Développement d’un modèle numérique de navigation endovasculaire par cathéter actif multi-courbes

Development of a numerical model of endovascular navigation by multi-curve active catheter

• Auteur / Autrice : Arif Badrou
• Direction : Nahiène Hamila, Aline Brunon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MIMESIS - Mécanique Multiéchelle pour les solides
• Jury : Président / Présidente : Pascal Haigron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nahiène Hamila, Aline Brunon, Pascal Haigron, Stéphane Avril, David Néron, Irène Vignon-Clémentel, Vincent Costalat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Avril, David Néron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aorte

Chirurgie endovasculaire

Biomécanique

Mots clés libres

Biomécanique

Aorte Thoracique

Navigation endovasculaire

Guide actif

Alliage à mémoire de forme

Réduction de Modèle

Caractérisation

Courbure

Cathéter

Chirurgie endovasculaire

Modèle numerique

Biomechanics

Aorta

Endovascular navigation

Active guidewire

Shape memory alloy

Model order reduction

Caracterisation

Curvature

Catheter

Endovascular surgery

Numerical model

Résumé

Les thérapies endovasculaires se sont particulièrement développées au cours de ces dernières années pour traiter les pathologies vasculaires. Les principales difficultés dans ce type d’intervention résident dans l'accès à la cible à traiter. Les procédures actuelles se font généralement à l’aide d’outils passifs dont la courbure dépend uniquement du contact avec la structure vasculaire. Pour l’accès à certaines zones dites complexes (artères rénales, Troncs Supra-Aortiques (TSAs)), la navigation avec ce genre d'outils est difficile car la trajectoire comporte des angulations importantes. On estime ainsi que 20% des procédures endovasculaires présentent ce genre de complexités, qui peuvent compromettre la suite de l’opération. Afin de faciliter la navigation endovasculaire dans les TSAs pour accéder aux cibles cérébrales, un nouveau type de guide actif a été développé reposant sur la technologie d’alliage à mémoire de forme. Le dispositif peut se courber activement à son extrémité distale et ainsi faciliter le crochetage des TSAs. Le guide actif est au cœur des travaux de cette thèse. La première étape du travail a consisté à caractériser les propriétés de cet outil et de cathéters associés. Cette campagne expérimentale s’est accompagnée d’une observation et d'une caractérisation de la navigation endovasculaire active sur aortes fantômes. Ces éléments ont permis de construire un modèle de navigation endovasculaire du guide actif et des cathéters, pour simuler le crochetage de l’artère carotide gauche d’aortes patient-spécifiques issues des données d'imagerie préopératoires. Le modèle a été validé en regard de la navigation sur aortes fantômes et permet la simulation de phénomènes très spécifiques liés à la navigation, comme le snapping. A l'aide de la méthode de réduction de modèle HOPGD, plusieurs outils temps-réel d’aide à la décision pour les concepteurs du guide actif et pour les cliniciens ont enfin été développés, démontrant la potentialité de la simulation numérique biomécanique d'intégrer la pratique clinique.

Endovascular therapies have been particularly developed in recent years to treat vascular pathologies. The main difficulties in this type of intervention lie in accessing the target to be treated. Current procedures are generally performed using passive tools whose curvature only depends on contact with the vascular structure. In order to access to certain so-called complex areas (renal arteries, Supra-Aortic Trunks (SATs)), navigation with this type of tool is difficult because the trajectory involves significant angulations. It is estimated that 20% of endovascular procedures present this kind of complexity, which could compromise the operation. To facilitate endovascular navigation in TSAs to access brain targets, a new type of active guide was developed based on shape memory alloy technology. The device can actively bend at its distal end and thus facilitates the hooking of TSAs. This thesis focused on this active guidewire. The first step of the work consisted in characterizing the properties of this tool and associated catheters. This experimental campaign was accompanied by an observation and a characterization of the active endovascular navigation on phantom aortas. These elements allowed the development of an endovascular navigation model of the active guidewire and catheters, to simulate the left carotid artery hooking of patient-specific aortas from preoperative imaging data. The model has been validated against navigation on phantom aortas and allows the simulation of very specific navigation-related phenomena, such as snapping. Using the HOPGD model reduction method, several real-time decision support tools for active guidewire designers and clinicians have been developed, demonstrating the potential of biomechanical numerical simulation to integrate clinical practice.