Biofluid Mechanics Of Embryo Transfer

par Michael Bruckner

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Arie Biesheuvel et de Xavier Escriva.

Le président du jury était Michel Lance.

Le jury était composé de Arie Biesheuvel, Xavier Escriva, Franck Plouraboué, Manouk Abkarian.

Les rapporteurs étaient Jennifer Siggers.

  • Titre traduit

    Biomécanique des fluides du transfert d'embryon


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l'étude du comportement hydrodynamique d'un embryon lors de la procédure de transfert suivant la fécondation in-vitro. Un couple sur six fait l'expérience de problèmes d'infertilité. Aujourd'hui 5 millions de nourrissons sont nés depuis la première fécondation in-vitro en 1978. En 2009, 1.5 millions de cycles de Procréation Médicalement Assistée étaient débutés, donnant ainsi naissance à350 000 nourrissons de par le monde. Le nombre de cycle est en constante augmentation de 5 à 10 % par an et le nombre de cycle de PMA pourrait être proche de 4 millions à l'horizon 2020. Bien que l'étape de fertilisation soit maintenant bien maitrisée avec 80% de réussite, l'étape finale du transfert d'embryon dans la cavité intra-utérine reste une étape critique puisque seulement 25% des cycles mènent à une grossesse viable. Bien que chaque cycle soit couteux, aucun protocole spécifique, optimisé, et indépendant de l'opérateur n'a encore été mis au point. Dans cette thèse, nous nous proposons de démontrer dans un premier temps l'intérêt et la faisabilité d'une approche de bio ingénierie. En effet, bien que l'issue de transfert dépende de nombreux facteurs chimiques et physiologiques, cette étape cruciale peut aussi être étudiée d'un point de vue mécanique des fluides. Cette étape peut être décomposée en plusieurs sous-étapes : l'introduction du cathéter dans la cavité intra utérine, l'injection du fluide medium contenant un ou plusieurs embryons, et le retrait du cathéter. On peut dégager plusieurs paramètres d'importance comme la viscosité des fluides, la vitesse d'injection, la vitesse de retrait du cathéter, le schéma de chargement du cathéter, et les géométries de la cavité et du cathéter. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la structure des écoulements de fluides intra-uterins au moment de l'injection. L'influence des paramètres constitutifs d'importance est étudiée grâce à un code de calcul résolvant les équations de Navier-Stokes dans une géométrie tri-dimensionnelle idéalisée. Une étude des trajectographies potentielles des embryons est également réalisée et mis en relation directe avec les zones d'implantation optimales et à risques. A l'issue de ces calculs, nous sommes en mesure de proposer des recommandations à l'usage des cliniciens pratiquant le transfert d'embryon. La dernière partie de la thèse est une ouverture vers les méthodes numériquesnécessaires à l'appréhension des phénomènes d'interaction fluide/structure à l'échelle de l'embryon. L'embryon est en effet soumis à des contraintes potentiellement destructrices au moment du transfert qu'il ne nous est pas possible de définir précisément _à l'_échelle de l'utérus. Dans l'optique du développement d'un modèle mécanique d'un blastocyste pour déterminer les paramètres procéduraux minimisant les contraintes, nous présentons l'implémentation de deux méthodes numériques de type Eulerienne-Eulerienne. La première est une méthode level-set dans un code en volumes finis et bénéficiant de raffinement de maillage automatique. La seconde concerne une méthode phase-field basée sur un formalisme éléments finis de type Galerkin discontinu


  • Résumé

    This thesis focuses on the study of the hydrodynamic behavior of an embryo during the transfer process following the in vitro fertilization. Worldwide, one in six couples experiences infertility problems. Today, 5 millions babies are born from an in-vitro fertilization since the first one in 1978. In 2009, 1.5 millions Assisted Reproductive Technology cycles have been started, resulting in 350 000 births. The total number of cycles per year is constantly increasing (from 5 to 10 %), and the number of ART cycles is believed to reach 4 millions per year in 2020. Although the fertilization step is now fairly mastered with a 80% success rate, the final stage consisting in the embryo transfer into the uterine cavity remains a critical step, since only 25% of the cycles lead to a live birth. Even though every cycle is expensive, no specific, optimized and operator-independent protocol has been developed yet. In this thesis, we first demonstrate the interest and the feasibility of a bio-engineering approach. Indeed, although the issue of the transfer depends on numerous chemical and physiological factors, this crucial step can also be studied from a fluid mechanical point of view. This step can be divided in several sub-steps : introduction of the catheter in the intra-uterine cavity, injection of the medium fluid containing one or several embryos, and the withdrawal of the catheter. One can identify several important parameters such as fluids viscosity, injections speeds, catheter withdrawal speed, catheter loading scheme and the geometries of the uterine cavity and the catheter. In a second part, we focus on the fluid ow patterns inside the uterine cavity during the injection. The influence of the system parameters is studied thanks to a computational solving of the Navier-Stokes equations in an idealized three-dimensional uterine cavity. A study of the potential trajectories of the embryos is also conducted and confronted against the location of optimal implantation zones but also risky zones. As the outcome of these computations, we are able to propose recommendations for physicians practicing embryo transfers. In the last part of the thesis, we discuss numerical methods for the fluid{structure interaction study of embryo transfer. The embryo is indeed submitted to potentially destructive stress constraints at injection time that we are not capable of defining precisely at the scale of the uterine cavity. With the aim of developing a mechanical model for the blastocyst to determine system parameters minimizing the constraints, we present the implementation of two Eulerian numerical methods. The first one is a fluid-structure level set method in a finite volume code benefiting from an automatic mesh refinement feature. The second one addresses a phase field method based on a Discontinuous Galerkin finite element formalism

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