Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Influence de l’écoulement et des interactions fluide-structure dans la simulation de la rupture traumatique de l’aorte abdominale

Laboratoire principal - Référent principal   -

Directeur du laboratoire principal   -

Spécialité de la thèse Biomécanique

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Marseille

Etablissement d'inscription AIX-MARSEILLE UNIVERSITE

Ecole doctorale SCIENCES DU MOUVEMENT HUMAIN (SMH)

Directeur de thèse prévu BEHR Michel  -  Université Gustave Eiffel  -  LBA

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Equipe d’encadrement :
Directeurs de thèse HDR: Michel BEHR, Morgane EVIN
Encadrement scientifique:, Lionel THOLLON, Mourad Boufi
Partenariat académique: Lyes Kadem, Stanislas Rappachi

Contexte : La rupture traumatique de l’aorte concerne 15% des victimes d’accidents de voiture et à lieu dans les 24h suivant l’accident [1]. A l’heure actuelle, les critères d’évaluation de l’aorte consiste à mesurer le diamètre de celle-ci par imagerie CT ou IRM. Une étude récente compare les différences morphologiques des aortes disséquées en cas de trauma et en cas de pathologies anévrismales [2]. Celle-ci montre que les diamètres aortiques, la distance entre l’artère céliaque et les carotides, la distance entre la coronaire principale gauche et la carotide commune gauche sont plus importants dans le cas des patients avec pathologies anévrismales, ce qui va dans le sens d’une géométrie moyenne pour les patients traumatiques. Pourtant la variabilité inter-individu est importante, due principalement à la variation de la morphologie aortique due à l’âge.

L’influence des aspects hydrodynamiques dans la rupture traumatique de l’aorte est de nos jours discutée : certains auteurs attribuent la rupture à une dégénération de la structure de l’aorte seule [3], [4] alors que d’autres ont proposé des indices de lésions basés sur la pression. Le mécanisme de rupture lié à l’influence de l’écoulement apparaît comme secondaire au mécanisme structurel. Pourtant au niveau de la dissection aortique non traumatique, l’influence fluide a été mise en évidence au niveau de l’imagerie. De plus, l’analyse des patrons d’écoulement dans l’aorte et l’influence de la géométrie aortique ont été évalués principalement comme relatifs à l’âge [6] et repose sur la quantification d’une contrainte pariétale qui n’est pas suffisante pour l’explication de la rupture dans le cas traumatique. Les interactions entre le sang et la paroi aortique sont à prendre en compte dans le cas d’un impact particulièrement par l’implication d’un phénomène de surpression. L’hypothèse de ce travail est que l’action fluide n’a pas comme unique cause la pression interne de l’aorte, mais que l’organisation de l’écoulement pendant l’impact joue également un rôle dans la rupture.

Les travaux récents du laboratoire et actuellement en cours de publication sur la prise en compte du cycle cardiaque dans la simulation d’un trauma de l’aorte, ont montré l’importance de prendre en compte la cinétique de l’écoulement lors des simulations d’impact [5]. Ce travail de doctorat fait donc suite au doctorat de W. Wei dans lequel un modèle spécifique de rupture de l’aorte dans laquelle l’influence de la pression est prise en compte, a été développé et validé sous LS Dyna.

Actuellement, il n’existe à notre connaissance qu’un modèle de l’aorte applicable à des situations traumatiques et qui prenne en compte les interactions fluides/structures, mais ce modèle se limite à des conditions hydrostatiques [7]. Le comportement fluide lors de l’impact n’a ainsi, à notre connaissance, pas été étudié, mis à part à travers l’influence des pressions comme précédemment cité. Au niveau expérimental, les principales simulations ont été réalisées sur des anévrismes de l’aorte d’avantage que dans des cas de dissection ou de rupture [8], [9]. Le lien entre rupture anévrismale et niveau de contrainte pariétale est complexe : au niveau des anévrismes, les zones de fortes contraintes ne sont pas celles présentant la rupture.

Les validations de ces modèles sont également limitées. D’une part les modèles expérimentaux ne prennent généralement en compte que les spécificités anatomiques et hémodynamiques d’un patient unique. D’autre part, les modèles ex-vivo sont limités par les caractéristiques des modèles disponibles (âge des corps) et les méthodes de conservation.
Le réalisme de la simulation numérique repose donc sur: (1) la connaissance de la variabilité entre patients de différences morphologiques de l’anatomie de l’aorte et de son influence sur l’écoulement, et (2) la connaissance des patrons de flux physiologiques normaux avant trauma, simulation de la pression et des survitesses dans l’aorte.

L’utilisation de l’écoulement 3D+t par contraste de phase [10], [11] permettra la validation de l’écoulement réalisé en condition physiologique [12], [13]. La possibilité de simuler l’impact à différents instants du cycle cardiaque avec un écoulement pulsé préalablement stabilisé permettra une meilleure prise en compte des interactions fluide-structure pendant l’accident.

L’objectif de ce projet de doctorat est de quantifier l’influence éventuelle de l’écoulement dans le mécanisme de rupture de l’aorte en cas d’accident de la route. Cet objectif pourra être atteint par le mise en œuvre de 2 approches : 1) la modélisation physiologique de l’écoulement sain dans différents morphotypes, et 2) la modélisation de l’impact incluant cette modélisation physiologique couplée à une analyse de sensibilité sur des cas d’accidents réels avec rupture de l’aorte.

Références bibliographiques:
[1] N. Fox et al., J. Trauma Acute Care Surg., vol. 78, no 1, p. 136‑146, janv. 2015.
[2] I. Busscher, J. J. W. Ploegmakers, G. J. Verkerke, et A. G. Veldhuizen, Eur. Spine J., vol. 19, no 7, p. 1104‑1114, juill. 2010.
[3] J. Forman, S. Stacey, J. Evans, et R. Kent, J. Biomech., vol. 41, no 6, p. 1359‑1364, 2008.
[4] W. N. Hardy et al., Stapp Car Crash J., vol. 52, p. 233‑265, nov. 2008.
[5] W. Wei, M. Behr, et C. J. F. Kahn, in IRCOBI Conference Proceedings, 2016.
[6] A. R. Bond, S. Iftikhar, A. A. Bharath, et P. D. Weinberg, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol., vol. 31, no 3, p. 543‑550, mars 2011.
[7] J. H. Siegel, A. Belwadi, J. A. Smith, C. Shah, et K. Yang, J. Trauma, vol. 68, no 6, p. 1375‑1395, juin 2010.
[8] V. Deplano, Y. Knapp, E. Bertrand, et E. Gaillard, J. Biomech., vol. 40, no 11, p. 2406‑2413, janv. 2007.
[9] C.-Y. Chen, R. Antón, M. Hung, P. Menon, E. A. Finol, et K. Pekkan, J. Biomech. Eng., vol. 136, no 3, p. 0310011‑0310019, mars 2014.
[10] R. E. Clough, M. Waltham, D. Giese, P. R. Taylor, et T. Schaeffter, « A new imaging method for assessment of aortic dissection using four-dimensional phase contrast magnetic resonance imaging », J. Vasc. Surg., vol. 55, no 4, p. 914‑923, avr. 2012.
[11] D. Dillon-Murphy, A. Noorani, D. Nordsletten, et C. A. Figueroa, Biomech. Model. Mechanobiol., vol. 15, no 4, p. 857‑876, août 2016.
[12] P. van Ooij, A. L. Powell, W. V. Potters, J. C. Carr, M. Markl, et A. J. Barker, J. Magn. Reson. Imaging JMRI, vol. 43, no 1, p. 236‑248, janv. 2016.
[13] P. van Ooij et al., J. Magn. Reson. Imaging JMRI, vol. 43, no 5, p. 1239‑1249, mai 2016.

Lien avec le projet fédérateur : La prise en compte de la physiologie dans la dissection traumatique de l’aorte (interaction fluide structure).
Le laboratoire ayant pour vocation de s’investir dans deux projets fédérateurs (Voyageur virtuel et i-Safe), tous les deux soutenu par le département, le lien avec chacun des projets est mentionné ci-dessous.
Pour le projet fédérateur Voyageur virtuel, ce projet s’inscrit dans la prise en compte accrue de la physiologie dans la simulation d’accident de la route et à ce titre contribue au projet fédérateur (à valider avec les porteurs du projet). La prise en compte d’écoulements physiologiques et l’implémentation de critères lésionnels liés au risque hémorragique dans la modélisation du Voyageur Virtuel son des enjeux de premier plan. Pour le projet fédérateur i-Safe, l’analyse de sensibilité des conditions de l’impact dans le risque de rupture de l’aorte pourra améliorer la capacité prédictive du modèle et alimenter les simulations de la base de données créée pour ce projet fédérateur.

Lien avec le projet incitatif : La prise en compte de la physiologie avec l’implication des interactions fluide-structures fait partie d’un projet incitatif proposé en 2017. Plus particulièrement orienté sur le rôle du liquide céphalo-rachidien, ce projet incitatif permettra le développement d’indices fluides et l’interaction entre simulation numérique, imagerie de flux pas IRM et données expérimentales.
Programme de la thèse : L’objectif de ce travail est de déterminer l’influence de l’écoulement sanguin dans le risque de rupture aortique en cas d’accident de la route. Il se décompose en 2 phases.
Phase 1. Simulation physiologique de l’écoulement aortique en fonction des morphotypes
1.1. Validation d’un modèle d’interaction fluide-structure dans l’aorte thoracique par mesures in-vivo IRM 3D+t.
1.2. Développement d’indices fluides physiologiques développés au laboratoire pour les simulations du liquide céphalo-rachidien dans le rachis.
1.3. Etude clinique sur l’influence du morphotype aortique sur les patrons d’écoulement aortiques.
Cette partie pourra faire l’objet d’une publication dans un journal de biomécanique (1.1 et 1.2) et une publication dans un journal clinique pour la partie 1.3.
Phase 2. Prise en compte d’un écoulement aortique physiologique dans les dissections de l’aorte traumatiques
2.1. Simulations numériques issues des scénarii de la base de données disponible en open access avec analyse de sensibilité sur les paramètres d’impact (angle d’impact, situation du passager, temporalité du cycle cardiaque)
2.2. Développement d’indices fluides spécifiques aux conditions d’accident.
2.3. Validation expérimentale des indices fluides dans les conditions d’impacts sur un banc expérimental spécifique (fournit par Concordia Université)
Cette partie pourra faire l’objet d’une publication dans un journal de mécanique de fluide pour les parties 2.2 et 2.3.

Le candidat :
Disciplines abordées : Mécanique des fluides, modélisation explicite par éléments finis
Pré-requis disciplinaires : Biomécanique cardiovasculaire, mécanique des fluides, mécanique des structures.
Profil du candidat-doctorant : Ingénieur en mécanique des fluides ou biomécanique.

Mots-clefs: Mécanique des fluides, modélisation explicite par éléments finis, Rupture de l'Aorte, Homme Virtuel

Laboratoire principal - Référent principal	-
Directeur du laboratoire principal	-
Spécialité de la thèse	Biomécanique
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Marseille
Etablissement d'inscription	AIX-MARSEILLE UNIVERSITE
Ecole doctorale	SCIENCES DU MOUVEMENT HUMAIN (SMH)
Directeur de thèse prévu	BEHR Michel - Université Gustave Eiffel - LBA
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Equipe d’encadrement : Directeurs de thèse HDR: Michel BEHR, Morgane EVIN Encadrement scientifique:, Lionel THOLLON, Mourad Boufi Partenariat académique: Lyes Kadem, Stanislas Rappachi Contexte : La rupture traumatique de l’aorte concerne 15% des victimes d’accidents de voiture et à lieu dans les 24h suivant l’accident [1]. A l’heure actuelle, les critères d’évaluation de l’aorte consiste à mesurer le diamètre de celle-ci par imagerie CT ou IRM. Une étude récente compare les différences morphologiques des aortes disséquées en cas de trauma et en cas de pathologies anévrismales [2]. Celle-ci montre que les diamètres aortiques, la distance entre l’artère céliaque et les carotides, la distance entre la coronaire principale gauche et la carotide commune gauche sont plus importants dans le cas des patients avec pathologies anévrismales, ce qui va dans le sens d’une géométrie moyenne pour les patients traumatiques. Pourtant la variabilité inter-individu est importante, due principalement à la variation de la morphologie aortique due à l’âge. L’influence des aspects hydrodynamiques dans la rupture traumatique de l’aorte est de nos jours discutée : certains auteurs attribuent la rupture à une dégénération de la structure de l’aorte seule [3], [4] alors que d’autres ont proposé des indices de lésions basés sur la pression. Le mécanisme de rupture lié à l’influence de l’écoulement apparaît comme secondaire au mécanisme structurel. Pourtant au niveau de la dissection aortique non traumatique, l’influence fluide a été mise en évidence au niveau de l’imagerie. De plus, l’analyse des patrons d’écoulement dans l’aorte et l’influence de la géométrie aortique ont été évalués principalement comme relatifs à l’âge [6] et repose sur la quantification d’une contrainte pariétale qui n’est pas suffisante pour l’explication de la rupture dans le cas traumatique. Les interactions entre le sang et la paroi aortique sont à prendre en compte dans le cas d’un impact particulièrement par l’implication d’un phénomène de surpression. L’hypothèse de ce travail est que l’action fluide n’a pas comme unique cause la pression interne de l’aorte, mais que l’organisation de l’écoulement pendant l’impact joue également un rôle dans la rupture. Les travaux récents du laboratoire et actuellement en cours de publication sur la prise en compte du cycle cardiaque dans la simulation d’un trauma de l’aorte, ont montré l’importance de prendre en compte la cinétique de l’écoulement lors des simulations d’impact [5]. Ce travail de doctorat fait donc suite au doctorat de W. Wei dans lequel un modèle spécifique de rupture de l’aorte dans laquelle l’influence de la pression est prise en compte, a été développé et validé sous LS Dyna. Actuellement, il n’existe à notre connaissance qu’un modèle de l’aorte applicable à des situations traumatiques et qui prenne en compte les interactions fluides/structures, mais ce modèle se limite à des conditions hydrostatiques [7]. Le comportement fluide lors de l’impact n’a ainsi, à notre connaissance, pas été étudié, mis à part à travers l’influence des pressions comme précédemment cité. Au niveau expérimental, les principales simulations ont été réalisées sur des anévrismes de l’aorte d’avantage que dans des cas de dissection ou de rupture [8], [9]. Le lien entre rupture anévrismale et niveau de contrainte pariétale est complexe : au niveau des anévrismes, les zones de fortes contraintes ne sont pas celles présentant la rupture. Les validations de ces modèles sont également limitées. D’une part les modèles expérimentaux ne prennent généralement en compte que les spécificités anatomiques et hémodynamiques d’un patient unique. D’autre part, les modèles ex-vivo sont limités par les caractéristiques des modèles disponibles (âge des corps) et les méthodes de conservation. Le réalisme de la simulation numérique repose donc sur: (1) la connaissance de la variabilité entre patients de différences morphologiques de l’anatomie de l’aorte et de son influence sur l’écoulement, et (2) la connaissance des patrons de flux physiologiques normaux avant trauma, simulation de la pression et des survitesses dans l’aorte. L’utilisation de l’écoulement 3D+t par contraste de phase [10], [11] permettra la validation de l’écoulement réalisé en condition physiologique [12], [13]. La possibilité de simuler l’impact à différents instants du cycle cardiaque avec un écoulement pulsé préalablement stabilisé permettra une meilleure prise en compte des interactions fluide-structure pendant l’accident. L’objectif de ce projet de doctorat est de quantifier l’influence éventuelle de l’écoulement dans le mécanisme de rupture de l’aorte en cas d’accident de la route. Cet objectif pourra être atteint par le mise en œuvre de 2 approches : 1) la modélisation physiologique de l’écoulement sain dans différents morphotypes, et 2) la modélisation de l’impact incluant cette modélisation physiologique couplée à une analyse de sensibilité sur des cas d’accidents réels avec rupture de l’aorte. Références bibliographiques: [1] N. Fox et al., J. Trauma Acute Care Surg., vol. 78, no 1, p. 136‑146, janv. 2015. [2] I. Busscher, J. J. W. Ploegmakers, G. J. Verkerke, et A. G. Veldhuizen, Eur. Spine J., vol. 19, no 7, p. 1104‑1114, juill. 2010. [3] J. Forman, S. Stacey, J. Evans, et R. Kent, J. Biomech., vol. 41, no 6, p. 1359‑1364, 2008. [4] W. N. Hardy et al., Stapp Car Crash J., vol. 52, p. 233‑265, nov. 2008. [5] W. Wei, M. Behr, et C. J. F. Kahn, in IRCOBI Conference Proceedings, 2016. [6] A. R. Bond, S. Iftikhar, A. A. Bharath, et P. D. Weinberg, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol., vol. 31, no 3, p. 543‑550, mars 2011. [7] J. H. Siegel, A. Belwadi, J. A. Smith, C. Shah, et K. Yang, J. Trauma, vol. 68, no 6, p. 1375‑1395, juin 2010. [8] V. Deplano, Y. Knapp, E. Bertrand, et E. Gaillard, J. Biomech., vol. 40, no 11, p. 2406‑2413, janv. 2007. [9] C.-Y. Chen, R. Antón, M. Hung, P. Menon, E. A. Finol, et K. Pekkan, J. Biomech. Eng., vol. 136, no 3, p. 0310011‑0310019, mars 2014. [10] R. E. Clough, M. Waltham, D. Giese, P. R. Taylor, et T. Schaeffter, « A new imaging method for assessment of aortic dissection using four-dimensional phase contrast magnetic resonance imaging », J. Vasc. Surg., vol. 55, no 4, p. 914‑923, avr. 2012. [11] D. Dillon-Murphy, A. Noorani, D. Nordsletten, et C. A. Figueroa, Biomech. Model. Mechanobiol., vol. 15, no 4, p. 857‑876, août 2016. [12] P. van Ooij, A. L. Powell, W. V. Potters, J. C. Carr, M. Markl, et A. J. Barker, J. Magn. Reson. Imaging JMRI, vol. 43, no 1, p. 236‑248, janv. 2016. [13] P. van Ooij et al., J. Magn. Reson. Imaging JMRI, vol. 43, no 5, p. 1239‑1249, mai 2016. Lien avec le projet fédérateur : La prise en compte de la physiologie dans la dissection traumatique de l’aorte (interaction fluide structure). Le laboratoire ayant pour vocation de s’investir dans deux projets fédérateurs (Voyageur virtuel et i-Safe), tous les deux soutenu par le département, le lien avec chacun des projets est mentionné ci-dessous. Pour le projet fédérateur Voyageur virtuel, ce projet s’inscrit dans la prise en compte accrue de la physiologie dans la simulation d’accident de la route et à ce titre contribue au projet fédérateur (à valider avec les porteurs du projet). La prise en compte d’écoulements physiologiques et l’implémentation de critères lésionnels liés au risque hémorragique dans la modélisation du Voyageur Virtuel son des enjeux de premier plan. Pour le projet fédérateur i-Safe, l’analyse de sensibilité des conditions de l’impact dans le risque de rupture de l’aorte pourra améliorer la capacité prédictive du modèle et alimenter les simulations de la base de données créée pour ce projet fédérateur. Lien avec le projet incitatif : La prise en compte de la physiologie avec l’implication des interactions fluide-structures fait partie d’un projet incitatif proposé en 2017. Plus particulièrement orienté sur le rôle du liquide céphalo-rachidien, ce projet incitatif permettra le développement d’indices fluides et l’interaction entre simulation numérique, imagerie de flux pas IRM et données expérimentales. Programme de la thèse : L’objectif de ce travail est de déterminer l’influence de l’écoulement sanguin dans le risque de rupture aortique en cas d’accident de la route. Il se décompose en 2 phases. Phase 1. Simulation physiologique de l’écoulement aortique en fonction des morphotypes 1.1. Validation d’un modèle d’interaction fluide-structure dans l’aorte thoracique par mesures in-vivo IRM 3D+t. 1.2. Développement d’indices fluides physiologiques développés au laboratoire pour les simulations du liquide céphalo-rachidien dans le rachis. 1.3. Etude clinique sur l’influence du morphotype aortique sur les patrons d’écoulement aortiques. Cette partie pourra faire l’objet d’une publication dans un journal de biomécanique (1.1 et 1.2) et une publication dans un journal clinique pour la partie 1.3. Phase 2. Prise en compte d’un écoulement aortique physiologique dans les dissections de l’aorte traumatiques 2.1. Simulations numériques issues des scénarii de la base de données disponible en open access avec analyse de sensibilité sur les paramètres d’impact (angle d’impact, situation du passager, temporalité du cycle cardiaque) 2.2. Développement d’indices fluides spécifiques aux conditions d’accident. 2.3. Validation expérimentale des indices fluides dans les conditions d’impacts sur un banc expérimental spécifique (fournit par Concordia Université) Cette partie pourra faire l’objet d’une publication dans un journal de mécanique de fluide pour les parties 2.2 et 2.3. Le candidat : Disciplines abordées : Mécanique des fluides, modélisation explicite par éléments finis Pré-requis disciplinaires : Biomécanique cardiovasculaire, mécanique des fluides, mécanique des structures. Profil du candidat-doctorant : Ingénieur en mécanique des fluides ou biomécanique.
Mots-clefs:	Mécanique des fluides, modélisation explicite par éléments finis, Rupture de l'Aorte, Homme Virtuel

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