Simulation numérique de la circulation pulmonaire dans le cadre de l'étude de l'hypertension pulmonaire thromboembolique chronique.

Numerical simulation of pulmonary circulation in the context of the study of chronic thromboembolic pulmonary hypertension.

• Auteur / Autrice : Sara Benchara
• Direction : Sébastien Jan, Astrid Decoene, Dima Rodriguez, Olivier Meyrignac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et imagerie médicale
• Date : Soutenance le 25/11/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale multimodale Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Lebon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Salmon, Alban Redheuil, Marie-France Bellin, Franck Nicoud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Salmon, Alban Redheuil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation numérique

Hypertension pulmonaire

Mécanique des fluides

Modélisation CFD

Hypertension artérielle pulmonaire

Mots clés libres

Hypertension artérielle pulmonaire

Modélisation mathématique

Simulation numérique

Mécanique des fluides

Pulmonary arterial hypertension

Mathematical modeling

Numerical simulation

Fluid dynamics

Résumé

L'hypertension pulmonaire (HTP) est une maladie chronique et progressive définie par une pression artérielle pulmonaire moyenne (PAPm) > 20 mmHg au repos. D'origine variée, elle reste complexe à diagnostiquer et à traiter. Sa prévalence mondiale avoisine 1 % et s'accompagne d'une morbi-mortalité élevée. L'imagerie conventionnelle apporte des informations morphologiques et fonctionnelles, mais le cathétérisme cardiaque droit (CCD) demeure l'examen de référence. Bien que précis, il est invasif, coûteux, comporte des risques inhérents et des contre-indications multiples et exige une expertise spécialisée.La simulation numérique constitue une alternative prometteuse, permettant une analyse fine des flux sanguins et ouvrant des perspectives inédites pour le diagnostic, le suivi et la compréhension des maladies cardiovasculaires.Cette thèse propose une approche non-invasive reposant sur des outils libres de droit pour estimer plusieurs biomarqueurs hémodynamiques (PAPm, forces de cisaillement pariétales, indices de turbulence et stagnation). L'hypothèse est que ces indicateurs reflètent fidèlement l'état hémodynamique, différencient patients et témoins, et permettent d'évaluer la réponse thérapeutique dans le cadre de l'hypertension pulmonaire thromboembolique chronique (HTPTEC).Dans une démarche de conception d'une solution complète allant de l'imagerie scanographique à l'extraction des biomarqueurs, une chaîne de logiciels, intégralement basée sur des logiciels libres avec interface graphique, a été configurée. Les étapes de la modélisation et de simulation ont été optimisées afin d'assurer robustesse et fiabilité tout en réduisant les temps de calcul.Ce modèle a été appliqué à une cohorte de 45 patients HTPTEC confirmés (dont 15 avec un suivi post-traitement) et 10 témoins. Une forte corrélation a été observée entre la PAPm simulée et mesurée, validant l'approche. Les autres biomarqueurs ont également permis de distinguer efficacement patients et témoins, et des variations post-thérapeutiques de ceux-ci ont été mises en évidence dans le sous-groupe suivi.En conclusion, ce modèle de mécanique des fluides numérique, validé par rapport au CCD, fournit des biomarqueurs robustes, distingue patients et témoins et détecte la réponse thérapeutique. Cette approche est une première étape prometteuse dans le développement d'un outil représentant un complément aux examens existants pour le diagnostic, la stratification du risque et le suivi non invasif des patients atteints de cette maladie.

Pulmonary hypertension (PH) is a chronic, progressive disease defined by a mean pulmonary artery pressure (mPAP) > 20 mmHg at rest. With a variety of causes, it remains complex to diagnose and treat. Its global prevalence is around 1% and it is associated with high morbidity and mortality. Conventional imaging provides morphological and functional information, but right heart catheterization (RHC) remains the gold standard test. Although accurate, it is invasive, costly, carries inherent risks and multiple contraindications, and requires specialized expertise.Numerical simulation is a promising alternative, allowing detailed analysis of blood flow and opening up new perspectives for the diagnosis, monitoring, and understanding of cardiovascular diseases.This thesis proposes a non-invasive approach based on royalty-free tools to estimate several hemodynamic biomarkers (mPAP, parietal shear forces, turbulence and stagnation indices). The hypothesis is that these indicators accurately reflect hemodynamic status, differentiate between patients and controls, and allow for the evaluation of therapeutic response in the context of chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH).As part of an effort to design a comprehensive solution ranging from CT imaging to biomarker extraction, a software chain based entirely on open-source software with a graphical interface was configured. The modeling and simulation steps were optimized to ensure robustness and reliability while reducing computation time.This model was applied to a cohort of 45 confirmed HTPTEC patients (including 15 with a post-treatment follow-up) and 10 controls. A strong correlation was observed between simulated and measured PAPm, validating the approach. The other biomarkers also effectively distinguished between patients and controls, and post-treatment variations in these biomarkers were identified in the follow-up subgroup.In conclusion, this computational fluid dynamics model, validated against CCD, provides robust biomarkers, distinguishes between patients and controls, and detects therapeutic response. This approach is a promising first step in the development of a tool that complements existing tests for diagnosis, risk stratification, and non-invasive monitoring of patients with this disease.