessaire à une telle expédition :

D’autre part, les membres de l’équipage du Proteus semblent n’avoir préparé que sommairement leur mission. Celle-ci devrait pourtant nécessiter la plus grande attention du fait de sa complexité toute chirurgicale : détruire au moyen d’un laser le thrombus qui maintient le malheureux docteur russe dans le coma. Mais le planning opératoire, peu abordé dans le film, n’est décrit que vaguement : aucune référence à un modèle de prédiction de cette thermothérapie, aucune information sur les ressources qui devraient permettre d’obtenir une description de l’anatomie locale précise. Peut-être qu’une préparation plus méticuleuse aurait permis aux membres de l’équipage d’optimiser leur action thérapeutique…

De manière analogue, les cliniciens sont confrontés tous les jours à ces même problématiques de description anatomique et de modélisation du traitement. Ces deux aspects, déjà importants pour le planning opératoire en général, sont indispensables dans le cadre des thérapies minimalement invasives. Ce type de thérapies, dont l’essor relativement récent est lié à l’avènement des systèmes d’informations au sens large, s’orientent vers des traitements mieux contrôlés, mieux ciblés et donc moins traumatisant pour le patient. Si les avantages et les applications semblent nombreux, les difficultés qui sont induites le sont tout autant. De nouvelles exigences sont alors formulées en termes d’apprentissage, de planification et d’assistance du geste opératoire. Afin de satisfaire ces exigences, des méthodologies robustes et fiables doivent être déployées pour mieux prévoir et sécuriser le geste du praticien. Elles sont généralement le fruit d’une collaboration interdisciplinaire entre, d’une part, les technologies de l’information et la modélisation mathématiques, et d’autre part, la médecine et la biologie.

Système hépatique : Le foie 

Anatomie

Le foie est un organe abdominal situé sous le diaphragme et masquant l’estomac. C’est un organe de couleur violacée et à la texture modérément élastique qui mesure en moyenne, chez un individu adulte vivant, 30 centimètres en transverse et 15 centimètres d’avant en arrière, et qui pèse en moyenne 1,5 kilogrammes. Ses contours présentent plusieurs dépressions, notamment du fait de l’empreinte cardiaque, de la fossette cystique créée par la vésicule biliaire et de la cage thoracique.

En chirurgie, le foie est généralement subdivisé en 4 lobes en se basant sur les formes de surface. Le ligament falciforme, aussi appelé ligament suspenseur, visible sur la face antérieure, divise le foie en deux : le lobe gauche et le lobe droit. Si le foie est retourné, nous pouvons observer sur sa surface viscérale deux lobes additionnels : le lobe caudé (“Caudate lobe” en anglais) situé au dessus du ligament veineux et de la fissure transverse induite par la veine porte ; et le lobe carré (“Quadrate Lobe” en anglais) situé sous la fissure et le ligament.

Le système vasculaire hépatique

Le foie est un organe à la vascularisation très riche (60% de son poids est lié au sang qu’il contient). Il est irrigué par l’artère hépatique et situé entre deux systèmes veineux : le système porte et le système cave . Le foie dispose donc d’un double apport sanguin : veineux et artériel. La veine porte transporte 75% du sang vers le foie et apporte du sang issu des intestins. Les 25% du débit sanguin restant proviennent de l’artère hépatique, une branche de l’aorte. L’oxygène est apporté depuis ces deux sources de manière équivalente.

La veine porte du foie est un des vaisseaux les plus importants du corps humain. D’une longueur d’environ 8 centimètres chez l’adulte, elle est située dans le cadran supérieur droit de l’abdomen prenant son origine derrière le pancréas. Chez la plupart des individus, elle se forme par l’union du tronc spléno-mésentérique (confluent de la veine splénique et de la veine mésentérique inférieure) et de la veine mésentérique supérieure. Elle se divise en deux branches gauche et droite qui pénètrent dans le foie par le hile hépatique. Ces deux branches engendrent beaucoup de ramifications et de plus petites branches, chacune des extrémités se terminant par une veinule portale. Chacune de ces veinules avancent dans le foie le long d’une artériole hépatique. En présence d’un canal biliaire, l’ensemble formé par les trois entités (veinule, artériole et canal) est appelé triade hépatique. C’est à ce niveau, que les réseaux veineux et artériels vont communiquer entre eux, grâce à de microscopiques vaisseaux appelés capillaires ou “sinusoïdes”. La principale fonction des capillaires est de permettre au sang et aux cellules du tissu d’échanger nutriments et déchets.

Physiologie

Le foie assure trois fonctions vitales : une fonction d’épuration, une fonction de synthèse et une fonction de stockage. Il effectue l’essentiel des fonctions métaboliques, traitant les métabolites issus du petit intestin et du reste du corps, enlevant les molécules toxiques du sang et assurant une importante fonction immunitaire. L’essentiel des fonctions métaboliques suivantes sont réalisées par les cellules du foie -ou hépatocytes- :
– décomposition de l’insuline et d’autres hormones ;
– formation de glucose à partir d’acides aminés et de glycogène ;
– synthèse des acides aminés ;
– synthèse de cholestérol ;
– dégradation du cholestérol en acide biliaire. Le foie est le seul organe permettant l’élimination du cholestérol ;
– production de triglycérides ;
– stockage des vitamines liposolubles (A, D, K, E) ainsi que le glycogène ;
– production des facteurs de coagulation ;
– destruction des toxines et médicaments ;
– conversion de l’ammoniac en urée ;
Le foie tient un rôle majeur dans le métabolisme humain.

Table des matières

Introduction
Bibliographie
1 Contexte médical et problématique
1.1 Système hépatique : Le foie
1.1.1 Anatomie
1.1.2 Le système vasculaire hépatique
1.1.3 Segmentation de Couinaud
1.1.4 Physiologie
1.2 Le carcinome hépatocellulaire (CHC)
1.2.1 Épidémiologie
1.2.2 Pathologie
1.2.3 Modalité d’imagerie associée
1.2.3.1 Échographie
1.2.3.2 Tomographie à rayon X (Scanner)
1.2.3.3 Imagerie par Résonance Magnétique
1.2.3.4 Imagerie nucléaire
1.2.4 Thérapies
1.3 Thérapies assistées par ordinateur
1.4 Thérapie interstitielle par ultrasons haute intensité
1.4.1 Principe des ultrasons thérapeutiques
1.4.2 Projet SUTI : sonde ultrasonores pour la thérapie et l’imagerie
1.4.2.1 Motivation du projet
1.4.2.2 Les sondes développées
1.4.3 Planning opératoire
1.5 Synthèse
Bibliographie
I Descriptions du volume hépatique
2 Un bref état de l’art
2.1 Approche contours
2.1.1 Suivi de contours
2.1.2 Contour actifs interactifs
2.1.3 Modèles déformables
2.1.3.1 Méthodes déformables probabilistes
2.1.3.2 Modèles déformables paramétriques : “Snakes” et “balloon”
2.1.3.3 Modèles déformables géométriques : “Level Sets”
2.1.3.4 Synthèses
2.2 Approche régions
2.2.1 Croissance de région
2.2.2 Connectivité floue
2.2.3 Ligne de partage des eaux
2.2.4 Approches par classification
2.2.4.1 k-moyennes
2.2.4.2 c-moyennes
2.2.4.3 Mean shift
2.2.4.4 Champs aléatoires de Markov
2.3 Approche hybrides
2.3.1 Fusion de méthodologies
2.3.2 Systèmes multi-agents
2.3.3 Graph cut
2.4 Segmentation des vaisseaux
2.4.1 Analyse d’intensités
2.4.2 Suivi de vaisseaux
2.5 Synthèse
Bibliographie
3 Méthodes et résultats
3.1 Méthode proposée : Segmentation du foie et des tumeurs hépatique
3.1.1 Approche de segmentation
3.1.1.1 Une minimisation d’énergie
3.1.1.2 Apprentissage et extraction d’information
3.1.1.3 Construction du graphe
3.1.1.4 Segmentation par Max-flow Min-cut
3.1.2 Résultats et évaluation
3.1.2.1 Description des bases de test
3.1.2.2 Évaluation qualitative
3.1.2.3 Résultats sur les données cliniques
3.1.3 Synthèse
3.2 Méthode proposée : Segmentation de la vascularisation hépatique
3.2.1 Caractérisation locale des vaisseaux par les moments géométriques
3.2.1.1 Principe des moments géométriques 3D
3.2.1.2 Modèle local de vaisseaux
3.2.1.3 Processus itératif de détection de structures tubulaires
3.2.2 Optimisation et segmentation globale par graph cut
3.2.2.1 Nouvelle formulation et codage du graphe
3.2.3 Évaluation sur données synthétiques
3.2.3.1 Création du fantôme
3.2.3.2 Évaluation
3.2.4 Évaluation de la méthode sur données réelles
3.2.5 Discussions
3.2.6 Conclusion
3.3 Synthèse
Bibliographie
II Modélisation de la thérapie
4 État de l’art
4.1 Modélisation des thermothérapies
4.2 Modélisation de la pression acoustique et de la puissance déposée
4.2.1 Propagation linéaire
4.2.2 Propagation non-linéaire
4.3 Modélisation de la diffusion de la température
4.3.1 Équation de la chaleur
4.3.2 Méthodes de résolution de la BHTE
4.3.3 Extension du modèle et prise en compte des effets des vaisseaux
4.3.4 Utilisation de la BHTE dans la littérature
4.4 Modélisation de la nécrose
4.4.1 Équation d’Arrhenius
4.4.2 Dose thermique
4.5 Synthèse
Bibliographie
Conclusion

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