Vers une simulation de l'interaction fluide-structure de la valve mitrale basée sur le patient

Towards Patient-Based Fluid-Structure Interaction Simulation of the Mitral Valve

• Auteur / Autrice : Nariman Khaledian
• Direction : Marie-Odile Berger, Pierre-Frédéric Villard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 12/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Lefebvre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Odile Berger, Pierre-Frédéric Villard, Christian Duriez, Yohan Payan, Hao Gao
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Duriez, Yohan Payan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Imagerie médicale

Anisotropie

Interaction fluide-structure

Propriétés mécaniques

Valve atrio-ventriculaire gauche

Simulation par ordinateur

Biomécanique

Mots clés libres

Simulation biomécanique

Valve mitrale

Interactions fluide-structure

Anisotropie

Imagerie médicale

Segmentation

Biomechanical simulation

Mitral valve

Fluid-Structure interaction

Anisotropy

Medical imaging

Segmentation

Résumé

La valve mitrale est l'une des quatre valves du cœur qui régule le passage du flux sanguin de l'atrium gauche au ventricule gauche. Des pathologies peuvent entraîner des dysfonctionnements de la valve tel que des fuites de sang et des prolapsus. La simulation numérique ouvre la voie à une meilleure compréhension du comportement de la valve dans de tels scénarios. Nous étudions dans cette thèse les techniques de simulation de l'interaction fluide-structure (FSI) sur données synthétiques et sur données réelles. Nous espérons que ces travaux seront une aide pour les cliniciens pour la réparation ou le remplacement de la valve mitrale. Dans cette thèse, nous avons utilisé une approche FSI basée sur la méthode des frontières immergées pour simuler la fermeture dynamique de la valve. L'utilisation de ces méthodes permet de capturer des informations détaillées sur l'efficacité de la fermeture. Au début, nous avons utilisé une géométrie générique et un modèle de matériau isotrope pour reproduire la fermeture dynamique de la valve dans des cas sains et pathologiques. Notre approche a amélioré la capacité à mesurer la qualité de la fermeture grâce à une meilleure représentation de la zone de coaptation et du contact automatique entre les feuillets. Nous avons ensuite considéré des données réelles en utilisant la géométrie extraite de la segmentation des cœurs de porcs et en incorporant des modèles de matériau qui tiennent compte de l'anisotropie du tissu des feuillets de la valve. Nos résultats permettent de conclure qu'utiliser un modèle anisotrope reflète mieux l'état physiologique de la valve, en donnant un feuillet moins extensible. De plus, la comparaison des forces des cordages pendant la fermeture avec des données ex-vivo valide notre approche. Nous avons utilisé notre modèle pour étudier l'influence de facteurs supplémentaires affectant la fermeture dynamique de la valve, y compris la nécessité d'un lissage des feuillets et le rôle du volume de fluide simulant le ventricule. Nous avons utilisé plusieurs géométries de valve extraites l'image pour nos simulations. Nous avons observé qu'employer un tube ajusté, représentant un ventricule gauche simplifié, ne permet pas la fermeture chez certains patients. Par contre, l'utilisation d'un grand cylindre a entraîné une fermeture efficace de la valve. De plus, l'utilisation d'un grand cylindre a fourni une meilleure zone de coaptation par rapport au tube ajusté. Enfin, nous avons étudié des approches alternatives pour obtenir expérimentalement la microstructure du tissu des feuillets. Ces approches, qui ne nécessitent pas d'imagerie microscopique spécifique, tiennent compte de la réponse mécanique du tissu en état fermé, et des traits physiologiques, tels que les points d'insertion des cordages. Ces approches devront être approfondies dans l'avenir.

The mitral valve (MV) is one of the four valves of the heart that regulates the passage of blood flow from the left atrium to the left ventricle. Pathologies can cause the MV to dysfunction, such as blood leakage and bulging. Using numerical simulations open the way toward understanding how MV behaves in such scenarios. We study in this thesis how patient-based fluid-structure interaction (FSI) simulation of mitral valve (MV) closure could help clinicians for MV repair or replacement surgery. In this thesis, we used an FSI approach based on the immersed boundary method to simulate the MV dynamic closure. Using the immersed boundary method allows for capturing detailed information about closure efficiency. At first, we used a generic geometry and isotropic material model to replicate the dynamic closure of MV in healthy and pathological cases. Our approach improved the ability to measure the quality of the closure by better representation of the coaptation area and self-contact between the leaflets. We went further toward the patient-based model by utilizing image-based geometry extracted from the segmentation of porcine hearts and incorporating more accurate material models that consider the anisotropy of the MV leaflet tissue. Our results conclude that using an anisotropic constitutive model better reflects the physiological state of the MV by giving a less extensible leaflet, which results in less bulging. Furthermore, the comparison of chordae forces during closure with ex-vivo data supports the physiological validity of our approach. We used our patient-specific model to investigate the influence of additional factors impacting MV dynamic closure, including leaflet smoothness and fluid volume. We realized that applying a smoothing filter on the surface of the leaflet geometry extracted from the segmentation process improves the coaptation area without affecting the bulging volume. We used several image-based MV geometries for our simulations. We observed that employing a fitted tube, representing a simplified left ventricle, did not yield proper closure in some patients, but using a large cylinder resulted in effective valve closure. In addition, using a large cylinder provided a better coaptation area compared to the fitted tube. Finally, we investigated alternative approaches to experimentally obtaining the microstructure of the leaflet tissue. These approaches, which do not require any specific microscopic imagery, take into account the mechanical response of the tissue in the closed state, and physiological traits, such as chordae insertion points. These approaches will be more investigated in the future.