Simulation numérique pré-implantatoire en Neuroradiologie Interventionnelle.Etude des processus de validation, et étude d'impact clinique et des potentiels d'optimisation des procédures endovasculaires.

par Daniel Mantilla Garcia (Mantilla)

Projet de thèse en Mathématiques et Modélisation

Sous la direction de Franck Nicoud et de Vincent Costalat.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IMAG - Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck (laboratoire) et de ACSIOM - Equipe d'Analyse, Calcul Scientifique Industriel et Optimisation de Montpellier (equipe de recherche) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Simulation numérique pré-implantatoire en Neuroradiologie Interventionnelle. Etude des processus de validation, et étude d'impact clinique et des potentiels d'optimisation des procédures endovasculaires. Encadrement : Pr Franck Nicoud, Pr Vincent Costalat Résumé du projet : Actuellement la complexification des implants anévrysmaux oblige à une prise en compte précise des éléments de sélection de taille des dispositifs. Dans ce contexte, des logiciels de simulation d'aide à la pose se développent pour assister les praticiens. Les processus de validation de ces résultats numériques sont cependant peu ou pas codifiés, ne permettant pas au praticien de juger scientifiquement le niveau de pertinence de ces nouveaux outils. Il existe donc actuellement un besoin d'évaluation de ces outils tant sur l'exactitude des prédictions que sur l'impact potentiel de l'efficacité des traitements endovasculaires. Dans cette thèse, nous tenterons dans une première partie de détailler et valider un processus de validation des simulations en confrontant des poses sur modèles 3D reproduits patient-spécifique avec les résultats des simulations numériques. Les critères de jugement sur ces premières étapes seront à la fois géométriques avec des tests de correspondance numérique, mais aussi semi-quantitative en utilisant des scores d'évaluation de qualité de pose. En effet les poses d'implant sur modèle d'impression 3D peuvent faire l'objet de mesures par imagerie médicale de type Vaso-CT permettant d'appréhender la forme finale 3D de l'implant après son positionnement dans le sac de l'anévrysme ou l'artère source, et d'en construire ainsi une représentation 3D autorisant des opérations de comparaison géométrique avec les résultats de la simulation initiale. Après cette première phase, nous chercherons à évaluer les relations entre les paramètres de l'implant posé définis en simulation sur la géométrie des patients traités et la survie des traitements endovasculaires chez ces memes patients. Le but est de déterminer des facteurs prédictifs préimplantatoires de succès à long terme des procédures endovasculaires. Il sera réalisé dans cette partie un versant d'étude en mécanique des structures et une approche en mécanique des fluides. Les paramètres d'étude en mécanique des structures seront : rapport aux forces d'apposition à la paroi, les surfaces relatives d'apposition, le ratio volume dispositif intra-saculaire/volume anévrysmal, le ratio volume protrusion de dispositif intrasaculaire/volume du collet de l´anévrysme, le volume entre le collet de l´anévrysme, contact circonférentiel du dispositif intrasaculaire contre la paroi anévrysmale. Dans les géométries a evaluer, la simulation numérique de déploiement du DMI permet d'une part d'extraire des paramètres structurel du DMI et d'autre part d'être utilisée pour la simulation numérique de l'hémodynamique avant et après la pose du DMI. La simulation numérique de l'hémodynamique permettra quant à elle d'étudier l'écoulement intra-anévrismal ainsi que les chances de génération d'un thrombus suite aux modifications hémodynamiques induites par le DMI. En effet, si la caractérisation par imagerie médicale fait désormais partie de l'arsenal à disposition dans la phase de diagnostic, seule la simulation numérique permet d'estimer les modifications de l'écoulement sanguin avant et après l'implémentation effective du DMI. Ces analyses seront menées en utilisant l'outil numérique YALES2BIO pour la simulation des écoulements sanguins et en s'appuyant sur les développements et expertises disponibles dans les entités IMAG et Sim&Cure. Afin de déterminer des potentiels facteurs prédictifs préimplantatoires, les relations entre les chances de succès à long terme des implantations de DMI, les paramètres extrait des simulations structurel, et ceux des simulations hémodynamique seront étudiées. Ces relations permettront alors l'évaluation rétrospective de relations entre ces paramètres physiques et les chances de succès à long terme des implantations de DMI. Dans cette deuxième étape clinique, une cohorte de patients traités par implant intra-sacculaire, et ayant bénéficier d'une imagerie 3D préimplantatoire bénéficieront d'une exploration par simulation rétrospective avec description des paramètres mécaniques et géométriques décrit precedément. Les patients seront classés en groupes dans leur suivi en fonction des résultats cliniques sur la stabilité des traitements (Stable/Instable). Le but sera de définir le jeu de paramètres numériques prothétiques et les paramètres de mécanique des fluides quiseront le plus prédictif d'un succès thérapeutique à long terme pour en faire un indicateur de sélection d'implant dans la future pratique neuroradiologique. Afin d'évaluer objectivement l'impact clinique de la simulation, nous comparerons deux groupes de patient ; un ayant bénéficier d´une simulation pre-implantatoire, l´autre d´une prise en charge classique et servant de groupe contrôle. Nous comparerons entre ces deux groupes, le temps d'intervention, le nombre d'implants utilisés par procédure et les taux de recanalisation à un an. L'objectif de cette deuxième étape est d'analyser la capacité d'optimisation des traitements endovasculaires par l'utilisation des outils de simulation dans la sélection du dispositif afin d'améliorer la prise en charge des patients.

  • Titre traduit

    Pre-implantation numerical simulation in Interventional Neuroradiology.Study of validation processes, and clinical impact study and potential for optimization of endovascular procedures.


  • Résumé

    Pre-implantation numerical simulation in Interventional Neuroradiology. Study of validation processes, and clinical impact study and potential for optimization of endovascular procedures. Supervision: Pr Franck Nicoud, Prof Vincent Costalat Project summary : Currently, the complexification of the aneurysmal implants requires a precise consideration of its elements and forces for selecting the size of the devices. In this context, simulation softwares are being developed to assist practitioners. The validation processes of these numerical results are, however, little or not codified, which do not allow the practitioner to judge scientifically the level of relevance of these new tools. There is therefore currently a need to evaluate these tools both on the accuracy of the predictions and on the potential impact of the effectiveness of endovascular treatments. In this thesis, we will attempt in a first part to detail and validate a validation process of simulations by comparing poses on patient-specific 3D models reproduced with the results of numerical simulations. The judgment criteria on these first steps will be both geometric with numerical matching tests, but also semi-quantitative using scores of evaluation of pose quality. Indeed, the implant poses on a 3D printed model can be the subject of Vaso-CT medical imaging measurements allowing to understand the final 3D shape of the implant after its positioning in the sac of the aneurysm or the source artery, and thus to construct a 3D representation thereof allowing geometric comparison operations with the results of the initial simulation. After this first phase, we will try to evaluate the relations between the parameters of the implanted implant defined in simulation on the geometry of the treated patients and the survival of the endovascular treatments in these same patients. The aim is to determine preimplant predictive factors for the long-term success of endovascular procedures. In this part, a study slope in structural mechanics and an approach in fluid mechanics will be realized. The parameters of study in structural mechanics will be: relative to the forces of apposition to the wall, the relative surfaces of apposition, the volume ratio of the intra-sacular device / aneurysmal volume, the ratio of intrasacular device volume / neck volume ff the aneurysm, the volume in the neck of the aneurysm, the circumferential contact of the intrasacular device against the aneurysm wall. In the geometries to be evaluated, the numerical simulation of the deployment of the medical device ( MD) allows on the one hand to extract structural parameters from the MD and on the other hand to be used for the numerical simulation of the hemodynamics before and after the installation of the MD . The numerical simulation of hemodynamics will allow to study the intra-aneurysmal flow as well as the chances of generation of a thrombus following the hemodynamic modifications induced by the DMI. Indeed, if the medical imaging characterization is now part of the arsenal available in the diagnostic phase, only the numerical simulation makes it possible to estimate the changes in the blood flow before and after the effective implementation of the MD. These analyzes will be carried out using the YALES2BIO digital tool for the simulation of blood flows and drawing on the developments and expertise available in the IMAG and Sim & Cure entities. In order to determine potential preimplantation predictive factors, the relationship between long-term success rates of MD implantations, parameters extracted from structural simulations, and those from hemodynamic simulations will be studied. These relationships will then allow the retrospective evaluation of the relationships between these physical parameters and the chances of long-term success of the settlements of MD. In this second clinical stage, a cohort of patients treated with intra-saccular implant and benefiting from preimplant 3D imaging will benefit from a retrospective simulation study with a description of the mechanical and geometric parameters described above. Patients will be categorized in their follow-up according to clinical stability outcomes (Stable / Unstable). The goal will be to define the set of prosthetic numerical parameters and the parameters of fluid mechanics will query the most predictive of long term therapeutic success to make it an indicator of implant selection in the future neuroradiological practice. To objectively assess the clinical impact of the simulation, we will compare two patient groups; one having a pre-implantation simulation, the other a conventional management and serving as a control group. We will compare between these two groups the time of intervention, the number of implants used per procedure and the recanalization rates at one year. The objective of this second step is to analyze the optimization capacity of endovascular treatments by using the simulation tools in the selection of the device in order to improve the management of the patients.