Head and neck cancer represents the sixth most common type of cancer worldwide, with the oral cavity and the larynx the most common sites. One widely used treatment for the delivery of chemotherapeutic drugs and embolizing particles in intermediate and advanced stages of head and neck cancer is intraarterial (IA) infusion or injection therapy via selective catheterization. Tumors are highly vascular and receive most of their blood supply from the local arterial system. Local and phased delivery of anticancer agents such as chemotherapeutics via a catheter into the tumorsupplying arteries exposes the tumor to high concentrations of the therapeutic drugs while minimizing the exposure to unaffected regions. Moreover, endovascular tumor embolization can be used as adjunctive therapy for head and neck cancers to reduce tumor-related pain, prevent tumor progression, or stop acute tumor-related hemorrhage. Such infusion/injection therapy has remained controversial despite over five decades of experience with head and neck cancer therapy. Despite past failures and persistent hurdles to effective cancer treatment, local IA administration of therapeutic agents is currently being used to treat intermediate and advanced cancer tumors, although the advantages of targeted chemoradiation have yet to be ascertained. Clinical applications of IA pharmacokinetics require an understanding of both physiological and anatomical factors that influence arterial drug concentrations. These include blood flow hydrodynamics, injection characteristics, endothelium-drug interactions, and site-specific pharmacokinetics. Hydrodynamic factors related to local blood flow, infusion/injection parameters, and geometric properties of vasculature help determine drug concentrations within the tissue during IA injections, and must be sought on a patient-specific basis. The objective of the proposed study is to employ computational methods and techniques to evaluate the influence of several factors which are hypothesized to contribute to considerable changes in local blood supply, as well as to the procedure of targeted IA infusion/injection therapy using selective catheterization approaches for patients with head and neck cancer. 3D angiographic data obtained from MRI are utilized to construct geometric models of the head and neck vascular anatomy. Catheter models are used to simulate the IA injection/infusion therapy. Computational simulations of hemodynamic flow and anticancer drug/particle transport are made using the commercially available CAD/CFDbased ANSYS products and the open source OpenFOAM CFD package. The computational models are ultimately used to identify optimal catheter-based parameters such as catheter type, shape and location, and injection parameters such as flow rate, duration, and phase within the cardiac cycle for a variety of potential head and neck cancer patients. The proposed work will contribute to the ongoing research on head and neck cancer and the concept of organ preservation, the pathophysiology of head and neck cancer, and patient-specific decision-making and treatmentplanning procedures in clinical oncology. The results of this study will help provide new, more effective therapies for head and neck cancer patients.

Le cancer de la tête et du cou, sixième en importance parmi différents types, apparaît le plus souvent au niveau du larynx et de la cavité buccale. L’infusion ou injection intra-artérielle (IA) par cathéter est fréquemment utilisée pour la diffusion d’agents chimiothérapeutiques, l’embolisation de particules, ou bien la livraison de bulles microscopiques afin de traiter le cancer de la tête et du cou à un stade intermédiaire ou avancé. Les tumeurs sont bien irriguées par les artère du système sanguin. L’infusion locale pulsée à l’aide d’un cathéter situé en amont d’une tumeur permet alors d’exposer celle-ci à de très fortes doses, tout en protégeant les régions avoisinantes et prévenant ainsi l’endommagement d’organes sains. De plus, l'embolisation endovasculaire des tumeurs peut être utilisée comme traitement d'appoint pour les cancers de la tête et du cou pour réduire la douleur liée à la tumeur, prévenir la progression tumorale ou arrêter l'hémorragie aiguë liée à la tumeur. Une telle thérapie par perfusion/injection est restée controversée malgré plus de cinq décennies d'expérience dans le traitement du cancer de la tête et du cou. Malgré les échecs passés et les obstacles persistants à un traitement efficace du cancer, l'administration IA locale d'agents thérapeutiques est actuellement utilisée pour traiter les tumeurs cancéreuses intermédiaires et avancées, bien que les avantages de la radiothérapie ciblée restent à déterminer. L’application de ce mode de traitement en clinique requiert une très bonne compréhension des facteurs anatomiques et physiologiques qui déterminent la concentration des produits injectés dans les artères. Ces facteurs incluent l’hydrodynamique des écoulements sanguins, les paramètres d’injection, les interactions entre médicament et tissus, de même que la cinétique de la diffusion au site visé. Les facteurs hydrodynamiques reliés aux écoulements sanguins tourbillonnaires, aux paramètres d’injection, et à la morphologie des vaisseaux détermine la concentration finale au niveau de l’organe visé, qui varie d’individu en individu. Un objectif principal de l’étude propose est d’évaluer l’importance de plusieurs facteurs importants dans ce type de traitement à l’aide de modèles numériques. Des images cliniques à haute résolution obtenues de sujets humains par résonance magnétique sont utilisées pour recréer les vaisseaux du cou et de la tête par segmentation et interpolation numérique à l’aide de logiciels éprouvés. Le cathéter est inclus afin de modéliser la mécanique de l’injection en détail. Des simulations numériques sont alors mises en œuvre afin de quantifier le transport des médicaments sous plusieurs formes, par example dans des bulles ou capsules solides microscopiques, ou bien en aérosol. Nous utiliserons un arsenal de codes de calcul disponibles sur le marché, par example la suite de logiciels ANSYS et le package open source OpenFOAM CFD. Les modèles serviront à identifier les paramètres d’injection, les types de cathéters et les véhicules porteurs optimaux en termes de taux d’irrigation périphérique, prenant en compte le débit, la durée et la phase de l`injection dans le cycle cardiaque, et même que toute particularité du système vasculaire du sujet. L'étude proposée contribuera à la recherche en cours sur le cancer de la tête et du cou et au concept de préservation des organes, à la physiopathologie du cancer de la tête et du cou et aux procédures de prise de décision et de planification de traitement spécifiques au patient en oncologie clinique. Les résultats de cette étude aideront à fournir de nouvelles thérapies plus efficaces pour les patients atteints d'un cancer de la tête et du cou.