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Sujet de thèse : Modélisation expérimentale des écoulements sanguins en carotide sténosée

[ 02-05-2017 | proposition sujet thèse ]Sujet de thèse : Modélisation expérimentale des écoulements sanguins en carotide sténosée Ce sujet donne lieu au financement, par l'Université de Lille1, d’une allocation de recherche d’une durée de trois ans, attribuée sur concours.
Contacter le ou les Directeur(s) de thèse et préparer un dossier avant la date limite du 2 mai 2017.
Pour plus d’informations sur les conditions d'inscription en thèse, veuillez consulter le site de l’Ecole Doctorale régionale Sciences pour l'Ingénieur Lille Nord-de-France.
Directeurs de thèse
Emmanuel Leriche
Farzam Zoueshtiagh, Professeur, Institut d’Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN, UMR CNRS 8520)
Co-Encadrants
Sylvie Fuzier
Mathias Brieu

Descriptif
La sténose des artères donne lieu à un rétrécissement local des artères du à un dépôt pariétal local de lipides, glucides et de produits d’origine sanguine (plaque d'athérome). Les contraintes fortes dues à la modification de l’écoulement sanguin dans cette section rétrécie peuvent entraîner un détachement de cette plaque risquant alors d’obstruer des vaisseaux sanguins de plus petits diamètres causant alors des risques sérieux d’AVC et d’infarctus. La sténose des artères par plaque d'athérome est un problème de santé publique majeur qui touche une proportion significative de la population dans les pays industrialisés (3ème cause de mortalité, 1ère cause de handicap durable). Pour l'instant, après avoir localisé une plaque d'athérome, seule la sévérité de la sténose est retenue comme critère déterminant par les chirurgiens pour décider d'opérer le patient (au delà de 70% de l'obstruction de l'artère). Or ce seul critère n'est pas suffisant, car la pratique montre qu'il peut y avoir rupture pour un nombre significatif de plaques ne respectant pas forcément ce critère. Il est donc nécessaire de mieux comprendre ces écoulements sanguins dans ces géométries complexes et les facteurs entraînant la rupture de la plaque pour mieux diagnostiquer les plaques vulnérables. Le but à long terme de ces recherches est de pouvoir permettre à des cliniciens de mieux évaluer les risques d’arrachement de la plaque d’athérome d’un patient à partir de données de patient prises in vivo en sortie du scanner (géométrie, vitesse, pression, déformation…)
L'objectif de cette thèse est de pouvoir tester différentes configurations d'un dispositif expérimental offrant une modélisation de plus en plus réaliste d'une carotide sténosée. Pour ce faire, la première étape consiste à construire un fantôme (maquette d’une artère). Pour que ce fantôme soit pertinent, il est nécessaire, dans un premier temps, d’être en mesure de fabriquer des objets dont la géométrie, contrôlée, soit similaire à la géométrie des artères. Pour cela, nous fabriquerons d’une part des artères de géométries simples de carotide sténosée et d’autre part des artères dont la géométrie sera directement issue de la reconstruction à partir d’imageries médicales (IRM, Scanner, échographie,….). Les tissus artériels sont, compte-tenu des informations disponibles dans la littérature, des matériaux très souples et déformables. Il conviendra donc de sélectionner, a priori, un silicone ou un polymère dont les propriétés mécaniques sont similaires. L’expérience acquise au sein de l'équipe menée par le Pr.M.Brieu (LML, École Centrale de Lille) via le projet MAMAN de développement de mannequin pédagogique d’accouchement dans la fabrication de mannequin physique, aux propriétés mécaniques conformes aux tissus biologiques, pour l’apprentissage du geste médicale, sera utilisée. Pour le fluide, un fluide visqueux newtonien simple (eau) sera utilisé dans un premier temps car c’est une hypothèse communément admise dans la communauté biomécanique dans le cas des artères et dans un deuxième temps, un fluide complexe (type « faux sang » dont la rhéologie est proche de celle du sang) sera utilisé pour observer les différences dans les champs de vitesse et la distribution des contraintes sur la sténose. La seconde étape consiste à mettre en œuvre et à développer une technique expérimentale récemment développée à l'IEMN afin de mesurer la cartographie du champ de vitesse 3D, ainsi que l’imagerie dynamique de l’artère artificielle (en particulier pour mesurer les déplacements de parois, de façon non invasive, même au travers de milieux éventuellement non transparents) par une méthode originale de caractérisation quantitative des écoulements basée sur la conjugaison de phase ultra-sonore spécificité du Laboratoire International LIA LICS / IEMN, pionnier du domaine, partenaire de ce projet. Cette technique a déjà été utilisée in vitro pour la caractérisation des écoulements dynamiques en régime pulsé (fréquence comparable à un rythme cardiaque humain) pour l’artère d’un muscle de porc. Elle est donc prête pour l’utilisation dans le cadre du présent projet de thèse pour la caractérisation d’écoulements pulsés établis, en synchronisant les acquisitions avec la pompe impulsionnelle. Par rotation du dispositif autour de l’artère une reconstruction 3D sera réalisée pour les cas non axisymétriques. Simultanément, la technique de conjugaison de phase ultra-sonore sera utilisée pour l’imagerie de l’artère artificielle. Deux types d’informations pourront être extraits à l’aide de cette technique : (1) l’image dynamique de l’artère, et en particulier du mouvement de paroi, (2) par la variante d’imagerie non-linéaire développée récemment, une image des variations de rigidité mécanique de l’artère. La validation/calibration des informations fournies par la technique de conjugaison de phase ultra sonore sera obtenue par comparaison avec des mesures optiques de type PIV, en s’appuyant sur la plateforme MEOL du LML dans le cas d'une artère artificielle en matériau transparent et insérée dans une cuve spécialement dédiée à parois parallèles et transparentes contenant des liquides avec indices adaptés. L’adaptation d’indice permettra des mesures optiques des champs de vitesses de type PIV en régime permanent et pulsé. La mesure des variations de pressions locales sera effectuée grâce à des sondes MEMS (type FOP-M pressure Sensor). Ces données permettront alors de quantifier d’une façon précise la déformation pariétale que peut engendrer une variation de pression. L’information obtenue des champs de vitesses et de pression sera alors utilisée afin de déterminer l'ensemble des contraintes s'exerçant sur une plaque d'athérome mais aussi pour comparer --voire affiner-- les modèles numériques existants (équations de Navier-Stokes couplées avec le problème de déformation des parois) qui font l'objet de 2 thèses (l'une en cours, l'autre soutenue en 2012) (co-)dirigées par le Pr.E.Leriche (LML, U.Lille1). De telles données expérimentales sont rares dans la littérature spécialisée actuelle. Plusieurs articles récents de la littérature (dont Geoghegan et al. Exp. In Fluids 52 (2012 et 2013)) résument la problématique de ces 2 étapes en donnant leurs limites et perspectives (voir les références citées ci-dessous).

Sur les simulations numériques et l'analyse des données en carotide sténosée axisymétrique
T. Belzacq, S. Avril, E. Leriche, A. Delache. « Modelling of fluid structure interactions in stenosed arteries : effect of plaque deformability », Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 13(S1), 25-26, 2010
Belzacq, T., Avril S., Leriche E. et Delache A. « A numerical parametric study of the mechanical action of pulsatile blood flow onto axisymmetric stenosed arteries», Medical Engineering and Physics, Vol. 34(10), 1483-1495, 2012
Belzacq, T., Avril S., Leriche E. et Delache A. « Mechanical action of the blood onto atheromatous plaques: influence of the stenosis shape and morphology », Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2013, DOI 10.1080/10255842.2012.697898

Sur la technique de mesure acoustique
V. Preobrazhensky, P. Pernod, Yu. Pyl’nov, L.M. Krutyansky, N. Smagin, S. Preobrazhensky « Nonlinear Acoustic Imaging of Isoechogenic Objects and Flows Using Ultrasound Wave Phase Conjugation », Acta Acustica united with Acustica, 95(1), 36-42 (2009)
Yu. Pyl’nov, S. Koshelyuk, P. Pernod, Yu. Kutlubaeva, « Ultrasonic tomographic reconstruction of liquid flows using phase-conjugate waves », Physics of Wave Phenomena, 20(3), 231–234 (2012) P. Pernod, V. Preobrazhensky, Yu. Pyl'nov, N. Smagin, Patent FR2010/000713 (2009)
P. Shirkovskiy, V. Preobrazhensky, P. Pernod S. Kosheluk, Proc. of the ICU 2013, 452-457.
Smagin N.V., Pyl'nov Y.V., Preobrazhensky V.L., Pernod P. « Diagnostics and doppler tomography of liquid flows with ultrasonic phase conjugation » Acoust. Phys., 55, 4-5 (2009) 657-664 doi:10.1134/S1063771009040228

Références bibliographiques principales disponibles sur la question
P. H. Geoghegan, N. A. Buchmann, C. J. T. Spence, S. Moore, M. Jermy, « Fabrication of rigid and flexible refractive-index-matched flow phantoms for flow visualisation and optical flow measurements », Exp Fluids (2012) 52:1331–1347, DOI 10.1007/s00348-011-1258-0
P. H. Geoghegan, N. A. Buchmann, J. Soria, M. C. Jermy, « Time-resolved PIV measurements of the flow field in a stenosed, compliant arterial model », Exp Fluids (2013) 54:1528, DOI 10.1007/s00348-013-1528-0
Cao P, Duhamel Y, Olympe G, Ramond B, Langevin F. « New production method of elastic silicone carotid phantom based on MRI acquisition using rapid prototyping technique » Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2013;2013:5331-4. doi: 10.1109/EMBC.2013.6610753.
Peng Cao, Quan Yuan, Guillaume Olympe, Bruno Ramond, and François Langevin « Feasibility of the Fabrication of the Silicone Carotid Model by ‘Multi-Piece-Mold-injection’ Method », Journal of Medical and Bioengineering Vol.4, No.4, 2015

Mots-clés : Biomécanique (fluides et solides), écoulements sanguins en carotide sténosée, méthodes expérimentales, modélisation, Techniques de mesure expérimentale

Contact
Emmanuel Leriche, emmanuel.leriche@univ-lille1.fr