Simulation numérique des interactions fluide-structure dans une fistule artério-veineuse sténosée et des effets de traitements endovasculaires

par Iolanda Decorato

Thèse de doctorat en Bio-Ingénierie, Biomécanique, Biomatériaux

Sous la direction de Anne-Virginie Salsac et de Zaher Kharboutly.

Soutenue le 05-02-2013

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Biomécanique et Bioingéniérie (laboratoire) .


  • Résumé

    Une fistule artérioveineuse (FAV) est un accès vasculaire permanent créé par voie chirurgicale en connectant une veine et une artère chez le patient en hémodialyse. Cet accès vasculaire permet de mettre en place une circulation extracorporelle partielle afin de remplacer les fonctions exocrines des reins. En France, environ 36000 patients sont atteint d’insuffisance rénale chronique en phase terminale, stade de la maladie le plus grave qui nécessite la mise en place d’un traitement de suppléance des reins : l’hémodialyse. La création et présence de la FAV modifient significativement l’hémodynamique dans les vaisseaux sanguins, au niveau local et systémique ainsi qu’à court et à plus long terme. Ces modifications de l’hémodynamiques peuvent induire différents pathologies vasculaires, comme la formation d’anévrysmes et de sténoses. L’objectif de cette étude est de mieux comprendre le comportement mécanique et l’hémodynamique dans les vaisseaux de la FAV. Nous avons étudié numériquement les interactions fluide-structure (IFS) au sein d’une FAV patient-spécifique, dont la géométrie a été reconstruite à partir d’images médicales acquises lors d’un précédent doctorat. Cette FAV a été créée chez le patient en connectant la veine céphalique du patient à l’artère radiale et présente une sténose artérielle réduisant de 80% la lumière du vaisseau. Nous avons imposé le profil de vitesse mesuré sur le patient comme conditions aux limites en entrée et un modèle de Windkessel au niveau des sorties artérielle et veineuse. Nous avons considéré des propriétés mécaniques différentes pour l’artère et la veine et pris en compte le comportement non-Newtonien du sang. Les simulations IFS permettent de calculer l’évolution temporelle des contraintes hémodynamiques et des contraintes internes à la paroi des vaisseaux. Nous nous sommes demandées aussi si des simulations non couplées des équations fluides et solides permettaient d’obtenir des résultats suffisamment précis tout en réduisant significativement le temps de calcul, afin d’envisager son utilisation par les chirurgiens. Dans la deuxième partie de l’étude, nous nous sommes intéressés à l’effet de la présence d’une sténose artérielle sur l’hémodynamique et en particulier à ses traitements endovasculaires. Nous avons dans un premier temps simulé numériquement le traitement de la sténose par angioplastie. En clinique, les sténoses résiduelles après angioplastie sont considérées comme acceptables si elles obstruent moins de 30% de la lumière du vaisseau. Nous avons donc gonflé le ballonnet pour angioplastie avec différentes pressions de manière à obtenir des degrés de sténoses résiduelles compris entre 0 et 30%. Une autre possibilité pour traiter la sténose est de placer un stent après l’angioplastie. Nous avons donc dans un deuxième temps simulé ce traitement numériquement et résolu le problème d’IFS dans la fistule après la pose du stent. Dans ces simulations, la présence du stent a été prise en compte en imposant les propriétés mécaniques équivalentes du vaisseau après la pose du stent à une portion de l’artère. Dans la dernière partie de l’étude nous avons mis en place un dispositif de mesure par PIV (Particle Image Velocimetry). Un moule rigide et transparent de la géométrie a été obtenu par prototypage rapide. Les résultats expérimentaux ont été validés par comparaison avec les résultats des simulations numériques.


  • Résumé

    An arteriovenous fistula (AVF) is a permanent vascular access created surgically connecting a vein onto an artery. It enables to circulate blood extra-corporeally in order to clean it from metabolic waste products and excess of water for patients with end-stage renal disease undergoing hemodialysis. The hemodynamics results to be significantly altered within the arteriovenous fistula compared to the physiological situation. Several studies have been carried out in order to better understand the consequences of AVF creation, maturation and frequent use, but many clinical questions still lie unanswered. The aim of the present study is to better understand the hemodynamics within the AVF, when the compliance of the vascularwall is taken into account. We also propose to quantify the effect of a stenosis at the afferent artery, the incidence of which has been underestimated for many years. The fluid-structure interactions (FSI) within a patient-specific radio-cephalic arteriovenous fistula are investigated numerically. The considered AVF presents an 80% stenosis at the afferent artery. The patient-specific velocity profile is imposed at the boundary inlet, and a Windkessel model is set at the arterial and venous outlets. The mechanical properties of the vein and the artery are differentiated. The non-Newtonian blood behavior has been taken into account. The FSI simulation advantageously provides the time-evolution of both the hemodynamic and structural stresses, and guarantees the equilibrium of the solution at the interface between the fluid and solid domains. The FSI results show the presence of large zones of blood flow recirculation within the cephalic vein, which might promote neointima formation. Large internal stresses are also observed at the venous wall, which may lead to wall remodeling. The fully-coupled FSI simulation results to be costly in computational time, which can so far limit its clinical use. We have investigated whether uncoupled fluid and structure simulations can provide accurate results and significantly reduce the computational time. The uncoupled simulations have the advantage to run 5 times faster than the fully-coupled FSI. We show that an uncoupled fluid simulation provides informative qualitative maps of the hemodynamic conditions in the AVF. Quantitatively, the maximum error on the hemodynamic parameters is 20%. The uncoupled structural simulation with non-uniform wall properties along the vasculature provides the accurate distribution of internal wall stresses, but only at one instant of time within the cardiac cycle. Although partially inaccurate or incomplete, the results of the uncoupled simulations could still be informative enough to guide clinicians in their decision-making. In the second part of the study we have investigated the effects of the arterial stenosis on the hemodynamics, and simulated its treatment by balloon-angioplasty. Clinically, balloon-angioplasty rarely corrects the stenosis fully and a degree of stenosis remains after treatment. Residual degrees of stenosis below 30% are considered as successful. We have inflated the balloon with different pressures to simulate residual stenoses ranging from 0 to 30%. The arterial stenosis has little impact on the blood flow distribution: the venous flow rate remains unchanged before and after the treatment and thus permits hemodialysis. But an increase in the pressure difference across the stenosis is observed, which could cause the heart work load to increase. To guarantee a pressure drop below 5 mmHg, which is considered as the threshold stenosis pressure difference clinically, we find that the residual stenosis degree must be 20% maximum.


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