Η προσομοίωση της συμπίεσης του μαστού κατά την διάρκεια της μαστογραφίας πραγματοποιείται σήμερα με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), η οποία επιβάλει την χρήση ενός μικρού αριθμού κόμβων, λόγω της μεγάλης υπολογιστικής ισχύς που απαιτεί, οδηγώντας σε χαμηλή ανάλυση της εικόνας του συμπιεσμένου μαστού. Επιπρόσθετα, η ανάγκη για την δημιουργία ενός πλέγματος του υπο συμπίεση όγκου, αποτελεί μία πολύπλοκη και μονότονη διαδικασία που δεν έχει αυτοματοποιηθεί πλήρως μέχρι σήμερα. Στη εργασία αυτή έχει αναπτυχθεί μια νέα μέθοδος για την προσομοίωση της συμπίεσης κατά την διάρκεια της μαστογραφίας, η οποία μπορεί να συμπιέσει ένα εικονικό ομοίωμα μαστού (Breast Phantom) υψηλής ανάλυσης με οποιαδήποτε γεωμετρική δομή και σύνθεση. Κύριος στόχος δεν αποτέλεσε η ακριβής μοντελοποίηση της δομής και συμπεριφοράς των ανθρώπινων ιστών, αλλά η απόκτηση ρεαλιστικών αποτελεσμάτων συμπίεσης μαστού με στόχο μια ακριβέστερη προσομοίωση μαστογραφίας. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε βασίζεται σε ένα μοντέλο γραμμικών ελατηρίων και χρησιμοποιεί μια επαναληπτική τυχαία διαδικασία για την επίτευξη της ισορροπίας όλων των διακεκριμένων σημείων του όγκου(κόμβων). Τα στοιχεία του μοντέλου απαρτίζονται από 27 κόμβους, έχοντας 1 κόμβο ως κεντρικό και 26 ως γείτονες. Επιπλέον τα γειτονικά στοιχεία μοιράζονται κοινούς κόμβους και συνεπώς αλληλεπικαλύπτονται. Το πολύ σπουδαίο ζήτημα της διατήρησης του όγκου, επιλύθηκε με την χρήση ελατηρίων μεταβλητού μήκους ισορροπίας τα οποία ανάλογα με την εφαρμοσμένη συμπίεση σε κάθε στοιχείο συστέλλονται ή διαστέλλονται με στόχο την διατήρηση του όγκου κάθε στοιχείου. Τέλος δεν απαιτείται η δημιουργία ενός πλέγματος στον χώρο διότι το μοντέλο βασίζεται στα διακεκριμένα σημεία του breast phantom (voxel-based). Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου έκανε εφικτό τον υπολογισμό των νέων θέσεων ισορροπίας 500.000 κόμβων ενός Breast Phantom που δέχθηκε 50% συμπίεση και περιείχε λιπώδη ιστό, δομές αδένων και ανωμαλίες (ασβεστώματα), με μέση απόκλιση μικρότερη από 0.1 χιλιοστά. Η αντιστρεψιμότητα του αλγόριθμου καθώς και η ακρίβεια του εκτιμητή απόκλισης επιβεβαιώθηκαν με την βοήθεια μια «αντίστροφης προσομοίωσης» κατά την διάρκεια της οποίας ένας συμπιεσμένος μαστός αποσυμπιέστηκε πλήρως για να επιστρέψει στην αρχική ασυμπίεστη μορφή του. Η διαδικασία τόσο για την συμπίεση όσο και για την αποσυμπίεση διήρκεσε περίπου 12 ώρες η κάθε μία, σε ένα σύστημα WinXp PC 2.4 GHz. Ο κώδικας του αλγόριθμου είναι γραμμένος σε γλώσσα Java. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι είναι εφικτό να προσομοιωθεί η συμπίεση ενός Breast phantom ανάλυσης 512x512x512 ,απεριόριστου αριθμού ιστών και γεωμετρικών δομών, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υψηλής ανάλυσης προσομοίωση μαστογραφίας. / Breast compression during Mammography is currently being simulated using FEM analysis, which due to its computational greed, forces the use of a relatively small number of nodes leading to a low resolution image of the compressed breast. Moreover the mesh generation of the volume under compression is a tedious and complex task which demands user interaction. In the current work a novel method for simulating compression during mammography which uses a high resolution 3D Breast Phantom with any geometrical structure and contents has been developed. This work was not focused on producing a precise model of the structure and behavior of human tissues, but on achieving realistic results of breast compression during mammography, and therefore contributing to a more accurate mammography simulation. This method is based on a linear spring model and uses a repetitive random process to reach the equilibrium position for all the discrete points in the volume (nodes). The elements of the model consist of 27 nodes each, 1 center node and 26 neighbor nodes. Moreover neighbor elements share common nodes, and therefore overlap each other. The very critical issue of volume preservation was resolved by the introduction of variable equilibrium length springs which, depending on the compression applied on each element, expand or contract in order for the volume of each element to be preserved. Finally, user interaction is minimized by dismissing the tedious and time consuming need for a mesh generation and using a fully automated voxel based model instead. Applying this method it was made possible to compute the new position of each of the 500.000 nodes of a Breast Phantom subjected to 50% compression, which was composed of fatty tissue, gland and various abnormalities, with an average deviation less than 0.1 mm. The reversibility of the algorithm as well as the validity of the deviation estimator were verified by the means of a “reverse simulation” during which the compressed breast phantom was perfectly decompressed to its initial uncompressed state. The entire process both for compression and decompression took approximately 12 hours each on a WinXp PC 2.4 GHz. The source code is written in Java language. The results show that it is possible to obtain a 512x512x512 compressed 3D Breast Phantom with unlimited number of different tissues and structures which can be used in high resolution mammography simulation.

Le travail réalisé concerne l’étude de la fonctionnalité et des performances des poudres de mannitol en compression directe en s’appuyant sur la simulation de compression sur presse rotative comme outil d’investigations. Dans le contexte réglementaire actuel, il est important pour les industriels, fournisseurs d’excipients pharmaceutiques, d’approfondir leurs connaissances des matériaux afin de répondre aux critères de qualité des médicaments et aux exigences de l’industrie pharmaceutique. Le mannitol est un excipient très largement utilisé en formulation pharmaceutique et notamment pour la conception de comprimés. L’objectif essentiel de cette Etude vise à mieux connaître et maîtriser la qualité de cette matière première afin de pouvoir améliorer, voire optimiser ses performances en compression directe. A l’aide d’une série de tests de caractérisation physiques, physico-chimiques, mécaniques et de compression sur les poudres de mannitol, nous avons pu identifier, dans un premier temps, un certain nombre de critères qui nous ont permis d’émettre des hypothèses et d’établir des axes de travail afin d’analyser le comportement de ces poudres en compression. Les résultats obtenus ont également permis de mettre en avant, à l’aide de l’étude de la compressibilité et des modèles mathématiques associés, un mécanisme de déformation prédominant sur les poudres de mannitol de compression directe. De nombreux prototypes ont fait l’objet d’une investigation approfondie dans une seconde partie, permettant de valider ces hypothèses et d’identifier les paramètres et mécanismes responsables des performances en compression des poudres de mannitol.Globalement, les travaux de recherche conduits dans cette thèse ont permis d’améliorer les connaissances sur les performances en compression des poudres de mannitol de la société Roquette Frères dans des conditions réelles d’utilisation, semblables aux presses rotatives industrielles, et en fournissant des résultats expérimentaux validés et modélisés. / This work focuses on the study of the functionality and performance of directly compressed mannitol powder using a rotary tablet press simulator as an investigation tool. For regulatory authority, it is essential for industrial - pharmaceutical raw material suppliers, to deepen their knowledge about materials to satisfy the drug quality standards and Pharmaceutical industry requirements. Mannitol is a widely used raw material in pharmaceutical formulations for the design of tablets. The main objective of this study is to have a better control and knowledge about this raw material quality, in order to improve and optimize the performance of mannitol in direct compression.Using a series of physical, physico-chemical, mechanical and compression studies on mannitol powders, we identified some criteria that allowed us to emit hypotheses and build a line of work to analyze the powders behavior under compression. The results also allowed us - using compressibility and associated mathematical models - to study the predominant deformation mechanism of directly compressed mannitol powders. Various mannitol prototypes were studied in a second part, permitting to validate these hypotheses and identify parameters and mechanisms affecting tableting performance.Overall, the research work achieved in this thesis have improved the knowledge about compression performance of mannitol powders from Roquette Frères SA company in tablet production used conditions, similar to industrial rotary tablet press, and providing validated and modeled experimental results.