Etude numérique et expérimentale du flux sanguin dans des anévrismes cérébraux après déploiement de coils

Experimental and numerical study of blood flow in cerebral aneurysms treated with endovascular coils

• Auteur / Autrice : Julia Romero Bhathal
• Direction : Christian Geindreau, Alberto Aliseda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 23/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Lorthois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fanette Chassagne, Nicolas Mordant
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Franck Nicoud, David Steinman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anévrisme

Mots clés libres

Tomographie par RX

Coils

Ecoulement en milieux poreux

Planification chirurgicale

Homogénéisation

X ray microtomography

Coil treatment

Computational surgery Planning

Homogenization

Blood flow through porous media

Résumé

Une des complications fréquentes des anévrismes cérébraux après traitement par déploiement de coils est la recanalisation. Etudier l'hémodynamique dans les anévrismes traités avec des coils et définir les paramètres liés à la recanalisation peut permettre de prévenir la rupture de l'anévrisme. C’est dans ce but que des modèles numériques ont été développés, comme le « coils resolved model » à l'Université de Washington. Ce modèle utilise la géométrie complète des coils pour reproduire un modèle d’anévrisme traité bio-fidèle. Néanmoins, en raison de l'opacité des coils, le processus pour recréer la géométrie des coils est très complexe, et le temps de calcul est très long. Modéliser le flux sanguin dans les anévrismes avec coils avec un modèle poreux permettrait de résoudre ce problème. Dans les études précédentes, les modèles poreux développés ne prennent pas en compte la distribution hétérogène de la porosité des coils et les résultats montrent que ces modèles ne peuvent pas être considérés comme bio-fidèles. En effet, dans ces études, la perméabilité et le facteur d'inertie sont estimés uniquement à partie de la porosité moyenne. Par conséquent, l'objectif de ce travail est de développer un modèle poreux bio-fidèle et qui peut être utilisé pour évaluer l’efficacité du traitement avant sa mise en oeuvre. Afin d’atteindre cet objectif, nous avons tout d’abord créé un dispositif expérimental innovant pour étudier le temps de séjour dans les anévrismes avec coils en utilisant la PLIF (planar laser-induced fluorescence). Les résultats de cette étude expérimentale ont été utilisés pour valider le modèle « coils resolved ». Pour cela, nous avons comparé le temps de séjour mesuré expérimentalement et le temps de séjour obtenu avec des simulations avec un scalaire passif (modèle coils resolved). Cette comparaison a montré que le modèle « coils resolved » peut être considéré comme bio-fidèle. Il a été, par la suite, utilisé pour valider les modèles poreux. Afin d’améliorer les modèles poreux, nous avons dans un second temps caractérisé la distribution de porosité des coils en utilisant des images de huit anévrismes fantômes traités avec des coils. Ces modèles physiques ont été scannés à haute résolution. Les résultats de cette analyse montrent que la distribution de porosité est très hétérogène mais présente la même tendance pour tous les patients : la porosité est très élevée près de la paroi de l’anévrisme et est homogène au centre. Ces gradients de porosité ne sont donc pas négligeables et doivent être inclus dans la définition du modèle poreux. Les images 3D ont également été utilisées pour calculer la perméabilité et le facteur d'inertie des coils. Sur la base de ces résultats, nous avons proposé deux modèles poreux. Ces modèles sont homogènes isotropes et prennent en compte la distribution hétérogène de la porosité dans la définition de la perméabilité et du facteur d'inertie : le « porous crowns model » et le « bilinear model ». Les deux modèles reposent sur l'hypothèse selon laquelle le flux sanguin s’effectue principalement parallèlement à la paroi de l'anévrisme (selon des couronnes). Cependant, le « porous crowns model » nécessite de connaitre la géométrie des coils pour évaluer la perméabilité et le facteur d'inertie. Le « bilinear model » ne nécessite que la géométrie de l'anévrisme, la porosité cible par le chirurgien, et l'approximation bilinéaire du profil de porosité. Ces deux modèles ont été validés numériquement avec des conditions aux limites spécifiques à chaque patient. Les résultats montrent que les deux modèles sont précis, et en particulier que le « bilinear model » pourrait être utilisé dans l'avenir pour évaluer l’efficacité du traitement dans des conditions patient-spécifiques avant sa mise œuvre.

Recanalization is a common complication after treating cerebral aneurysms with endovascular coiling. Studying hemodynamics and relating them with recanalization in the coiled aneurysm can help in preventing aneurysm rupture. For this purpose, numerical models were developed, for example, the coils resolved models at the University of Washington. Nevertheless, due to the opacity of the coils, the process to recreate the geometry of the coils is very complex, and the computational time is very long. Modeling blood flow in aneurysms with coils using a porous model would solve this problem. In previous studies, the porous models developed do not include the heterogeneous distribution of the porosity of the coils and aren't accurate. Indeed, the permeability and the inertial factor were only based on the mean porosity. Therefore, the objective of this work was to develop a porous model that would be biofidelic and that could be used for the prediction of the treatment outcome. First, we created an innovative experimental setup to study residence time in coiled aneurysms using the Planar Laser-Induced Fluorescence technique. The results of this experimental study were used to validate the coils resolved model. We compared the residence time measured experimentally and the residence time obtained with passive scalar simulations (coils resolved model). This comparison showed that the coils resolved model can be considered biofidelic. It was, later on, used to validate the porous models. Second, to improve porous models, we first characterized the porosity distribution of the coils using images of eight phantom aneurysms treated with coils. These physical models were scanned at high resolution at the ESRF. The porosity distribution was highly heterogeneous but presented a pattern: the porosity is very high near the wall and homogeneous in the bulk. These porosity gradients are not negligible and need to be included in the definition of the porous model. The 3D images have been also used to compute the permeability and the inertial factor of the coils. Based on these results, we then proposed two homogeneous isotropic porous models that took into account the heterogeneity of the porosity distribution within the permeability and inertial factor definition: the crowns porous model and the bilinear model. Both models shared the hypothesis that the blood flow mainly moves parallel to crowns in the aneurysm. However, the crowns porous model needs the geometry of the coils to calculate the permeability and inertial factor. The bilinear model only requires the geometry of the aneurysm, the target porosity by the surgeon, and the bilinear approximation of the porosity profile. These two models were validated numerically with patient-specific boundary conditions. The results show that both models are accurate, and in particular the bilinear model could be used in the future to predict patient-specific treatment outcomes in neuro-suite.