Modèle biomécanique du sein pour l’évaluation de la compression et de la perception d’inconfort en mammographie

Background: Mammography is a specific type of breast imaging that uses low-dose X-rays to detect breast cancer at early stage. During the exam, the women breast is compressed between two plates in order to even out the breast thickness and to spread out the soft tissues. This compression improves the exam quality but can also be a source of discomfort. Though mammography is the most effective breast cancer screening method, the discomfort perceived during the exam might deter women from getting the test. Therefore, an alternative breast compression technique considering the patient comfort in addition to an improved clinical image quality is of large interest.Methods: In this work, a simulation environment allowing the evaluation of different breast compression techniques was put forward. The compression quality was characterized in terms of patient comfort, image quality and average glandular dose. To estimate the breast deformation under compression, a subject-specific finite element biomechanical model was developed. The model was calibrated and evaluated using MR images in three different breast configurations (supine, prone and supine tilted). On the other hand, image quality was assessed by using an already validated simulation framework. This framework was largely used to mimic image acquisitions in mammography.Findings: The capability of our breast biomechanical model to reproduce the real breast deformations was evaluated. To this end, the geometry estimates of the three breast configurations were computed using Neo-Hookean material models. The subject specific mechanical properties of each breast's structures were assessed, such as the best estimates of the supine and prone configurations were obtained. The Hausdorff distances between the estimated and the measured geometries were equal to 2.17 mm and 1.72 mm respectively. Then, the model was evaluated using a supine tilted configuration; with a Hausdorff distance of 6.14 mm was obtained in that case. However, we have showed that the Neo-Hookean strain energy function cannot totally describe the rich mechanical behavior of breast soft tissues. Therefore, alternative material models based on the Gent strain energy function were proposed. The latter assumption reduced the maximal error in supine tilted breast configuration by about 10 mm.The coupling between the simulations of the breast mechanics and the X-ray simulations allowed us to run two preliminary studies. In the first study, the differences between standard rigid and flex compression paddles were assessed. According to the performed simulations, using the flex paddle for breast compression may improve the patient comfort without affecting the image quality and the delivered average glandular dose.In the second study, the impact of breast positioning on the general compression mechanics was described. Our simulations confirm that positioning the paddle closer to the chest wall is suspected to increase the patient discomfort. Indeed, based on the estimated data, for the same breast thickness under compression, the force applied to the breast may increase by 150%.Conclusion: The good results we get for the estimation of breast deformation under gravity, as well as the conforming results on breast compression quality with the already published clinical statements, have shown the feasibility of such studies by the means of a simulation framework.Contexte: La mammographie est une modalité d’imagerie médicale à faible dose permettant la détection du cancer mammaire à un stade précoce. Lors de l'examen, le sein est comprimé entre deux plaques afin d'uniformiser son épaisseur et d'étaler les tissus. Cette compression améliore la qualité clinique de l'examen mais elle est également source d'inconfort chez les patientes. Bien que la mammographie soit la méthode de dépistage la plus efficace du cancer du sein, l’inconfort ressenti peut dissuader les femmes de passer cet examen. Par conséquent, une technique alternative de compression du sein prenant en compte le confort de la patiente, en plus de l’amélioration de la qualité d'image, présente un grand intérêt.Méthodes: Dans ce travail, nous avons proposé un nouvel environnement de simulation permettant l'évaluation de différentes techniques de compression du sein. La qualité de la compression a été caractérisée en termes de confort de la patiente, de la qualité d'image et de la dose glandulaire moyenne délivrée. Afin d'évaluer la déformation du sein lors de la compression, un modèle biomécanique par éléments finis du sein a été développé. Ce dernier a été calibré et évalué en utilisant des volumes IRM d'une volontaire dans trois configurations différentes (sur le dos, le ventre et de côté). Par ailleurs, la qualité d'image a été évaluée en utilisant un environnement de simulation d'imagerie auparavant validé pour la simulation de l'acquisition d'images en mammographie.Résultats: La capacité de notre modèle biomécanique à reproduire les déformations réelles des tissus a été évaluée. Tout d'abord, la géométrie du sein dans les trois configurations a été estimée en utilisant des matériaux Néo-Hookeens pour la modélisation des tissus mous. Les propriétés mécaniques des différents constituants du sein ont été estimés afin que les géométries du sein dans les positions couchée sur le ventre et couchée soient le plus proches possibles des mesures. La distance de Hausdorff entre les données estimées et les données mesurées est égale à 2.17 mm en position couché sur le ventre et 1.72 mm en position couché sur le dos. Le modèle a ensuite été évalué dans une troisième configuration sur le côté, avec une distance de Hausdorff étant alors égale à 6.14 mm. Cependant, nous avons été montré que le modèle Néo-Hookeen ne peut pas décrire intégralement le comportement mécanique riche des tissus mous. Par conséquent, nous avons introduit d'autres modèles de matériaux basés sur la fonction d'énergie de Gent. Cette dernière hypothèse a permis de réduire l'erreur maximale dans la configuration couchée sur le ventre et dos incliné d’environ 10 mm.Le couplage entre la simulation de la mécanique du sein et la simulation d'aquisition d'image nous ont permis d'effectuer deux études préliminaires. Dans la première étude, les différences entre les pelotes de compression standard rigide et flex ont été évaluées. Selon les simulations effectuées, l'utilisation de la pelote flex pour la compression du sein a le potentiel d'améliorer le confort de la patiente sans affecter la qualité de l'image ou la dose glandulaire moyenne.Dans la seconde étude, l'impact du positionnement du sein sur la mécanique globale de la compression mammaire a été étudié. Nos simulations confirment que rapprocher la pelote de compression de la cage thoracique peut augmenter l'inconfort de la patiente. Selon les données estimées, pour une même épaisseur du sein sous compression, la force appliqée au sein peut être s'accroitre de 150%.Conclusion: L'estimation réaliste de la géométrie du sein pour différentes configurations sous l'effet de la gravité, ainsi que les résultats conformes aux descriptions cliniques sur la compression du sein, ont confirmé l'interêt d'un environnement de simulation dans le cadre de nos études