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. / 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.

Mammography is currently the gold standard technique for early detection of breast cancer before it becomes clinically palpable. Breast compression is essential part of mammography which provides better contrast and smaller radiation dose. It optimizes the image quality and the visualization of small lesions by reducing the breast thickness. The overall goal of this thesis is to simulate the complete mammographic imaging chain, starting from the creation of breast phantoms, compression, and mammogram simulation. A specific aim is to carry out a study that compares the quality of breast lesions on simulated mammographic images obtained from both uncompressed and compressed breast models. For the creation of the breast models, we use a software breast phantom which incorporates a 3D voxel array with geometric primitives, a ductal network, and a model for lesions. Further on, a Simulation Algorithm for Soft Tissue Compression (SASTC) is used for the compression of the breast phantoms. For this purpose, the algorithm was implemented into C++ language and incorporated into the available Breast Simulator software. The SASTC algorithm is based on the spring-mass model according to which the volume of the breast phantom is divided into a number of elements, each one consisting of 27 nodes and the nodes are connected with springs. The compression algorithm allows stretching and compression of the volume object. Due to these deformations the voxels of the breast’s volume are distorted. Several algorithms are developed to correct for these distortions. These algorithms are based on interpolation techniques and on the Jordan Curve Theorem. We designed 11 models of small breast phantoms that included microcalcifications of different sizes. These breast phantoms as well as the compressed model of each phantom are subjected to mammography simulation to create mammograms. The x-ray image acquisition model, used for the acquirement of the mammographic images, is based on a combination of ray tracing techniques and the x-ray attenuation law. A comparison between the acquired mammograms of both uncompressed and compressed breast phantom was performed. A preliminary visual evaluation demonstrates that the clarity of the structures in the breast model is improved in the images of the compressed breast. Quantitative evaluation involving contrast calculations supports the former results. / Η μαστογραφία αποτελεί τον καλύτερο τρόπο για την έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου του μαστού προτού να είναι δυνατός ο εντοπισμός του με τη μέθοδο της ψηλάφισης. Η συμπίεση του μαστού είναι ένα σημαντικό μέρος της μαστογραφίας καθώς βελτιστοποιεί την ακτινογραφική ποιότητα της εικόνας και επιτρέπει την ελλάτωση της δόσης της ακτινοβολίας στον ασθενή καθώς μειώνεται το πάχος του μαστού. Ο γενικός στόχος της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η προσομοίωση της διαδικασίας της μαστογραφίας, η οποία περιλαμβάνει τη δημιουργία των μοντέλων μαστού, τη συμπίεση τους και την προσομοίωση λήψης των εικόνων της μαστογραφίας. Πιο συγκεκριμένα, στόχος είναι να δημιουργηθούν οι μαστογραφικές εικόνες των ασυμπίεστων και συμπιεσμένων μοντέλων μαστού προκειμένου να πραγματοποιηθεί σύγκριση μεταξύ τους. Για τη δημιουργία των μοντέλων του μαστού χρησιμοποιείται το λογισμικό προσομοίωσης BreastSimulator που αναπτυχθηκε στο εργαστηρίο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο Πατρών (Bliznakova 2003). Η εξωτερική και εσωτερική δομή του μαστού καθώς και οι διάφορες παθολογικές δομές προσομοιόνονται με τη χρήση βασικών γεωμετρικών σχημάτων. Τα μοντέλα αποκτούνται υπό τη μορφή τρισδιάστατου πίνακα. Για τη συμπίεση των μοντέλων μαστού χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος SASTC (Simulation Algorithm for Soft Tissue Compression), αφού πρώτα πραγματοποιήθηκε μετατροπή από τη γλώσσα προγραμματισμού Java σε C++ έτσι ώστε να είναι δυνατή η χρησιμοποίησή του ως μέρους του λογισμικού BreastSimulator. Αυτός ο αλγόριθμος βασίζεται στο μοντέλο μάζας-ελατηρίου σύμφωνα με το οποίο ο όγκος του μοντέλου του μαστού χωρίζεται σε στοιχεία, καθένα από τα οποία αποτελείται από 27 κόμβους. Οι κόμβοι συνδέονται μεταξύ τους με ελατήρια. Ο αλγόριθμος συμπίεσης επιτρέπει την εξάπλωση και τη συμπίεση του όγκου του αντικειμένου. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση παραμορφώσεων στα voxel του τρισδιάστατου μοντέλου του μαστού. Για την διόρθωση αυτών των παραμορφώσεων αναπτύχθηκε ένας νέος αλγόριθμος. Τα τρισδιάστατα μοντέλα μαστού που προκύπτουν από τον αλγόριθμο συμπίεσης χρησιμοποιούνται ως είσοδος στον προσομοιωτή ακτινοβόλησης του μαστού και προκύπτουν οι εικόνες της μαστογραφίας. Εικόνες μαστογραφίας από διάφορα μοντέλα ασυμπίεστου και συμπιεσμένου μαστού δημιουργήθηκαν ακολουθώντας την παραπάνω διαδικασία και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε σύγκριση αυτών των εικόνων. Από μια πρώτη οπτική αξιολόγηση προκύπτει ότι η ευκρίνεια των δομών του μαστού είναι βελτιωμένη στις εικόνες που αντιστοιχούν στα μοντέλα συμπιεσμένου μαστού. Η ποσοτική αξιολόγηση η οποία στηρίζεται στον υπολογισμό του CNR (contrast to noise ratio) επιβεβαίωσε την παραπάνω διαπίστωση.

Röntgen av bröst görs med hjälp av en mammograf och den första mammografen tillverkades 1968. En mammografiundersökning utförs av en röntgensjuksköterska som komprimerar bröstet mellan en platta och en detektor. Röntgensjuksköterskans intention är att verka för varje unik individ, då alla individer har olika mängd vävnad i brösten. Bröstkompressionen vid mammografiundersökningen är komplex och det finns en bristande kunskap om helheten i området. Syfte: Att sammanställa kunskapsläget gällande vilka parametrar som har inverkan på bröstkompression vid mammografiundersökningar. Metod: En allmän litteraturöversikt utfördes. I analysen ingick 12 artiklar. Resultat: Tre kategorier framkom under analysen, dessa var: patientrelaterade egenskaper, självkomprimering och tekniska egenskaper. Kategorin patientrelaterade egenskaper innefattar densitet, brösttjocklek, stråldos, kompressionskraft och kompressionstryck, självkomprimering innehåller artiklar där patienten delvis utför mammografiundersökningen själv och tekniska egenskaper innehåller artiklar som tar upp kompressionsplattor, fabrikat och detektorer. Slutsats: Slutsatsen av denna allmänna litteraturöversikt är att bröstkompressionen har stor betydelse vid mammografiundersökningar och att förbättringsområden finns inom självkomprimering, brösttomosyntes, kompressionskraft och kompressionstryck. Det behövs mer forskning i ämnet.