Mathematical modelling and simulations of the hemodynamics in the eye

par Matteo Carlo Maria Aletti

Thèse de doctorat en Mathématiques Appliquées

Sous la direction de Jean-Frédéric Gerbeau et de Damiano Lombardi.

Soutenue le 30-05-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale de Sciences mathématiques de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Jacques-Louis Lions / LJLL (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Pironneau.

Le jury était composé de Giovanna Guidoboni.

Les rapporteurs étaient Christian Vergara, Stéphanie Salmon.

  • Titre traduit

    Modèles mathématiques et simulations numériques de l'hémodynamique de l'oeil


  • Résumé

    La structure de l’oeil permet d’observer la microcirculation, grâce aux caméras de fond d’oeil. Ces appareils sont bon marché et couramment utilisés dans la pratique clinique, permettant le dépistage de maladies oculaires. La capacité des vaisseaux à adapter leur diamètre (autorégulation) afin de réguler le débit sanguin est importante dans la microcirculation. L’hémodynamique de l’oeil est impactée par la pression à l’intérieur du globe oculaire (IOP), qui est à son tour influencée par le flux sanguin oculaire. Les altérations de l’autorégulation et l’IOP jouent un rôle dans les maladies oculaires. La modélisation mathématique peut aider à interpréter l’interaction entre ces phénomènes et à mieux exploiter les données médicales disponibles. Dans la première partie, nous présentons un modèle simplifié d’interaction fluidestructure qui inclut l’autorégulation, appliqué à un reseau 3D obtenu par imagerie médicale. Les cellules musculaires lisses regulant le diamètre du vaisseau sont modélisés dans la structure. Ensuite, nous utilisons des équations de poroélasticité pour décrire le flux sanguin dans la choroïde, dans un modèle multi-compartiments de l’oeil. Cette approche permet de rendre compte de la transmission de la pulsatilité de la choroïde à la chambre antérieure, où l’IOP est mesurée. Nous présentons des résultats préliminaires sur la choroïde, l’humeur aqueuse et sur la choroïde couplée avec la vitrée. Enfin, nous présentons un modèle d’ordre réduit pour accélérer des simulations multi-physique. Des modèles de haute précision sont utilisés pour les compartiments d’intérêt et une représentation réduite de l’opérateur de Steklov-Poincaré est utilisée pour les autres compartiments.


  • Résumé

    The structure of the eye offers a unique opportunity to directly observe the microcirculation, by means, for instance, of fundus camera, which are cheap devices commonly used in the clinical practice. This can facilitate the screening of systemic deseases such as diabetes and hypertension, or eye diseases such as glaucoma. A key phenomenon in the microcirculation is the autoregulation, which is the ability of certain vessels to adapt their diameter to regulate the blood flow rate in response to changes in the systemic pressure or metabolic needs. Impairments in autoregulation are strongly correlated with pathological states. The hemodynamics in the eye is influenced by the intraocular pressure (IOP), the pressure inside the eye globe, which is in turn influenced by the ocular blood flow. The interest in the IOP stems from the fact that it plays a role in several eye-diseases, such as glaucoma. Mathematical modelling can help in interpreting the interplay between these phenomena and better exploit the available data. In the first part of the thesis we present a simplified fluid-structure interaction model that includes autoregulation. A layer of fibers in the vessel wall models the smooth muscle cells that regulate the diameter of the vessel. The model is applied to a 3D image-based network of retinal arterioles. In the second part, we propose a multi-compartments model of the eye. We use the equations of poroelasticity to model the blood flow in the choroid. The model includes other compartments that transmit the pulsatility from the choroid to the anterior chamber, where the measurements of the IOP are actually performed. We present some preliminary results on the choroid, the aqueous humor and on the choroid coupled with the vitreous. Finally, we present a reduced order modelling technique to speed up multiphysics simulations. We use high fidelity models for the compartments of particular interest from the modelling point of view. The other compartments are instead replaced by a reduced representation of the corresponding Steklov-Poincaré operator.


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