Sténose valvulaire aortique congénitale unicommissurale: Modélisation, simulation et conception chirurgicale à l'aide d'un jumeau numérique

Unicommissural congenital aortic valve stenosis: Modeling, simulation, and surgical design using a digital twin

• Auteur / Autrice : Jean-marc El arid
• Direction : Julien Favier, Loic Mace
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : M2P2 - Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres

Mots clés

Mots clés libres

Sténose valvulaire aortique congénitale

Unicommisusrale

Jumeau numérique

Congenital aortic valve stenosis

Unicommissural

Digital twin

Résumé

Contexte et Problématique : La sténose valvulaire aortique représente 75% de toutes les causes congénitales d'obstruction de la voie d'éjection du ventricule gauche. Elle est représentée par une valve unicuspide et/ou unicommissurale caractérisée par une seule commissure fonctionnelle et deux raphés La valve aortique unicommissurale nécessite à un moment donné une prise en charge, chirurgicale ou par cathétérisme. 1. En période néonatale, les nouveau-nés présentent généralement une forme sténosante pure. Deux techniques s‘affrontent : la commissurotomie et la dilatation au ballon. 2. Les enfants plus grands présentent des valves sténosantes associées à une part de régurgitation, soit due au traitement chirurgical ou au cathétérisme interventionnel, soit due à la dilatation de la racine aortique native. Deux techniques reconstructrices sont actuellement mises en œuvre : la Bicuspidisation (Schäfers), et la Tricuspidisation (Ozaki) 3. À l'âge adulte : la forme sténosante s'impose à nouveau du fait de la dégénérescence et de la calcification de la valve. Quelle technique faut-il privilégier pour une hémodynamique optimale ? Faut-il prendre en compte l'architecture initiale de la valve et proposer une intervention d'Ozaki pour une architecture asymétrique, et réserver la bicuspidisation et l'intervention de Ross aux architectures symétriques ? Objectifs de la thèse : L'approche chirurgicale réparatrice de la sténose valvulaire aortique permet d'obtenir des résultats satisfaisants aux âges pédiatriques en termes de mortalité péri opératoire et de qualité de vie. Cependant, les résultats sont marqués par une diminution de l'espérance de vie comparée à la population générale. Cet excès de mortalité s'explique en partie par l'acceptation de résultats hémodynamiques suboptimaux, responsables : 1) de pressions ventriculaires gauches élevées sur le long terme, et 2) d'une dilatation importante du ventricule gauche, responsables à terme d'une dysfonction ventriculaire gauche et d'arythmies. Nous proposons de développer un outil d'analyse des angioscanners thoraciques synchronisés (et dans un second temps des échocardiographies) permettant de proposer un algorithme à la prise de décision thérapeutique, l'objectif étant de permettre à chaque patient de renouer avec une espérance de vie proche de celle de la population générale au prix du plus petit nombre d'interventions possible. Plan de thèse : 1. Extraire l'anatomie d'une valve aortique unicommissurale basée sur l'imagerie (scanner, échographie), et obtenir : (i) une modélisation 3D selon la méthode des éléments finis, et (ii) les principales données anisotropiques et hyperélastiques des feuillets pathologiques. 2. Définir le nombre de paramètres géométriques nécessaires à l'évaluation hémodynamique d'une valve aortique unicommissurale, et selon ces critères effectuer une transformation de la modélisation organique en modélisation géométrique sous Rhino 3D. [Paramètres : Commissure fonctionnelle (hauteur), raphé (hauteur, longueur de la fusion commissurale), localisation des nadirs, longueur de fusions commissurales, diamètre de l'anneau, diamètre de la jonction sinotubulaire, ratio, orientation commissurale, nombre de sinus, épaisseur des feuillets, souplesse ]. 3. Création d'une technique de segmentation automatisée pour l'extraction de ces différents paramètres. 4. Utilisation d'un code d'interaction fluide-structure permettant de calculer l'hémodynamique d'une valve aortique unicommissurale. Le code fluide correspond au code lattice Boltzmann développé au M2P2. 5. Simuler sur le jumeau numérique les différentes procédures chirurgicales disponibles, et proposer la technique la mieux à même de réduire le niveau de lésions résiduelles. 6. Proposer pour chaque procédure un modèle de fatigabilité qui soit prédictif de durabilité.

Background and issues : Aortic valve stenosis accounts for 75% of all congenital causes of left ventricular outflow tract obstruction. It is represented by a unicuspid and/or unicommissural valve characterized by a single functional commissure and two raphe. The unicommissural aortic valve requires surgical or transcatheter management at some stage. 1. In the neonatal period, newborns generally present with a pure stenosing form. There are two opposing techniques: commissurotomy and balloon dilatation. 2. Older children present with stenosing valves associated with some regurgitation, either due to surgical treatment or interventional catheterization, or due to dilatation of the native aortic root. Two reconstructive techniques are currently used: Bicuspidization (Schäfers) and Tricuspidization (Ozaki). 3. In adulthood, the stenosing form is once again the preferred option, due to degeneration and calcification of the valve. Which technique is best for optimal hemodynamics? Should we take into account the initial architecture of the valve and propose Ozaki surgery for asymmetric architecture, and reserve bicuspidization and Ross surgery for symmetric architecture? Thesis objectives: The reparative surgical approach to aortic valve stenosis provides satisfactory results at pediatric ages in terms of perioperative mortality and quality of life. However, the results are marked by a reduction in life expectancy compared with the general population. This excess mortality is partly explained by the acceptance of suboptimal hemodynamic outcomes, responsible for: 1) high left ventricular pressures over the long term, and 2) significant left ventricular dilatation, ultimately responsible for left ventricular dysfunction and arrhythmias. We propose to develop a tool for analyzing synchronized thoracic angioscanners (and, in a second phase, echocardiograms), enabling us to propose an algorithm for therapeutic decision-making, the aim being to enable each patient to regain a life expectancy close to that of the general population, at the cost of the lowest possible number of interventions. Thesis outline : 1. Extract the anatomy of a unicommissural aortic valve based on imaging (CT, ultrasound), and obtain: (i) 3D modeling using the finite element method, and (ii) the main anisotropic and hyperelastic data of the pathological leaflets. 2. Define the number of geometric parameters required for the hemodynamic assessment of a unicommissural aortic valve, and according to these criteria perform a transformation from organic to geometric modeling in Rhino 3D. [Parameters: Functional commissure (height), raphe (height, commissural fusion length), nadir location, commissural fusion length, annulus diameter, sinotubular junction diameter, ratio, commissural orientation, number of sinuses, leaflet thickness, flexibility. 3. Creation of an automated segmentation technique for extracting these different parameters. 4. Use of a fluid-structure interaction code to calculate the hemodynamics of a unicommissural aortic valve. The fluid code corresponds to the Boltzmann lattice code developed at M2P2. 5. Simulate on the digital twin the different surgical procedures available, and propose the technique best able to reduce the level of residual lesions. 6. Propose a fatigability model for each procedure that is predictive of durability.