Apport de la mécanique des fluides dans l'étude des flux sanguins aortiques

Contribution of fluid mechanics in the study of aortic blood flows

• Auteur / Autrice : Kevin Bouaou
• Direction : Nadjia Kachenoura, Didier Lucor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie biomédicale
• Date : Soutenance le 10/02/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Deplano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Lucor, Gérard Sou, Pascal Haigron, Thomas Dietenbeck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Lalande, Laurent Dumas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recalage d'images

Fluides, Dynamique des -- Mesure

Écoulement cisaillé

Simulation par ordinateur

Tourbillons (mécanique des fluides)

Maladies cardiovasculaires -- Diagnostic

Imagerie pour le diagnostic

Imagerie quadridimensionnelle en médecine

Imagerie par résonance magnétique

Hémodynamique

Mots clés libres

Aorte

Hémodynamique

IRM flux 4D

Mécanique des fluides

Vorticité

Contrainte de cisaillement

Aorta

Hemodynamic

4D flow MRI

Fluid mechanics

Résumé

Le vieillissement est associé à des modifications morphologiques, fonctionnelles et hémodynamiques du système artériel, le plus souvent aggravées par la survenue de maladies cardiovasculaires. La compréhension de ces interactions aggravantes est importante pour réduire le risque encouru par le patient. L’imagerie médicale joue un rôle majeur dans cette perspective au travers de modalités telles que l’IRM de contraste de phase combinée à l’analyse quantitative des images obtenues ainsi qu’à la résolution numérique des équations de Navier Stokes qui régissent l’hémodynamique de l’écoulement sanguin. Cette thèse a donc pour but de mettre au point et combiner des méthodes de traitement d’images de vélocimétrie 4D acquises en IRM et de mécanique des fluides pour extraire des biomarqueurs quantitatifs tels que les cartographies de pressions intra-aortiques et leurs propagations spatio-temporelles, la contrainte de cisaillement aux parois aortiques et la vorticité intra-aortique. Nous avons ainsi montré la capacité de ces biomarqueurs à détecter les atteintes infra-cliniques liées à l’âge et à caractériser la dilatation aortique pathologique. De plus, les liens entre distributions spatio-temporelles des pressions et apparition et persistance des vortex ou encore contrainte de cisaillement ont été montrés. Dans un second travail, nous avons mis au point un modèle de simulation numérique permettant de résoudre le système d’équations de Navier-Stokes par élément finis. Une méthode de projection itérative a été appliquée à des modèles de sténose 2D et 3D ainsi qu’à des géométries aortiques 3D issues de segmentations pour valider notre implémentation. Finalement, un travail préliminaire d’application de notre modèle numérique à des géométries patients-spécifiques a été réalisé indiquant des liens encourageants entre données simulées et mesures IRM.

Aging is associated with morphological, functional and hemodynamic changes in the arterial system, most often aggravated by cardiovascular disease. Understanding these aggravating interactions is important to reduce patients risk. Medical imaging plays a major role in this context through modalities such as velocity encoding MRI combined with quantitative image processing and computational resolution of Navier-Stokes equations that govern blood flow hemodynamics. The aim of this thesis is to develop and combine image processing methods dedicated to 4D flow MRI data analysis with computational fluid dynamics to extract quantitative biomarkers such as intra-aortic pressure fields and their spatio-temporal propagations, aortic wall shear stress and intra-aortic vorticity. We have demonstrated the ability of these biomarkers to detect age-related sub-clinical aortic impairment and to characterize pathological aortic dilatation. In addition, association of spatio-temporal aortic pressure distributions with vortex occurrence and duration as well as with wall shear stress were studied. In a second work, we developed a numerical simulation software to solve the Navier-Stokes system using finite element models. An iterative projection method was applied to 2D and 3D vessel stenosis models as well as to 3D geometrical aortic models resulting from segmentation to validate our implementation. Finally, a preliminary work applying our numerical model to patient-specific geometries was performed revealing encouraging associations between simulated data and MRI measures.