Étude numérique des Dispositifs d'Assistance Ventriculaire pour l'optimisation de leur utilisation et la limitation des complications cliniques

Numerical study of Ventricular Assist Devices for optimizing their utilization and reducing clinical complications

• Auteur / Autrice : Louis Marcel
• Direction : Smaïne Kouidri, Mathieu Specklin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides (AM)
• Date : Soutenance le 28/09/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Fluides et des Systèmes Énergétiques - Laboratoire d'Ingénierie des Fluides et des Systèmes Énergétiques
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Antonio Brasil Junior
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Smaïne Kouidri, Mathieu Specklin, Emilie Sauret, Julien Guihaire, Farid Bakir
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emilie Sauret, Julien Guihaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Hémodynamique

Hémolyse

Thèses et écrits académiques

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Dispositifs d'Assistance Ventriculaire

Hémolyse

Simulation Numérique Fluide

Modélisation Système

Réseau Cardiovasculaire

Couplage

Ventricular Assistance Devices

Hemolysis

Computational Fluid Dynamics

System Modelling

Cardiovascular Grid

Coupling

Résumé

L'insuffisance cardiaque est une maladie mortelle très répandue au sein du monde moderne. Faute de donneurs, diverses thérapies à long-terme ont été mises en place pour le traitement de l'insuffisance cardiaque terminale. Parmi elles, l'assistance ventriculaire présente des taux de survies comparables à ceux obtenus avec une greffe de cœur. Cependant, de nombreuses complications cliniques liées à l'assistance ventriculaire perturbent toujours la vie des patients en engageant parfois leur pronostic vital. Une utilisation optimisée des dispositifs d'assistance ventriculaire permettrait de réduire le risque d'apparition de ces complications. La connaissance de l'impact des conditions de fonctionnement du dispositif sur la physiologie permet de limiter les dommages mécaniques cellulaires, de maîtriser le couplage entre la machine et le cœur tout en assurant un flux adapté au réseau cardiovasculaire du patient. Dans cette thèse, nous avons développé des modèles numériques basés sur le calcul CFD et l'analogie électro-hydraulique permettant d'identifier les modes de fonctionnement optimaux de ces dispositifs en prenant en compte des paramètres hémolytiques et physiologiques de l'écoulement sanguin. Premièrement, un modèle CFD d'un dispositif est proposé dans le but d'évaluer l'interaction de celui-ci avec le fluide composé de cellules vivantes qu'est le sang. Deuxièmement, les résultats du modèle CFD servent de base à l'établissement d'un modèle adimensionnel de la pompe, qui, couplé avec une modélisation électro-hydraulique du réseau cardiovasculaire, permet d'étudier les interactions entre le dispositif et le ventricule qu'il assiste. Enfin, ce modèle proposé ici est sollicité dans le but de fournir des résultats clés sur l'assistance circulatoire suite à une intervention chirurgicale innovante. L'ensemble des modèles sont validés par rapport à des données expérimentales disponible dans la littérature scientifique. Ils fournissent des éléments de réponse ainsi que des suggestions au corps médical sur le choix des conditions de fonctionnement des dispositifs. Ces suggestions sont basées sur les résultats physiologiques des différentes modèles numériques proposés dans cette thèse. Ils permettent d'identifier les conditions de fonctionnement selon lesquelles le patient est le moins susceptible d'être victime de complication clinique.

Heart failure is a highly prevalent life-threatening disease in the modern world. Due Heart failure is a highly prevalent and deadly disease in the modern world. Due to a shortage of donors, various long-term therapies have been implemented for the treatment of end-stage heart failure. Among them, ventricular assistance presents survival rates comparable to those achieved with a heart transplant. However, numerous clinical complications associated with ventricular assistance still disrupt patients' lives and sometimes endanger their prognosis. An optimized use of ventricular assistance devices would help reduce the risk of these complications. Understanding the impact of device operating conditions on physiology allows for the limitation of cellular mechanical damage, control of the coupling between the machine and the heart, and ensuring an appropriate flow to the patient's cardiovascular system. In this thesis, we have developed numerical models based on computational fluid dynamics (CFD) and electro-hydraulic analogy to identify optimal operating modes for these devices, considering hemolytic and physiological parameters of blood flow. Firstly, a CFD model of a device is proposed to evaluate its interaction with the fluid composed of living cells, which is blood. Secondly, the CFD model results serve as a basis for establishing an adimensional pump model that, coupled with an electro-hydraulic model of the cardiovascular system, enables the study of interactions between the device and the assisted ventricle. Finally, this proposed model is utilized to provide key findings on circulatory assistance following an innovative surgical intervention. All the models are validated against experimental data available in the scientific literature. They provide insights and suggestions to the medical community regarding the choice of device operating conditions. These suggestions are based on the physiological outcomes of the various numerical models proposed in this thesis and help identify the operating conditions in which the patient is least likely to experience clinical complications.