Endofibrose artérielle iliaque : étude paramétrique et analyse des contraintes pariétales dans une conduite coudée, et faisabilité d’un traitement par ultrasons focalisés

Iliac arterial endofibrosis : parametric study and wall shear stress analysis in a curved pipe, and feasibility of focused ultrasound treatment

• Auteur / Autrice : Yuling Chen
• Direction : Jean-Christophe Béra, Thomas Castelain, Bruno Gilles, Xavier Escriva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 14/03/2025
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des applications Thérapeutiques des Ultrasons
• Jury : Président / Présidente : François-Xavier Demoulin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Béra, Thomas Castelain, Carine Guivier, Lionel Thomas, Ivana Vinkovic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carine Guivier, Lionel Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endofibrose artérielle

Vélocimétrie laser Doppler

Ultrasons en médecine

Artères iliaques

Mots clés libres

Endofibrose artérielle iliaque

Contrainte pariétale

Écoulement de Dean

Vélocimétrie Laser Doppler

HIFU

Iliac artery endofibrosis

Wall Shear Stress

Dean flow

Laser Doppler Velocimetry

HIFU

Résumé

L’endofibrose artérielle (EA) est une maladie vasculaire non-athéromateuse spécifique du sportif. 90% des patients sont des cyclistes jeunes sans facteur de risque de maladie cardiovasculaire traditionnelle. L'EA est une lésion sténosante paucicellulaire, caractérisée par un épaississement de la paroi artérielle et une réduction subséquente de sa lumière, générant un apport sanguin défectueux aux membres inférieurs des athlètes. Le seul traitement actuel si le patient souhaite continuer son activité est chirurgical, et consiste à réaliser une endofibrosectomie. Bien que diverses hypothèses étiologiques aient été avancées, aucune étude spécifique n'a encore testé ces hypothèses sur des expérimentations in vitro/ in vivo ou in silico. Ce travail est consacré à l’hypothèse selon laquelle une contrainte de cisaillement pariétale (Wall Shear Stress, WSS) excessive due à la surcourbure de l’artère pourrait être à l’origine du développement de l’EA. Pour étudier cette hypothèse, un modèle très simplifié d’écoulement d’artère iliaque sans présence de sténose est adopté : écoulement Newtonien dans une conduite cylindrique rigide de rayon R avec une courbure unique, qui est caractérisée par un ratio de courbure (δ=R/Rc) et un angle d’ouverture (θo). Pour une première approche, nous nous concentrons sur l’étude d’un écoulement permanent. Pour examiner l’effet de la courbure sur la distribution de WSS, une étude paramétrique numérique sur l'outil CFD OpenFOAM est menée, basée sur les grandeurs δ = [1/10, 1/2], θo = [25°, 180°] et Re = [275, 2720]. Les résultats numériques sont validés expérimentalement dans les configurations suivantes : δ=1/6, θo=55° et 90°, Re= 550 et 2200, sur des profils de vitesses mesurés par la vélocimétrie Laser Doppler. L’étude paramétrique révèle que la composante axiale (WSS1) est dominante, et il existe deux zones de WSS1 extrême si l’écoulement dans le coude est complètement développé. La valeur maximale de WSS1 est atteinte toujours à la sortie du coude, indépendamment de δ, θo et Re. En revanche, la position du second maximum est fonction du nombre de Dean (Re√δ). Dans le cas d’un écoulement non développé, correspondant généralement aux cas de l’artère iliaque, une seule zone de WSS1 extrême existe, toujours à la sortie du coude, et sa valeur est plus importante que pour un écoulement développé. On met ainsi en évidence le lien entre la courbure et la valeur extrême de WSS. En parallèle, en vue d’investiguer la possibilité d’un traitement par ultrasons, un objectif secondaire du travail porte sur la faisabilité de la destruction d’un fragment de plaque d’EA par cavitation ultrasonore focalisée. Une étude expérimentale sur des échantillons de tissus prélevés en per-opératoire sur des patients fournit des résultats qualitatifs encourageants.

Arterial endofibrosis (EA) is a non-atheromatous vascular disease specific to athletes. 90% of patients are young cyclists with no traditional cardiovascular risk factors. EA is a paucicellular stenotic lesion characterized by a thickening of the arterial wall and a subsequent reduction in its lumen, leading to defective blood flow to the lower limbs of athletes. The only current treatment, if the patient wishes to continue their activity, is surgical and consists of performing an endofibrosectomy. Although various etiological hypotheses have been proposed, no specific study has yet tested these hypotheses through in vitro, in vivo , or in silico experiments. This work is dedicated to the hypothesis that excessive wall shear stress (Wall Shear Stress, WSS), caused by the overcurvature of the artery, could be responsible for the development of EA. To investigate this hypothesis, a highly simplified model of flow in an iliac artery without stenosis was adopted: Newtonian flow in a rigid cylindrical conduit with radius R and a single curvature, characterized by a curvature ratio (δ=R/Rc) and an opening angle (θo). For a first approach, we focused on the study of steady-state flow. To examine the effect of curvature on the WSS distribution, a parametric numerical study using the CFD software OpenFOAM was conducted, based on the parameters δ = [1/10, 1/2], θo = [25°, 180°] and Re = [275, 2720]. The numerical results were experimentally validated under the following configurations: δ=1/6, θo=55° et 90°, Re= 550 et 2200, using velocity profiles measured by Laser Doppler Velocimetry. The parametric study reveals that the axial component (WSS1) is dominant, and two zones of extreme WSS1 exist if the flow in the bend is fully developed. The maximum value of WSS1 is always reached at the outlet of the bend, regardless of δ, θo et Re. However, the position of the second maximum depends on the Dean number (Re√δ). In the case of undeveloped flow, which generally corresponds to the conditions in the iliac artery, only one zone of extreme WSS1 exists, always at the outlet of the bend, and its value is higher than in developed flow. This highlights the link between curvature and the extreme value of WSS. In parallel, to explore the possibility of treatment via ultrasound, a secondary objective of this work focuses on the feasibility of destroying an EA plaque fragment using focused ultrasonic cavitation. An experimental study on tissue samples collected perioperatively from patients provides encouraging qualitative results.