Caractérisation in situ des propriétés mécaniques des parois vasculaires par une technique non invasive

par Bruno Ramaël

Thèse de doctorat en Bio-ingénierie, Biomécanique, Biomatériaux : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)

Sous la direction de Anne-Virginie Salsac et de Catherine Vayssade.

Soutenue le 22-11-2016

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


  • Résumé

    La thèse s’axe sur l’identification des propriétés mécaniques des artères faciales. Elle s’inscrit dans le cadre du projet FlowFace, qui porte sur l’étude du réseau artériel facial par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM). Elle s’appuie sur une campagne de mesures effectuées sur un échantillon de 30 témoins au CHU d’Amiens, qui a permis d’obtenir de manière non invasive l’évolution de la déformation des vaisseaux, ainsi que la mesure des débits les parcourant. Des pressions diastoliques et systoliques ont été mesurées au niveau du bras, indépendamment des mesures IRM. L’objectif de la thèse a été de modéliser la déformation patient-spécifique des vaisseaux sanguins et de mettre en place une technique d’optimisation, afin de déterminer leurs propriétés mécaniques par analyse inverse. Des simulations du comportement des vaisseaux sanguins ont été réalisées au moyen des logiciels d’ANSYS Inc., en modélisant les interactions fluide-structure aussi bien en couplage fort que faible. L’objectif a été de déterminer les déformations pariétales induites par les conditions hémodynamiques, ainsi que les pertes de charge dans les vaisseaux considérés. Les simulations ont mis en jeu des modèles hyperélastiques grande déformation pour simuler le comportement des parois. Les déplacements prédits par le modèle numérique ont été comparés aux déplacements expérimentaux mesurés par IRM. Les propriétés mécaniques des vaisseaux ont été identifiées au moyen de la technique d’optimisation proposée dans la suite ANSYS et basée sur les algorithmes de gradient et algorithmes génétiques. La méthode d’identification a été validée sur des fantômes de vaisseaux, consistant en des tubes cylindriques en élastomère, et pour lesquelles des mesures de déformation sous écoulement pulsé ont été acquises par imagerie IRM. Les valeurs des propriétés mécaniques ainsi déterminées ont été comparées à celles obtenues par tests de traction et tests de dilatation. Un des points cruciaux de l’identification a consisté en la détermination de l’état non pré-contraint. S’il est un paramètre connu pour les fantômes de vaisseaux, il est à déterminer pour les vaisseaux natifs. Le challenge de cette thèse a aussi été de déterminer les propriétés hyperélastiques des vaisseaux sanguins à partir des valeurs systoliques et diastoliques de pression et déformation. La méthode a permis de conclure que le module tangent en diastole avoisine 200 KPa alors que celui en systole se trouve dans un intervalle entre 300 KPa et 1 MPa.

  • Titre traduit

    Mechanical characterization of arterial wall by a non-invasive method


  • Résumé

    This thesis is based on identifying the mechanical properties of facial arteries. It is part of FlowFace project, which focuses on the study of the facial arterial system by MRI imaging. It is based on a measurement campaign conducted on a sample of 30 people at the Hospital of Amiens, which allowed obtaining noninvasively the evolution of the blood vessel deformation and the measurement of the flow. Diastolic and systolic pressures were measured at the arm independently of the MRI measurements. The aim of the thesis was to model the deformation of blood vessels and to implement an optimization technique to determine their mechanical properties by inverse analysis using MRI measurements of deformation. Simulations of the behavior of the blood vessels were performed, using ANSYS Inc. software, modeling fluid-structure interactions both strong and weak coupling. The objective was to determine the parietal deformations induced by hemodynamic conditions and pressure drops in the vessels concerned. The simulations involved hyperelastic and large deflection models to simulate the behavior of the wall. They allow calculate the numerical displacements that we compared with experimental displacements measured by MRI, the aim is that the difference between numerical and experimental be as low as possible to deduce the adequate mechanical parameters for the artery. To identify the mechanical properties of the vessels, the optimization technique proposed in ANSYS based on genetic algorithms or gradient algorithms was used. The identification method was validated on cylindrical tubes (elastomer), for which deformation measurements were acquired by MRI imaging under pulsating flow. The values of mechanical properties determined were compared with those obtained by traction tests and dilatation tests. One of the crucial points of identification involves the determination of the non-stress state. If it is a known parameter for the elastic tube, it has to be determining for blood vessels. The challenge of this thesis is to determine from a "minimum" quantity of pressure and deformation information, the hyper-elastic properties of blood vessels. The method based on a patient-specific geometry deformation concluded that the tangent modulus in diastole is approximately 200kPa while that in systole is in a range of 300 kPa to 1 MPa.


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