Modélisations numérique et expérimentale des interactions fluide-structure biologiques : application au diagnostic clinique de la performance valvulaire en présence d'une sténose sous-aortique

par Carine Guivier

Thèse de doctorat en Mécanique et physique des fluides. Biomécanique

Sous la direction de Valérie Deplano.

Soutenue en 2007

à Aix Marseille 2 .


  • Résumé

    La performance valvulaire aortique (valve native ou prothèse valvulaire), est aujourd'hui efficacement évaluée grâce à des index cliniques basés sur des mesures de vitesses, relevées par échographie Doppler. Cependant, en présence d'un rétrécissement dans le ventricule gauche, appelé sténose sous-aortique (SSA), ces index cliniques ne semblent plus adaptés pour estimer correctement la performance valvulaire. L'objectif de ces travaux de thèse est de comprendre le défaut de diagnostic clinique à l'aide de la mise en oeuvre de modèles pertinents tant sur le plan numérique qu'expérimental. La mise en place d'une modélisation numérique des interactions entre la valve et l'écoulement sanguin constitue le second objectif de ces travaux de thèse. Des modèles numériques d'interaction fluide-structure (IFS) 2D puis 3D sont mis en oeuvre à l'aide du logiciel commercial Fluent. Le développement et l'implémentation d'un programme externe permettent de gérer une boucle de sous-itérations afin d'assurer un couplage fort entre le fluide et la structure. Un modèle expérimental équivalent tant sur les géométries que sur les conditions hydrodynamiques est réalisé pour valider le modèle numérique. La validation est obtenue à l'aide de comparaisons des champs de vitesse obtenus numériquement d'une part et par la technique expérimentale de vélocimétrie par images de particules (PIV) d'autre part. La comparaison des champs de vitesse entre un cas sain et un cas pathologique (avec SSA) met alors clairement en évidence le défaut de diagnostic de la performance valvulaire en présence d'une SSA : les vitesses relevées lors du diagnostic clinique et, par conséquent, les index cliniques, ne sont pas corrélés au rétrécissement valvulaire. Un modèle théorique basé sur la modélisation des écoulements potentiels autour d'une aile d'envergure limitée a enfin été développé. Chaque clapet de la prothèse valvulaire est ainsi assimilé à une aile d'envergure limitée. Ce modèle peut alors permettre une amélioration des index cliniques et par conséquent, une aide au diagnostic de la performance valvulaire en présence d'une SSA.

  • Titre traduit

    Numerical and experimental biological fluid-structure interactions models : application to the clinical assessment of the valvular performance in the presence of a subaortic stenosis


  • Résumé

    The aortic valvular performance (either of a native valve or a prosthetic valve) is currently and efficiently assessed through clinical indices. These indices are estimated by performing velocity measurements based on Doppler echocardiographic methods. But in the presence of a relevant narrowing in the left ventricle outflow tract, called subaortic stenosis (SAS), it is often difficult or impossible to adequately assess the haemodynamic performance of the aortic valve with the use of the conventional Doppler echocardiographic indices. The aim of the work is to find out why the clinical indices fail when a SAS is present, through relevant experimental and numerical models. The second aim is to implement numerical fluid-structure interaction that exists between the valve and the blood flow. A first 2D numerical fluid-structure interaction model and then a 3D one are developed with the commercial CFD software Fluent. An external program is used to manage a sub-iteration loop ensuring a strong coupling between the fluid and the structure. An experimental model, that is equivalent to the numerical one as far as the geometries and the hydrodynamic conditions are concerned is used to validate the numerical simulation. The validation is performed through the comparison of the velocity fields that are obtained numerically on the one hand and experimentally by Particle Image Velocimetry (PIV) on the other hand. The quantitative and qualitative comparisons between healthy (without SAS) and pathological (with SAS) cases underline the failure that exists in the clinical diagnosis of the valvular performance in the presence of a SAS: the velocities and by consequence the clinical indices are not correlated to the valvular performance. A last theorical model was developed. It is based on the modelisation of potential flow around an airfoil of finite span. Each leaflet of the prosthetic valve is assimilated to an airfoil of finite span. This last model could improve the clinical indices and consequently could bring out changes in the clinical diagnosis of the haemodynamic valvular performance.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (259 p. )
  • Annexes : Bibliogr. p.247-259

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  • Bibliothèque : Université Aix-Marseille (Marseille. Luminy). Service commun de la documentation. Bibliothèque de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 48066
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