Modélisation in-silico des effets hémodynamiques des prothèses endovasculaires dans le traitement des anévrismes cérébraux : application à l’estimation des chances de succès

In-silico modelling of hemodynamics effects induced by endovascular devices in the treatment of intracranial aneurysms : application to outcome prediction

• Auteur / Autrice : Alain Berod
• Direction : Franck Nicoud, Simon Mendez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Modélisation
• Date : Soutenance le 19/05/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck (Montpellier ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Irène Vignon-Clémentel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Nicoud, Simon Mendez, Irène Vignon-Clémentel, Umberto Morbiducci, Alejandro F. Frangi, Vincent Costalat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Umberto Morbiducci, Alejandro F. Frangi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prothèses vasculaires

Anévrisme

Mots clés libres

Hémodynamique

Mécanique des Fluides Numérique

Anévrisme intracrânien

Traitement endovasculaire

Diverteur de flux

Modélisation hétérogène

Hemodynamics

Computational Fluid Dynamics

Intracranial aneurysm

Endovascular treatment

Flow- diverter

Heterogeneous modelling

Résumé

L’hémodynamique présente dans les anévrismes intracrâniens traités par voie endovasculaire s’est avérée être l’undes mécanismes essentiels à la réussite du traitement en raison de sa relation étroite avec les processus impliquésdans la thrombose et conduisant à la formation d’un caillot stable à l’intérieur de l’anévrisme. Donnant accès àl’hémodynamique, la mécanique des fluides numériques (MFN) utilisée sur des géométries réelles de patients a étélargement utilisée au cours de la dernière décennie afin d’améliorer les dispositifs existants et de prédire les chancesde succès en amont de l’acte chirurgical. Néanmoins, les simulations CFD “classiques”, dites conformes, entraînent descoûts de calcul et de maillage élevés en raison de l’hétérogénéité des échelles de longueur entre le tressage dense des filsfins composant le dispositif et le volume artériel. Les stratégies homogènes récemment développées pour contournerce problème substituent les dissipations locales dues aux fils par un effet global sous la forme d’une perte de charge àtravers la surface du dispositif. Cependant, ces méthodes ne peuvent pas reproduire avec précision l’écoulement localau niveau des fils, en dépit du fait que ce dernier dicte fortement l’hémodynamique intra-sacculaire en aval.Cette thèse vise à développer un modèle de calcul reproduisant correctement les hétérogénéités d’écoulement localesinduites par les fils tout en maintenant la consommation de mémoire, le maillage et les temps de calcul aussi bas quepossible. Une approche basée sur la méthode des frontières immergées (IBM) est introduite et validée sur des géométriesà la fois idéalisées et réelles de patients traités avec des dispositifs endovasculaires. Il est démontré que le modèle actuelse compare qualitativement et quantitativement bien aux résultats conformes pour les diverteurs de flux (FDs) mais,plus important encore, il donne des résultats qui sont soit comparables soit meilleurs que les méthodes homogènes,avec des gains respectivement d’un et trois ordres de grandeur en mémoire vive et temps de calcul par rapport à laméthode conforme. De plus, l’approche proposée a prouvé sa polyvalence à modéliser fidèlement d’autres dispositifsendovasculaires tressés tels que les WEBs intra-sacculaires.Enfin, une base de données de calculs numériques utilisant le modèle actuel a été construite à partir de 27 géométriesréelles de patients traités avec des WEBs et pour lesquels le résultat du traitement est connu. Des outils numériquessemi-automatiques utilisés pour construire cette base de données et destinés aux non-spécialistes de la MFN sontprésentés. Les résultats préliminaires d’une étude consacrée à la prédiction du résultat du traitement en utilisant à lafois des indices géométriques et hémodynamiques dérivés de cette base de données sont donnés et discutés. Plusieurslimites importantes sont soulignées et doivent être prises en compte dans des travaux futurs.

Hemodynamics of endovascularly treated intracranial aneurysms has been proven to be one of the essential mechanisms driving treatment success due to its intimate relationship with processes involved in thrombosis and leadingto a stable clot inside the aneurysm. Giving access to hemodynamics, patient-specific computational fluid dynamics(CFD) simulations have been actively performed during the last decade in an attempt to both enhance existing devicesand predict the chances of success beforehand to the surgical act. Nevertheless, “classical” CFD simulations, referredto as conformal, yield high computational and meshing costs due to the heterogeneity of length scales between thedense weave of the fine struts of the device and the arterial volume. Homogeneous strategies recently developed tocircumvent this issue substitute local dissipations due to the wires with a global effect in the form of a pressure-dropacross the device surface. However, these methods cannot accurately reproduce the flow-patterns encountered near thestruts, despite the fact that the latter strongly dictates the downstream intra-saccular flow environment.This thesis aims at developing a computational model correctly reproducing local wires-induced flow heterogeneitieswhile keeping memory consumption, meshing and computational times as low as possible. A framework based on theImmersed Boundary Method (IBM) is introduced and validated on both idealized and patient-specific geometriestreated with endovascular devices. It is shown that the present model compares qualitatively and quantitatively wellwith conformal results for flow-diverters (FDs) but more importantly, it yields results that are either comparable orbetter than homogeneous methods with gains of one and three orders of magnitude for memory and computationaltime compared to conformal, respectively. Moreover, the proposed approach has proven its versatility to correctlyaccount for other braided endovascular devices such as intra-saccular WEBs.Finally, a database of numerical computations using the present model has been built using 27 patient-specificgeometries treated with WEBs and for which the treatment outcome is known. Semi-automated numerical tools usedto build this database and intended to non-CFD specialists are presented. Preliminary results from a study dedicatedto treatment outcome prediction with both geometrical and hemodynamics indices derived from this database aregiven and discussed. Several important limitations are drawn and should be considered in future works.