Modélisation multi-échelle du parenchyme pulmonaire

Multi-scale Modeling of the Lung Parenchyma

• Auteur / Autrice : Mahdi Manoochehrtayebi
• Direction : Martin Genet, Dominique Chapelle, Aline Brunon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 05/03/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique des Solides (Palaiseau ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Céline Grandmont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Genet, Aline Brunon, Emmanuel Baranger, Adrien Baldit, Konstantinos Danas, Pauline Assemat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Baranger, Adrien Baldit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Fibrose pulmonaire interstitielle diffuse

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Poromécanique

Modélisation du poumon

Méthode des éléments finis

Identification des paramètres

Modélisation de la microstructure

Poromechanics

Lung mechanical modeling

Finite element method

Parameter identification

Microstructure modeling

Résumé

La fibrose pulmonaire idiopathique (FPI), un type de maladie pulmonaire interstitielle qui provoque l'épaississement et la rigidification de certains septa alvéolaires, est mal diagnostiquée, mal pronostiquée et mal traitée. D'un point de vue clinique, de nombreux examens sont nécessaires pour établir un diagnostic précis, ce qui prend du temps au regard de l'espérance de vie du patient. La FPI cible la structure du poumon et ses propriétés géométriques et mécaniques, qui sont liées au comportement du poumon à l'échelle de l'organe et aux problèmes respiratoires.La compréhension d'un tel lien peut être abordée par la modélisation mécanique, qui peut quantifier les données cliniques primaires, à savoir les tomodensitogrammes, et fournir un diagnostic relativement rapide. Dans ce travail, nous avons proposé une modélisation multi-échelle du parenchyme pulmonaire par le biais d'une approche mécanique. Un modèle micro-poro-mécanique général est proposé pour simuler le comportement des matériaux poreux compressibles et incompressibles à l'échelle microscopique et relier les caractéristiques mécaniques et morphologiques microscopiques au comportement à l'échelle macroscopique.Un tel modèle est défini sur la base d'une microstructure périodique avec différents choix qui subissent des déformations finies. En outre, le modèle micro-poromécanique peut montrer non seulement la distribution microscopique des contraintes et des déformations sous diverses charges telles que la contrainte macroscopique, la déformation macroscopique et la pression du fluide, mais aussi leurs manifestations moyennes à l'échelle macroscopique. Ce modèle est d'abord comparé à la macro-poromécanique pour étudier la pertinence de l'approche macroscopique par rapport aux approches microscopiques. Ensuite, le modèle est mis à jour pour reproduire le comportement expérimental du parenchyme pulmonaire. La tension superficielle, en tant que phénomène physiologique microscopique sur les parois alvéolaires, qui est une réponse pour maintenir la stabilité et le parenchyme pulmonaire en présence d'une pression de fluide, est prise en compte dans le modèle. En outre, les paramètres du modèle sont identifiés avec certaines données expérimentales existantes.

Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), a type of interstitial lung disease that causes thickening and stiffening of particular alveoli septa, is poorly diagnosed, prognosed, and treated. From the clinical point of view, multiple investigations are required for a precise diagnosis, which is time-consuming with respect to the life expectancy of the patient. IPF targets the structure of the lung and its geometrical and mechanical properties, which are connected to the organ-scale behavior of the lung and respiratory problems. Understanding such a connection can be addressed through mechanical modeling, which can quantify the primary clinical data, namely CT scans, and return a relatively quick diagnosis. In this work, we have proposed a multi-scale modeling of the lung parenchyma through a mechanical approach. A general micro-poro-mechanical model is proposed to simulate the behavior of the compressible and incompressible porous materials at the microscopic scale and link the microscopic mechanical and morphological features to the macroscopic scale behavior. Such a model is defined based on a periodic microstructure with different choices that undergo finite strains. Moreover, the micro-poro-mechanical model can show not only the microscopic stress and strain distribution under various loadings such as macroscopic stress, macroscopic strain, and fluid pressure but also their average manifestations at the macroscopic scale. This model is first compared to the macro-poromechanics to investigate the relevance of the macroscopic approach to the microscopic ones. Second, the model is updated to reproduce the experimental behavior of the lung parenchyma. Surface tension, as a microscopic physiological phenomenon on the alveolar walls, which is a response for maintaining stability and lung parenchyma in the presence of fluid pressure, is encountered in the model. Moreover, the parameters of the model are identified with some existing experimental data.