Développement d’une plateforme numérique pour modéliser la valve mitrale

Development of a numerical platform to model the mitral valve

• Auteur / Autrice : Thibaut Alleau
• Direction : Anne-Virginie Salsac, Laurent Lanquetin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingéniérie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Modélisation tridimensionnelle

Éléments finis, Méthode des

Modèles géométriques

Anisotropie

Hyperélasticité

Interaction fluide-structure

Milieux continus, Mécanique des

Prothèses internes

Prothèses valvulaires cardiaques

Valvulopathies

Insuffisance mitrale

Modèles mathématiques

Valve atrio-ventriculaire gauche

Mots clés libres

Grandes déformations

Matériaux anisotropes hyperélastiques

Couplage monolithique

Implants percutanés

Logiciel ADINA

Mitral valve

Large deformation large strain

Hyperelastic anisotropic material

Fluid-structure interaction

Monolithic coupling

Geometrical models

Percutaneous implants

Mitral valve insufficiency

Heart valve diseases

Heart valve prosthesis

Finite element method

Modeling

Computer simulation

ADINA

Résumé

L’insuffisance mitrale est la valvulopathie mondiale la plus fréquente avec une prévalence de 2%. Lorsque le patient n’est pas en mesure d’être opéré à cœur ouvert, un implant percutané est utilisé pour aider la fermeture des feuillets. Le seul implant actuellement disponible est basé sur la réparation bord à bord de la valve mitrale. Il réduit le reflux vers l’oreillette lors de la systole, mais n’est pas adapté pour les patients souffrant d’insuffisance mitrale fonctionnelle, chez qui la pathologie provient du ventricule et non des éléments de la valve. L’objectif de la thèse est de fournir une plateforme numérique permettant d’aider au développement d’un implant adapté pour ces patients. Plusieurs géométries de valve ont été réalisées au moyen d’un modèle paramétrique, en utilisant des données anatomiques. La dynamique de la valve a été modélisée avec le logiciel ADINA par des simulations éléments finis en grandes déformations. Des modèles structurels de la valve ont permis de représenter la fermeture de la valve sous une pression uniforme. Les lois de comportement de matériaux ont été développé dans le but d’obtenir une fermeture réaliste de la valve. Cela a nécessité la prise en compte de l’hyperélasticité et de l’anisotropie des tissus. Des pathologies valvulaires, telles que la dilatation de l’anneau mitrale ou la rupture des cordages tendineux ont été modélisées, et plusieurs méthodes ont été testées pour y apposer des systèmes médicaux. En utilisant une description ALE et un couplage monolithique, les interactions fluide-structure ont été simulées pour une valve mitrale bi-dimensionnelle. La fermeture hermétique de la valve pendant la systole a pu être reproduite et l’ouverture de la valve étudiée pendant la diastole. La plateforme numérique développée permet de modéliser la fonction de la valve mitrale et peut être utilisée pour aider au développement d’un implant mitral grâce au modèle paramétrique reproduisant différentes géométries de valve et aux lois matériaux anisotropes. Une perspective reste la création d’un modèle 3D des interactions fluide-structure de la valve mitrale.

Mitral insufficiency is the first valvular disease worldwide, with a 2% prevalence. When open-heartsurgery is impossible for the patient, surgeons use percutaneous devices to help the mitral leaflets coapt. However, the only device currently available is based on the edge-to-edge mitral valve repair technique. This type of implant is not adapted for patients suffering from functional mitral insufficiency, where the ventricle is responsible for the lack of coaptation of the leaflets. This thesis aims to provide a numerical platform to help the development of a mitral valve implant adapted for those patients. Several mitral valve geometries were created from a parametric model using anatomical measurements. Finite element simulations of the mitral valve were performed using ADINA to determine the valve closure under constant pressure. Several material models were developed in large strain and large deformation to model the valve closure accurately. Pathological behaviour such as annulus dilatation and chordae rupture were modelled, and several methods were tested to implement medical devices. Fluid-structure interaction of a 2D mitral valve was obtained using an ALE description and a monolithic coupling approach. Both the systole and the diastole were reproduced and studied, and the hermetic seal of the valve was detailed. The numerical platform developed is suited to model mitral valve function and can be used to help the development of mitral implants. In addition, the parametric geometry model and the anisotropic material model will be useful to depict with realism the valve function. A 3D fluid-structure interaction of the mitral valve could be developed.