Article par M. Baudouard, lauréat d'une bourse de participation au congrès de la Société de Biomécanique 2022.
Un des objectifs des modélisations numériques de l’écoulement sanguin au sein de géométries représentatives de pathologies aortiques est de prédire leur évolution de manière précoce. Pour être pertinentes, ces modélisations doivent être biomimétiques. Les quelques travaux les plus avancés prennent en compte l’instationnarité de l’écoulement, le caractère rhéofluidifiant du sang, les géométries patient-spécifiques ainsi que des conditions limites à l’entrée et aux sorties dérivées de l’imagerie médicale. Les temps de calcul des quelques modélisations numériques incluant les interactions fluide-structure (IFS) sont actuellement rédhibitoires pour une application clinique. De plus, ces travaux considèrent généralement des propriétés mécaniques de la paroi non patient-spécifiques. Pour surmonter ces limitations, l’approche « déplacement imposé » a été proposée dans la littérature1 : le mouvement in vivo de l’aorte est déterminé par imagerie médicale avant d’être prescrit comme condition limite aux simulations numériques. Etant donné l’amplitude du mouvement de l’aorte et sa dynamique2, les résolutions spatio-temporelles des travaux antérieurs3,4 semblent cependant inadaptées. C’est pourquoi cette étude propose une reconstruction des géométries 3D + t de l’aorte utilisant des séquences IRM aux résolutions spatio-temporelles appropriées.
La reconstruction comporte 3 étapes : i) À partir d’une IRM de flux 4D, la ligne centrale au pic de flux (instant avec le meilleur contraste) est extraite (Figure 1A) ; ii) Sur 5 plans le long de l’aorte thoracique obtenus par IRM cine 2D (résolution spatiale = 1 mm / résolution temporelle = 20 ms), les contours de la paroi sont segmentés en utilisant des contours actifs (Figure 1B) ; iii) Pour chaque phase acquise, la ligne centrale et la géométrie 3D spécifique sont reconstruites à l’aide de scripts MatLab (Figure 1C). Des acquisitions sur 4 volontaires ont été réalisées pour développer le protocole d’imagerie. Les résultats issus de la dernière acquisition sont présentés pour illustration.
Figure 1 : reconstruction des géométries 3D + t de l'aorte thoracique (C) à partir d’une acquisition IRM de flux 4D (A) et de plans d’IRM cine 2D (B).
Le mouvement de l’aorte se décompose en une augmentation du diamètre (distension) et un déplacement du centroïde de section (mouvement de la ligne centrale). Au niveau quantitatif, la distension maximale est de 2 à 3 mm, alors que le mouvement maximal de la ligne centrale est compris entre 2 et 7 mm. Ces amplitudes de mouvement justifient l’utilisation de séquences IRM de résolution spatiale 1 mm, d’autant plus que pour une application sur patients, les déplacements seront réduits du fait de la rigidification de l’aorte5. Il est important de noter que le mouvement de la ligne centrale étant supérieur ou égal à la distension, il ne doit donc pas être négligé dans les simulations numériques. Ne pas tenir compte de ce mouvement à l’entrée et aux sorties est toutefois une hypothèse courante dans les modèles IFS, ce qui conduit à une estimation incorrecte des vitesses de l’écoulement1.
En conclusion, nous avons développé un protocole IRM et une méthode de reconstruction permettant de déterminer le mouvement de l’aorte thoracique avec des résolutions spatio-temporelles adaptées. Son application sur patients permettra par la suite de réaliser des simulations biomimétiques de l’écoulement sanguin. Ces modélisations pourront apporter des éclairages sur les interactions entre l’écoulement et la paroi aortique, lesquelles sont impliquées dans le remodelage de l’aorte et ainsi dans l’évolution des pathologies.
Références
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- Capellini, K., Gasparotti, E., Cella, U., Costa, E., Fanni, B. M., Groth, C., Porziani, S., Biancolini, M. E., & Celi, S. (2020). A novel formulation for the study of the ascending aortic fluid dynamics with in vivo data. Medical Engineering & Physics. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2020.09.005
- Jadidi, M., Habibnezhad, M., Anttila, E., Maleckis, K., Desyatova, A., MacTaggart, J., & Kamenskiy, A. (2020). Mechanical and structural changes in human thoracic aortas with age. Acta Biomaterialia, 103, 172‑188. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.12.024
L'auteur
Marc Baudouard, doctorant à l’Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Équilibre (IRPHÉ), UMR 7342, CNRS, Aix-Marseille Université, Marseille, France.
Marc Baudouard a obtenu en 2020 un diplôme d’ingénieur en Génie Biologique – Biomécanique et Biomatériaux de l’Université de Technologie de Compiègne ainsi qu’un master de mécanique générale à la Technische Universität Braunschweig. Il est depuis en thèse sous la direction de Valérie Deplano (DR1 CNRS, IRPHÉ) et d’Alexis Jacquier (PU-PH, Hôpital de la Timone, AP-HM). En modélisant de manière patient-spécifique l’écoulement sanguin au sein d’anévrismes de l’aorte thoracique, il cherche à comprendre les interactions entre l’écoulement et l’évolution de cette pathologie, afin d’améliorer la prise en charge des patients à l’hôpital.
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