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Par Bruno RAMAËL Thèse présentée pour l’obtention du grade de Docteur de l’UTC

Par Bruno RAMAËL Thèse présentée pour l’obtention du grade de Docteur de l’UTC Caractérisation in situ des propriétés mécaniques des parois vasculaires par une technique non invasive Soutenue le 22 novembre 2016 Spécialité : Bio-ingénierie, Biomécanique, Biomatériaux : Unité de Recherche : Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338) D2314 Par Bruno RAMAËL Caractérisation in situ des propriétés mécaniques des parois vasculaires par une technique non invasive Thèse présentée pour l’obtention du grade de docteur de l’UTC Champ disciplinaire : Bio-ingénierie, Biomécanique, Biomatériaux 1 Caractérisation in situ des propriétés mécaniques des parois vasculaires par une technique non invasive Soutenue le 22 novembre 2016 devant un jury composé de : Anne-Virginie Salsac, directrice de thèse Catherine Vayssade, co-directrice de thèse Matthieu Domaszewski, rapporteur Pascal Swider, rapporteur Marie-Christine Ho Ba Tho, examinatrice Isabelle Bataille, examinatrice 2 3 4 Remerciements An tan ke Caribéen, man kay coumencé épi dé twa mots kréyols. Pou tout lé ti frè et sè ki kay suiv, man ka di zot pliss foss, fè rézo, mandé conseils é kon té ka di Esy: « E non pa pè Arété di kow boug mwen kè ou pé pa On moun ki pé pa sé an moun ki vé pa Vansé sé pa san pèn’ tchilé sé pa la pèn’ » E. K Je remercie le Collegium UTC-CNRS INSIS et la Région Picardie pour le financement de la thèse. Mes remerciements s’adresseront premièrement à 7 personnes qui ont eu un impact majeur dans ma thèse. Tout d’abord un énorme merci à Mme Catherine Vayssade qui m’a apporté énormément durant cette thèse ; autant dans le domaine de l’optimisation que des éléments finis. Votre gentillesse, vos conseils et votre pédagogie m’ont beaucoup servi. Ensuite je remercie Yvan Duhamel, Quentin Dermigny et Marc Villegas pour leur support technique. Sans vous clairement cette thèse n’aurait pas pu se réaliser, vous étiez pour ma thèse un pilier autant du point de vue numérique qu’expérimental. Je remercie Mme Marie Christine Ho Ba Tho, Mme Catherine Marques, Mme Isabelle Claude pour leur soutient durant certaines phases nuageuses. Je remercie Gwenaël et Arthur mes deux principaux collaborateurs respectivement au CHU d’ Amiens et à l’UPMC. Maintenant j’aimerais passer à une autre catégorie de remerciement pour ces amis qui ont rendu mon séjour agréable. Je voudrais donc remercier tous les amis que j’ai pu me faire et de partout, mes amis tunisiens, italiens, algériens, marocains, brésilien, français, chinois, américains, martiniquais (mèci on chay Larissa), indiens, indonésiens, colombiens (en espérant n’avoir oublié personne). Et particulièrement un grand merci à mes amis du laboratoire Yong Jiang Li, Neeraj Maheshwari, Risa Ritin, Elodie Colaço, Benjamin Sevinié, Badr Kaoui, Aisha El Boukili. Merci pour votre bonne humeur, votre amitié, vos connaissances et discussions (Badr l’expert du Lattice Boltzmann). Un grand merci à Yong Jiang et Benjamin pour leur gentillesse et leur amitié, sans vous ce laboratoire n’aurait pas eu la même atmosphère. Merci à Badr et Aisha pour m’avoir replongé dans la méthode Lattice Boltzmann. Et Aisha, Aisha…, que dire, que de bon moment avec toi, n’est ce pas. Merci à Neeraj, Risa et Elodie pour votre amitié, votre gentillesse, les parties de karting, les discussions, what else. Enfin le remerciement le plus important de tous, se portera à ma famille. Je voudrais remercier ma famille en général de Petite Anse à Grand Anse. Comme je ne peux pas citer tous le monde je remercierai mes grands parents, mon parrain, ma marraine. Ma cousine Roseline et mon tonton Julo qui m’ont permis de me sentir comme chez moi dans l’hexagone et enfin le remerciement qui surclasse tout: « Je remercie mes parents et mes sœurs pour leur soutien inconditionnel depuis toujours et depuis mon arrivé dans l’hexagone » 5 Résumé La thèse s’axe sur l’identification des propriétés mécaniques des artères faciales. Elle s’inscrit dans le cadre du projet FlowFace, qui porte sur l’étude du réseau artériel facial par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM). Elle s’appuie sur une campagne de mesures effectuées sur un échantillon de 30 témoins au CHU d’Amiens, qui a permis d’obtenir de manière non invasive l’évolution de la déformation des vaisseaux, ainsi que la mesure des débits les parcourant. Des pressions diastoliques et systoliques ont été mesurées au niveau du bras, indépendamment des mesures IRM. L’objectif de la thèse a été de modéliser la déformation patient-spécifique des vaisseaux sanguins et de mettre en place une technique d’optimisation, afin de déterminer leurs propriétés mécaniques par analyse inverse. Des simulations du comportement des vaisseaux sanguins ont été réalisées au moyen des logiciels d’ANSYS Inc., en modélisant les interactions fluide-structure aussi bien en couplage fort que faible. L’objectif a été de déterminer les déformations pariétales induites par les conditions hémodynamiques, ainsi que les pertes de charge dans les vaisseaux considérés. Les simulations ont mis en jeu des modèles hyperélastiques grande déformation pour simuler le comportement des parois. Les déplacements prédits par le modèle numérique ont été comparés aux déplacements expérimentaux mesurés par IRM. Les propriétés mécaniques des vaisseaux ont été identifiées au moyen de la technique d’optimisation proposée dans la suite ANSYS et basée sur les algorithmes de gradient et algorithmes génétiques. La méthode d’identification a été validée sur des fantômes de vaisseaux, consistant en des tubes cylindriques en élastomère, et pour lesquelles des mesures de déformation sous écoulement pulsé ont été acquises par imagerie IRM. Les valeurs des propriétés mécaniques ainsi déterminées ont été comparées à celles obtenues par tests de traction et tests de dilatation. Un des points cruciaux de l’identification a consisté en la détermination de l’état non pré-contraint. S’il est un paramètre connu pour les fantômes de vaisseaux, il est à déterminer pour les vaisseaux natifs. Le challenge de cette thèse a aussi été de déterminer les propriétés hyperélastiques des vaisseaux sanguins à partir des valeurs systoliques et diastoliques de pression et déformation. La méthode a permis de conclure que le module tangent en diastole avoisine 200 KPa alors que celui en systole se trouve dans un intervalle entre 300 KPa et 1 MPa. Mots clés : Paroi artériel, propriétés mécaniques, identification, mesure IRM, CFD, FEA 6 Abstract This thesis is based on identifying the mechanical properties of facial arteries. It is part of FlowFace project, which focuses on the study of the facial arterial system by MRI imaging. It is based on a measurement campaign conducted on a sample of 30 people at the Hospital of Amiens, which allowed obtaining noninvasively the evolution of the blood vessel deformation and the measurement of the flow. Diastolic and systolic pressures were measured at the arm independently of the MRI measurements. The aim of the thesis was to model the deformation of blood vessels and to implement an optimization technique to determine their mechanical properties by inverse analysis using MRI measurements of deformation. Simulations of the behavior of the blood vessels were performed, using ANSYS Inc. software, modeling fluid-structure interactions both strong and weak coupling. The objective was to determine the parietal deformations induced by hemodynamic conditions and pressure drops in the vessels concerned. The simulations involved hyperelastic and large deflection models to simulate the behavior of the wall. They allow calculate the numerical displacements that we compared with experimental displacements measured by MRI, the aim is that the difference between numerical and experimental be as low as possible to deduce the adequate mechanical parameters for the artery. To identify the mechanical properties of the vessels, the optimization technique proposed in ANSYS based on genetic algorithms or gradient algorithms was used. The identification method was validated on cylindrical tubes (elastomer), for which deformation measurements were acquired by MRI imaging under pulsating flow. The values of mechanical properties determined were compared with those obtained by traction tests and dilatation tests. One of the crucial points of identification involves the determination of the non-stress state. If it is a known parameter for the elastic tube, it has to be determining for blood vessels. The challenge of this thesis is to determine from a "minimum" quantity of pressure and deformation information, the hyper-elastic properties of blood vessels. The method based on a patient-specific geometry deformation concluded that the tangent modulus in diastole is approximately 200kPa while that in systole is in a range of 300 kPa to 1 MPa. Keyword: Arterial wall, mechanical properties, identification, MRI measurements, CFD, FEA 7 8 I. Problématique liée au réseau artériel et état de l’art ........................................................... 11 1. Contexte .................................................................................................................................... 11 1.1. Physiologie des artères et systèmes artériels ................................................................... 11 1.2. Artère faciale ..................................................................................................................... 12 1.3. Pression artérielle .............................................................................................................. 13 1.4. Anatomie et structure des artères saines ......................................................................... 16 1.5. Comportement mécanique de la paroi artérielle .............................................................. 17 1.6. Anisotropie ........................................................................................................................ 18 1.7. Contrainte résiduelle et géométrie zéro pression............................................................. 18 1.8. Les pathologies artérielles ................................................................................................. 19 1.9. Objectif de l’étude ............................................................................................................. 19 2. Etat de l’art ................................................................................................................................ 19 2.1. Modélisation du tissu mou ............................................................................................ 20 2.2. Estimation des pressions de manière non invasives, modèles 0D, 1D, 3D ................... 27 2.3. Mesure in-vivo et recueil non invasifs de données ....................................................... 31 2.4. Problème inverse en biomécanique .............................................................................. 35 2.5. Applications ................................................................................................................... uploads/s3/ scdmed-t-2007-rousseau-sylvain.pdf