Étude numérique de l'échogénicité des matériaux imprimés en 3D imitant les tissus pour le développement de jumeaux numériques d'organes synthétiques

Numerical Investigation of Echogenicity for 3D-Printed Tissue-Mimicking Material Toward the Development of Synthetic Organs' Digital Twins

• Auteur / Autrice : Hossein Kamalinia
• Direction : Bing Tie, Andrea Barbarulo, Elsa Vennat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 13/07/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Lhémery
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Brun, Bruno Lombard, Thomas Heuzé, Anne-Sophie Bonnet-Ben Dhia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Brun, Bruno Lombard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Propagation

Méthode de Galerkin Discontinue

Échocardiographie

Impression 3D

Mots clés libres

Impression 3D

Modélisation par éléments finis

Méthode de Galerkin discontinue

Homogénéisation auto-Cohérente

Propagation des ondes

Echocardiographie

3D printing

Finite element modeling

Discontinuous Galerkin method

Self-Consistent homogenization

Ultrasonic wave propagation

Echocardiography

Résumé

Cette thèse explore l'utilisation de matériaux imprimés en 3D imitant les tissus pour créer des jumeaux fantômes anatomiques. Ces jumeaux sont destinés à fournir aux praticiens médicaux des stations d'entraînement sophistiquées pour répéter des interventions complexes spécifiques au patient. L'objet principal de cette étude est un matériau synthétique imprimé en 3D qui imite le tissu cardiaque pour fournir des images échographiques similaires à celles du tissu biologique réel. Or, les images ultrasonores actuelles des matériaux imprimés en 3D ne correspondent pas à celles des tissus biologiques. Pour résoudre ce problème, un matériau composite à base de polymère avec une microstructure de type matrice-inclusion est en cours de développement pour reproduire les propriétés acoustiques du tissu réel. La microstructure des matériaux imprimés en 3D joue un rôle essentiel dans leur réponse aux ultrasons en raison de l'interaction ultrasons-microstructure aux longueurs d'onde d'intérêt impliquées. Cependant, la relation entre la microstructure imprimée en 3D et la réponse ultrasonique du tissu synthétique n'est pas entièrement comprise. Cette thèse vise à établir cette corrélation à l'aide de simulations numériques et d'observations expérimentales. Pour cela, des techniques numériques avancées sont nécessaires pour dépasser les limites des outils standard pour simuler avec précision la propagation des ondes dans des microstructures hétérogènes dont les longueurs caractéristiques sont du même ordre de grandeur que les longueurs d'onde propagées.La méthode des éléments finis de Galerkin discontinu (dG) est choisie pour effectuer la simulation numérique de la propagation des ultrasons dans les composites de type matrice-inclusion en raison de sa faible dispersion numérique et de la possibilité de déveloper des solveurs massivement parallèles. Un cadre mathématique unifié pour la propagation des ondes acoustiques et élastiques est présenté et des flux numériques upwind pour les interfaces acoustiques-acoustiques, élastiques-élastiques et acoustiques-élastiques sont développés en résolvant le problème de Riemann. Le solveur dG couplé acoustique-élastique basé sur ces flux numériques est implémenté et ensuite validé par comparaison avec la solution analytique d'un domaine acoustique contenant une inclusion élastique circulaire.En utilisant le solveur dG développé, une approche numérique par éléments finis est introduite pour étudier le comportement de diffusion de la microstructure et estimer la vitesse de phase et le coefficient d'atténuation induit par la diffusion. Cette approche numérique est validée par comparaison avec la solution analytique obtenue à partir du cadre d'homogénéisation auto-cohérent proposé par Willis. Les propriétés élastiques du milieu effectif peuvent être obtenues analytiquement, ainsi que la vitesse de phase et le coefficient d'atténuation. L'approche numérique validée est ensuite utilisée pour estimer la vitesse de phase et le coefficient d'atténuation pour les tissus synthétiques imprimés en 3D, en tenant compte des différentes caractéristiques de la microstructure.Un modèle numérique simplifié du transducteur à ultrasons est également proposé et développé pour simuler la propagation des ondes dans la microstructure des matériaux imprimés en 3D pour la reconstruction de l'image B-mode ultrasonore. Un algorithme de reconstruction d'image est utilisé et l'échogénicité des tissus synthétiques avec différentes caractéristiques microstructurales est comparée quantitativement. La forme réelle des inclusions imprimées en 3D est également observée expérimentalement et incorporée dans la simulation numérique.

This thesis explores the use of tissue-mimicking 3D-printed materials to create anatomical phantom twins. These twins are intended to provide sophisticated training stations for medical practitioners to rehearse patient-specific interventions. The main target of this study is a 3D-printed synthetic material that mimics cardiac tissue to provide ultrasound images similar to those of real biological tissue. However, the current ultrasound images of the 3D printed material do not match those of biological tissue. To overcome this problem, a polymer-based composite material with a matrix inclusion microstructure is being developed to replicate the acoustic properties of real tissue. The microstructure of 3D printed materials plays a critical role in their response to ultrasound due to the ultrasound-microstructure interaction over the involved wavelengths. However, the relationship between the 3D-printed microstructure and the ultrasonic response of the synthetic tissue is not fully understood. This thesis aims to step toward establishing this correlation using numerical simulations and experimental observations. For this, advanced numerical techniques are required to overcome the standard tools' limitations to accurately simulate wave propagation in heterogeneous microstructures with characteristic lengths of the same order of magnitude as the propagated wavelengths.The discontinuous Galerkin (dG) finite element method is chosen to perform the numerical simulation of ultrasound propagation in matrix-inclusion composites due to its low numerical dispersion and the possibility of using the solver on supercomputers with massively parallel solvers. A unified mathematical framework of the acoustic and elastic wave propagation is presented, and upwind numerical fluxes for acoustic-acoustic, elastic-elastic, and acoustic-elastic interfaces are developed by solving the Riemann problem. The coupled acoustic-elastic dG solver based on these numerical fluxes is implemented and then validated by comparison with the analytical solution of an acoustic domain containing a circular elastic inclusion.Using the developed dG solver, a finite element-based approach is introduced to study the scattering behavior of the microstructure and estimate the phase velocity and scattering-induced attenuation coefficient. This numerical approach is validated by comparing it to the analytical solution obtained from Willis' self-consistent homogenization framework. The elastic properties of the effective medium can be analytically obtained, as well as the phase velocity and attenuation coefficient. The validated numerical approach is subsequently used to estimate the phase velocity and attenuation coefficient for 3D-printed synthetic tissue, considering different microstructure characteristics.A simplified numerical model of the ultrasound transducer is also proposed and developed to simulate wave propagation in the microstructure of 3D-printed materials for B-mode ultrasound image reconstruction. An image reconstruction algorithm is used, and the echogenicity of synthetic tissues with different microstructural characteristics is quantitatively compared. The actual shape of 3D printed inclusions is also observed experimentally and incorporated into the numerical simulation.