Добірка наукової літератури з теми "Simulations hémodynamiques"

L'étude de l'hémodynamique, c'est-à-dire de la dynamique du sang, est considérée par la communauté médicale comme un biomarqueur essentiel pour caractériser l'apparition et le développement des pathologies cardiovasculaires. Historiquement, l'imagerie à résonance magnétique (IRM), technique non-invasive et non-ionisante, permet de reconstruire des images morphologiques des tissus biologiques. Des progrès récents lui donnent aussi accès à l'évolution temporelle du champ de vitesse du sang dans les trois directions de l'espace. Cette technique, connu sous le nom d'IRM de flux 4D, est encore peu utilisée dans la pratique clinique étant donné sa faible résolution spatio-temporelle et sa longue durée d'acquisition.Cette thèse a pour but d'étudier les performances de la séquence de flux 4D. Dans un premier temps, l'impact de séquences accélérées (GRAPPA, compressed sensing) sur la reconstruction des champs de vitesse est étudié dans un cadre combinant mesures expérimentales sur un fantôme imageur de flux et simulations de mécanique des fluides numérique (MFN). On montre que l'acquisition hautement accélérée avec compressed sensing est en bon accord avec la simulation numérique si les corrections appropriées sont appliquées, notamment par rapport aux courants de Foucault. Dans un second temps, l'impact d'un paramètre de séquence, l'écho partiel, est examiné. L'étude est conduite avec une méthodologie couplant la simulation du processus d'acquisition IRM avec la MFN et permettant de reconstruire des images synthétiques d'IRM. Cette configuration permet de s'affranchir des erreurs expérimentales pour s'intéresser uniquement aux erreurs intrinsèques au processus IRM. Deux séquences constructeur réalistes, sans et avec écho partiel, sont simulées sur deux types d'écoulement dans un fantôme de flux numérique. Pour les deux écoulements, la séquence avec écho partiel donne globalement de meilleurs résultats. Il est ainsi suggéré que l'effet d'atténuation des artéfacts de déplacement permise par l'écho partiel est plus important que celui de réduction du signal IRM acquis que ce paramètre engendre. De plus, la simulation couplée IRM-MFN apparaît comme un outil d'intérêt dans le contexte de la conception et de l'optimisation de séquences IRM et pourrait être étendu à d'autres types de séquences
The study of hemodynamics, i.e. the dynamics of blood flow, is considered by the medical community as an essential biomarker to characterize the onset and the development of cardiovascular pathologies. Historically, magnetic resonance imaging (MRI), a non-invasive and non-ionizing technique, allows to reconstruct morphological images of the biological tissues. Recent progresses have made it possible to access the temporal evolution of the blood velocity field in the three spatial directions. This technique, known as 4D flow MRI, is still little used in the clinical practice due to its low spatiotemporal resolution and its long scan time.This thesis aims at studying how the 4D flow MRI sequence performs. To begin with, the impact of accelerated sequences (GRAPPA, compressed sensing) on reconstructed velocity fields is studied in a framework combining experimental measurements in a flow phantom and computational fluid dynamics (CFD) simulations. It is shown that the highly accelerated sequence with compressed sensing is in good agreement with numerical simulation as long as appropriate corrections are applied, namely with respect to the eddy currents. Then, the impact of a sequence parameter, namely partial echo, is investigated. The study is conducted thanks to a methodology coupling the simulation of the MR acquisition process with CFD and allowing to reconstruct synthetic MR images (SMRI). This configuration is freed from experimental errors and allows to only focus on the errors intrinsic to the MRI process. Two realistic constructor sequences, without and with partial echo, are simulated for two types of flow in a numerical flow fantom. For both flows, the sequence with partial echo results in overall better results. It suggests that the mitigation of the displacement artifacts made possible by the partial echo has a greater impact than the reduced MR signal acquired that it induces. Furthermore, the coupled MRI-CFD simulation appears as a tool of interest in the context of sequence design and optimization. It could be expanded to other types of MR sequences

Cette thèse se concentre sur une pathologie spécifique affectant la section abdominale de l'aorte, connue sous le nom d'anévrisme de l'aorte abdominale (AAA). Un anévrisme implique un affaiblissement persistant et localisé de la paroi du vaisseau, entraînant des élargissements et des renflements, provoquant une recirculation et une turbulence du flux sanguin.Notre thèse expose une méthodologie pour la modélisation géométrique des anévrismes abdominaux. Le processus comprend l'acquisition d'images de scanners CT, la reconstruction de la géométrie 3D de l'aorte et l'isolation de l'anévrisme. La phase de modélisation commence par l'identification et l'approximation de la ligne médiane du vaisseau aortique à l'aide de fonctions B-spline. La paroi aortique est ensuite partitionnée et profilée à l'aide de séries de Fourier.Pour évaluer son efficacité, la technique développée est appliquée à un ensemble de données de scanners CT de patients. Les reconstructions obtenues à partir des scans sont également présentées comme des exemples détaillant chaque étape de la procédure. De plus, une évaluation quantitative et la logique derrière les paramètres de modélisation sont expliquées. Ensuite, en tant que première application, la modélisation est intégrée à un processus de registration pour le diagnostic clinique et le suivi.La procédure de modélisation géométrique développée est utilisée dans un pipeline pour des simulations hémodynamiques et une évaluation des risques, en utilisant une approche de modélisation d'ordre réduit pour construire un espace de solution. Des simulations, utilisant des géométries paramétrées, sont réalisées dans des conditions réalistes, et des indicateurs de risque sont calculés et liés à la représentation géométrique à l'aide d'une fonction interpolante à base radiale. Enfin, des prédictions sur les indicateurs de risque sont obtenues pour une géométrie inconnue. Les résultats, bien que prometteurs, pourront être améliorés en augmentant de manière appropriée l'ensemble de données initial.Pour remédier à la pénurie mentionnée de données cliniques, nous avons élaboré un flux de travail automatisé pour générer des géométries synthétiques. Cette approche permet l'identification de paramètres géométriques pertinents et implique l'apprentissage automatique pour générer une population virtuelle de patients cohérente avec les données d'origine. En plus d'améliorer la capacité prédictive des modèles réduits, la méthode peut également être appliquée de manière prospective pour des essais in silico et des études impliquant des populations virtuelles de patients
This thesis focuses on a specific pathology affecting the abdominal section of the aorta, known as abdominal aortic aneurysm (AAA). An aneurysm involves a persistent and localized weakening of the vessel wall, leading to enlargements and bulges, causing recirculation and turbulence of blood flow.Our thesis outlines a methodology for geometric modeling of abdominal aneurysms. The process involves acquiring CT images, reconstructing the aorta 3D geometry, and isolating the aneurysm. The modeling phase begins by identifying and approximating the centerline of the aortic vessel using B-spline functions. The aortic wall is then partitioned and profiled using Fourier series.To evaluate its effectiveness, the developed technique is applied to a dataset of CT scans from patients. Reconstructions obtained from the scans are also presented as examples to detail each step of the procedure. In addition, a quantitative evaluation and rationale behind modeling parameters are explained. Then, as a first application, the modeling is integrated into a registration process for clinical diagnosis and follow-up.The geometrical modeling procedure developed is used in a pipeline for hemodynamic simulations and risk assessment, employing a reduced-order modeling approach to construct a reduced solution space. Simulations, utilizing parameterized geometries, are conducted under realistic conditions, and risk indicators are computed and linked to the geometrical representation using Radial Basis Functions interpolant. Finally, predictions on risk indicators are obtained for an unknown geometry. The results, despite being promising, can be further improved by appropriately augmenting the initial dataset.To address the aforementioned scarcity of clinical data, we devised an automated workflow for generating synthetic geometries. This approach allows for the identification of relevant geometry parameters and involves machine learning to generate a virtual patient population consistent with the original data. In addition to improving the predictive capability of reduced models, the method can also be applied prospectively for in-silico trials and studies involving virtual patient populations

L'aorte conduit le sang oxygéné aux organes et amortit l'onde pulsatile cardiaque. Au cours du vieillissement, elle est exposée à des altérations hémodynamiques et à une rigidité augmentée, elle-même associée à la mortalité.L'objectif de ma thèse est de proposer, à partir de l'IRM et des simulations, des indices non-invasifs de l'hémodynamique aortique locale, qui soient simples, rapides et complémentaires aux indices IRM de géométrie et de fonction aortiques établis.Un premier volet est consacré au développement et la personnalisation d'un modèle 1D de l'aorte descendante, validé qualitativement et quantitativement avec des données IRM sur 7 sujets, afin d'extraire des paramètres de pression, vitesse et surface.Un second volet, dédié aux données IRM, est centré sur :la comparaison de 7 méthodes d'évaluation de la pulsatilité aortique et leur validation avec la référence sur 70 sujets sainsla quantification du flux réverse aortique et l'étude de sa variation avec l'âge, ainsi que l'identification de ses déterminants sur 96 sujets sainsl'estimation automatique d'indices hémodynamiques de la sténose valvulaire aortique (SVA) et leur comparaison à l'échocardiographie Doppler sur 53 patients avec une SVA et 21 contrôles.Ainsi, le modèle aortique pourrait aider à identifier les déterminants des altérations aortiques et à consolider les observations in vivo. Par ailleurs, les outils mis au point pour l'analyse reproductible des données d'IRM fournissent des indices caractéristiques du vieillissement, qui pourraient être étudiés vis-à-vis des organes cibles (coeur, cerveau, rein, etc.) dans les pathologies cardiovasculaires (hypertension artérielle, drépanocytose).

Contexte : des etudes cliniques et des simulations numeriques ont montre que le polygone de willis est un facteur determinant de l'hemodynamique cerebrale en aval de lesions obstructives severes des arteres carotides internes (acais). L'objectif de cette these est (i) de developper un modele physique simulant la macrocirculation cerebrale et (ii) d'etayer ou d'infirmer les resultats simules numeriquement. Methode et resultat : un modele rigide et plan du polygone de willis et de ses arteres afferentes et efferentes, constitue d'un reseau de 20 tubes, dont les dimensions sont egales a celle des vaisseaux correspondants chez l'homme, a ete usine dans du plexiglas. Les resistances peripheriques, les stenoses ou occlusions carotidiennes et le diametre de l'artere communicante anterieure sont des parametres variables. Ce modele inclus dans une boucle circulatoire permet de reproduire un ecoulement de type physiologique. Les signaux de pression, de debit et les profils de vitesse instantanes sont mesures en un grand nombre de points dans le reseau. Pour un reseau sain et symetrique, les resultats experimentaux sont precisement correles avec ceux d'un modele lineaire. En presence de lesions obstructives unilaterales des acais, les effets non-lineaires induits par les singularites (bifurcations, retrecissements brusques) au niveau des arteres communicantes (acos), mettent en defaut ce modele. Une etude specifique a permis de quantifier les chutes de pression au niveau de ces arteres, montrant qu'elles varient de maniere quadratique avec le debit qui les traverse. Une nouvelle version du modele numerique, prenant en compte ces phenomenes, fournit des resultats en excellent accord avec les resultats experimentaux. Conclusion : nos simulations numeriques et experimentales confirment que l'impact d'une lesion carotidienne sur l'hemodynamique cerebrale depend tres fortement du calibre des acos. Elles permettent de quantifier plus precisement leur role et de valider, en la corrigeant, la simulation numerique. Les resultats obtenus dans cette etude pourraient etre a court terme transposes chez l'homme, apres avoir ete precises par une etude sur un modele tridimensionnel de forme anatomique.

Ce travail de doctorat se décompose en quatre parties distinctes. La première partie concerne la caractérisation hémodynamique sur simulateur cardiovasculaire de prothèses valvulaires mitrales de différents constructeurs en vue de leur évaluation clinique et du diagnostique de leur dysfonction. La seconde partie se focalise sur les prothèses valvulaires mécaniques bi-clapet au travers desquels le phénomène de recouvrement de pression dû au passage de l'écoulement à travers les trois orifices formés par les clapets peut engendrer une surestimation du gradient transvalvulaire. Ce phénomène peut entrainer une ambiguïté lors de l'évaluation de la prothèse en cas de gradient transvalvulaire important. Cette partie s'attache à quantifier ce phénomène et à évaluer l'influence d'une dysfonction (disproportion patient-prothèse ou obstruction d'un clapet) sur celui-ci. La troisième partie concerne la procédure valve-in-valve dans laquelle une prothèse percutanée est implantée dans une bioprothèse défaillante. Elle fournit une caractérisation in vitro, première au niveau mondial, d'assemblages de la prothèse SAPIEN Edwards dans des bioprothèses issues de différents constructeurs. Enfin et suite à la mise en évidence dans les parties précédentes de profils de vitesse en amont de la prothèse ne pouvant être assimilés à des profils plats, l'étude des patrons de flux auriculaires a été réalisée grâce à des acquisitions in-vitro
This PhD work is divided into four different parts. the first part concerns the hemodynamic characterization by in-vitro cardiovascular testing of mitral valvular prosthesis from different manufacturers in order to provide reference values for clinical diagnosis. The second part focus on bi leaflet mechanical heart valve in each pressure recovery resulting of flow through the three orifices could lead to an overestimation of transvalvular pressure gradient. This could create ambigious assessment in case of high value of transvalvular pressure gradient. This part aims to quantify this pressure recovery and identify the influence of dysfunction (leaflet obstruction or patient prosthesis mismatch) on this value. Third part consists in valve-in-valve procedure in which a transcatheter valve is impllanted in a failled bioprosthesis. It provides in vitro testing, first globally, of assemblies composed of SAPIEN Edwards prostheses in different manufacturers' bioprosthesis.As highlighted in the previous parts inflows of the mitral prostheses can not be considered as plane and results of left atrium flow patterns. The last part studies the left atrium flow following mitral valve replacement

En imagerie cardiovasculaire, un biomarqueur est une information quantitative permettant d'établir une corrélation avec la présence ou le développement d'une pathologie cardiovasculaire. Ces biomarqueurs sont généralement obtenus grâce à l'imagerie de l'anatomie et du flux sanguin. Récemment, la séquence d'acquisition d'IRM de flux 4D a ouvert la voie à la mesure du flux sanguin dans un volume 3D au cours du cycle cardiaque. Or, ce type d'acquisition résulte d'un compromis entre le rapport signal sur bruit, la résolution et le temps d'acquisition. Le temps d'acquisition est limité et par conséquent les données sont bruitées et sous-résolues. Dans ce contexte, la quantification de biomarqueurs est difficile. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la quantification de biomarqueurs et en particulier du cisaillement à la paroi. Deux stratégies ont été mises en œuvre pour atteindre cet objectif. Une première solution permettant le filtrage spatio-temporel du champ de vitesse a été proposée. Cette dernière a révélé l'importance de la paroi dans la modélisation d'un champ de vitesse. Une seconde approche, constituant la contribution majeure de cette thèse, s'est focalisée sur la conception d'un algorithme estimant le cisaillement à la paroi. L'algorithme, nommé PaLMA, s'appuie sur la modélisation locale de la paroi pour construire un modèle de vitesse autour d'un point d'intérêt. Le cisaillement est évalué à partir du modèle de la vitesse. Cet algorithme intègre une étape de régularisation a posteriori améliorant la quantification du cisaillement à la paroi. Par ailleurs, une approximation du filtre IRM est utilisée pour la première fois pour l'estimation du cisaillement. Enfin, cet algorithme a été évalué sur des données synthétiques, avec des écoulements complexes au sein de carotides, en fonction du niveau de bruit, de la résolution et de la segmentation. Il permet d'atteindre des performances supérieures à une méthode de référence dans le domaine, dans un contexte représentatif de la pratique clinique
In cardiovascular imaging, a biomarker is quantitative information correlated with an existing or growing cardiovascular pathology. Biomarkers are generally obtained by anatomy and blood flow imaging. Recently, the 4D Flow MRI sequence opened new opportunities in measuring the blood flow within a 3D volume along the cardiac cycle. However, this sequence is a compromise between signalto-noise ratio, resolution and acquisition time. Allocated time being limited, velocity measurements are noisy and low resolution. In that context, biomarkers' quantification is challenging. This thesis's purpose is to enhance biomarkers' quantification and particularly for the wall shear stress (WSS). Two strategies have been investigated to reach that objective. A first solution allowing the spatiotemporal filtering of the velocity field has been proposed. It revealed the importance of the wall for the velocity field modelization. A second approach, being the major contribution of this work, focused on the design of a WSS quantification algorithm. This algorithm, named PaLMA, is based on the local modelization of the wall to build a velocity model near a point of interest. The WSS is computed from the velocity model. This algorithm embeds an a posteriori regularization step to improve the WSS quantification. Besides, a blurring model of 4D Flow MRI is used for the first time in the WSS quantification context. Finally, this algorithm has been validated over synthetic datasets, with carotids' complex flows, concerning the signal-to-noise ratio, the resolution, and the segmentation. The performances of PaLMA are superior to a reference solution in that domain, within a clinical routine context

Les maladies valvulaires mitrales induisent une surcharge de pression ou de volume dans l’oreillette. L’augmentation de la pression auriculaire initie alors des complications secondaires, telles que l’hypertension artérielle pulmonaire, la fibrillation auriculaire et la thromboembolie. Les objectifs du remplacement valvulaire mitral sont donc d’améliorer l’hémodynamie de la valve, mais aussi de normaliser les pathologies secondaires. Ces objectifs ne sont pas nécessairement atteints chez tous les patients. Parfois, ils ne le sont que partiellement. L’objectif général de cette thèse est de mieux comprendre les interactions complexes entre le substitut valvulaire, les écoulements intra-auriculaires et la circulation pulmonaire. Nous avons donc développé un nouveau simulateur expérimental atrio-ventriculaire capable d’estimer ces interactions. Il est basé sur le respect du synchronisme entre les contractions et relaxations des deux cavités cardiaques, modélisées par deux moules en silicone. Deux pompes, asservies par un contrôleur temps réel, autorisent une double activation rigide et synchronisée, et la maîtrise des volumes des moules de l’oreillette et du ventricule. Un modèle Windkessel simule la circulation pulmonaire et une troisième pompe l’éjection du ventricule droit. Les courbes pression-volume des cavités et les impédances aortique et pulmonaire mesurées sur le simulateur sont totalement physiologiques, excepté l’amplitude de la pression auriculaire qui demeure encore trop élevée. La forme du moule de l’oreillette, totalement anatomique et comprenant quatre veines pulmonaires et l’appendice auriculaire gauche, permet une organisation de l’écoulement intra-auriculaire très proche de celle observée in-vivo. La visualisation de ces écoulements est réalisée par vélocimétrie par images de particules trois composantes et multi-plans, associée à une méthode de masquage automatique des régions d’intérêt. Nous avons étudié, par une approche numérique, l’impact de la disproportion patient-prothèse en position mitrale sur les pressions auriculaire gauche et artérielle pulmonaire. Le modèle numérique a permis de valider les seuils d’aire valvulaire effective indexée utilisés en clinique pour estimer la présence et la sévérité de la disproportion patient-prothèse. Par ailleurs, nous avons démontré au moyen du simulateur atrio-ventriculaire que l’aire valvulaire effective d’une prothèse mitrale varie de l’ordre de 30% durant la diastole, ce qui remet en cause l’hypothèse selon laquelle cette variable ne change pas durant cette période. Enfin, nous avons mis en évidence l’impact positif de la régurgitation d’une prothèse mécanique sur la thrombogénèse, similairement à l’insuffisance mitrale, au détriment d’une augmentation de la pression artérielle pulmonaire. Les nouvelles connaissances et le nouvel outil expérimental présentés dans cette thèse pourraient être utilisés, à l’avenir, pour améliorer les prothèses valvulaires mitrales et développer des stratégies visant à optimiser les résultats du remplacement valvulaire mitral.
Mitral valve diseases induce left atrial pressure or volume overload. The resulting increase of left atrial pressure, in turn, leads to secondary abnormalities, such as pulmonary arterial hypertension, atrial fibrillation and thromboembolism. Therefore, the main goals of mitral valve replacement are to restore the valvular hemodynamics and to normalize the secondary abnormalities. The general objective of this thesis is to better understand the complex interactions between the valve substitute, the intra-atrial flow patterns, and the pulmonary circulation. We, therefore, developed a new in-vitro pulsed atrio-ventricular mock circulatory system to investigate these interactions. The setup is based on the perfect synchronization between the contractions and relaxations of the two cardiac cavities, which are mimicked by two silicone moulds. Two pumps, real time servo-controlled, allow the double rigid and synchronized activations of the moulds, and the control of left atrial and left ventricular volumes. A Windkessel model is used as the pulmonary circulation and a third pump mimick the right ventricular ejection. Pressure-volume curves of the cardiac cavities and aortic and pulmonary impedances, measured in-vitro, are totally concordant with the cardiac physiology, except the amplitude of the left atrial pressure which remains too elevated. The anatomical shape of the left atrial mould includes the four pulmonary veins and the left atrial appendage. This realistic geometry allows flow patterns very closed to those observed in-vivo. Their visualization is performed using multi-planes three components particle image velocimetry, associated with an automatic mask generation. Using a numerical approach, we investigated the impact of mitral prosthesis-patient mismatch on left atrial and pulmonary arterial pressures. The numerical model was used to validate the cut-off values of indexed effective orifice areas generally used to define the presence and the severity of prosthesis-patient mismatch in the clinical setting. With the use of the mock circulatory system, we showed that the effective orifice area of mitral prostheses may exhibit variations of ±30% during diastole, which contradicts the previous hypothesis stating that this variable remains constant during this period. Finally, we described the positive impact of the mechanical mitral prosthetic valve regurgitation on thrombogenesis, similarly to mitral insufficiency, to the expense of an increase of the pulmonary arterial pressure. The new knowledge and the new experimental setup presented in this thesis may prove to be useful to optimize the design of mitral prosthetic valves and the performance of mitral valve replacement.

La structure de l’oeil permet d’observer la microcirculation, grâce aux caméras de fond d’oeil. Ces appareils sont bon marché et couramment utilisés dans la pratique clinique, permettant le dépistage de maladies oculaires. La capacité des vaisseaux à adapter leur diamètre (autorégulation) afin de réguler le débit sanguin est importante dans la microcirculation. L’hémodynamique de l’oeil est impactée par la pression à l’intérieur du globe oculaire (IOP), qui est à son tour influencée par le flux sanguin oculaire. Les altérations de l’autorégulation et l’IOP jouent un rôle dans les maladies oculaires. La modélisation mathématique peut aider à interpréter l’interaction entre ces phénomènes et à mieux exploiter les données médicales disponibles. Dans la première partie, nous présentons un modèle simplifié d’interaction fluidestructure qui inclut l’autorégulation, appliqué à un reseau 3D obtenu par imagerie médicale. Les cellules musculaires lisses regulant le diamètre du vaisseau sont modélisés dans la structure. Ensuite, nous utilisons des équations de poroélasticité pour décrire le flux sanguin dans la choroïde, dans un modèle multi-compartiments de l’oeil. Cette approche permet de rendre compte de la transmission de la pulsatilité de la choroïde à la chambre antérieure, où l’IOP est mesurée. Nous présentons des résultats préliminaires sur la choroïde, l’humeur aqueuse et sur la choroïde couplée avec la vitrée. Enfin, nous présentons un modèle d’ordre réduit pour accélérer des simulations multi-physique. Des modèles de haute précision sont utilisés pour les compartiments d’intérêt et une représentation réduite de l’opérateur de Steklov-Poincaré est utilisée pour les autres compartiments
The structure of the eye offers a unique opportunity to directly observe the microcirculation, by means, for instance, of fundus camera, which are cheap devices commonly used in the clinical practice. This can facilitate the screening of systemic deseases such as diabetes and hypertension, or eye diseases such as glaucoma. A key phenomenon in the microcirculation is the autoregulation, which is the ability of certain vessels to adapt their diameter to regulate the blood flow rate in response to changes in the systemic pressure or metabolic needs. Impairments in autoregulation are strongly correlated with pathological states. The hemodynamics in the eye is influenced by the intraocular pressure (IOP), the pressure inside the eye globe, which is in turn influenced by the ocular blood flow. The interest in the IOP stems from the fact that it plays a role in several eye-diseases, such as glaucoma. Mathematical modelling can help in interpreting the interplay between these phenomena and better exploit the available data. In the first part of the thesis we present a simplified fluid-structure interaction model that includes autoregulation. A layer of fibers in the vessel wall models the smooth muscle cells that regulate the diameter of the vessel. The model is applied to a 3D image-based network of retinal arterioles. In the second part, we propose a multi-compartments model of the eye. We use the equations of poroelasticity to model the blood flow in the choroid. The model includes other compartments that transmit the pulsatility from the choroid to the anterior chamber, where the measurements of the IOP are actually performed. We present some preliminary results on the choroid, the aqueous humor and on the choroid coupled with the vitreous. Finally, we present a reduced order modelling technique to speed up multiphysics simulations. We use high fidelity models for the compartments of particular interest from the modelling point of view. The other compartments are instead replaced by a reduced representation of the corresponding Steklov-Poincaré operator

L'hémodynamique (la manière dont le sang coule) est aujourd'hui considérée par la communauté médicale comme un marqueur prépondérant dans l'apparition et dans l'évolution de certaines pathologies cardiovasculaires (formation d’un caillot sanguin, anévrisme, sténose...). Les récents progrès technologiques ont permis d'adapter l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) à l'exploration vélocimétrique 3D du système cardiovasculaire grâce à l'IRM de flux 4D. En plus d'être non invasive et non ionisante, cette technique ouvre l'accès à l'évaluation de quantités dérivées du champ de vitesse telles que la pression ou le frottement pariétal, pertinentes lors des diagnostics médicaux, mais difficilement accessibles par imagerie. Néanmoins, les contraintes technologiques (temps d'acquisition, résolution spatiale, dépendance aux vitesses d'encodages) limitent la précision des mesures. De plus, les complexités intrinsèques au processus d’acquisition en IRM rendent difficilement identifiables les sources d'erreurs de mesures.Cette thèse à pour but de développer une méthodologie standardisée permettant l'évaluation systématique des mesures par IRM de flux 4D dans un régime d'écoulement complexe. Dans ce but, un fantôme IRM compatible capable de générer un écoulement typique de ceux observés dans la circulation thoracique (crosse aortique, bifurcation, anévrisme) est conçu et intégré à un banc d'essai expérimental. L'écoulement est prédit par simulation numérique (Mécanique des fluides Numérique) et simultanément mesuré par IRM de flux 4D.Grâce à une évaluation rigoureuse des différences entre ces deux modalités, on montre d’abord que la simulation numérique peut être considérée comme une représentation fidèle du champ de vitesse réel.Une évaluation rigoureuse des différences entre ces deux modalités permet de considérer la simulation numérique comme l’écoulement de référence représentant le champ de vitesse réel. L'analyse met aussi en lumière d'une part des erreurs typiques de mesures du champ de vitesse par IRM de flux 4D, ainsi que des erreurs relatives au calcul de quantités dérivées (pression et le frottement pariétal).Enfin, une méthodologie de simulation du processus d'acquisition en IRM est développée. Couplée avec la MFN, celle-ci permet de reconstruire des images IRM synthétiques correspondant à l'écoulement de référence mesuré par un protocole d'acquisition donné, mais exemptes de toutes erreurs expérimentales. La capacité à produire des images in silico permet notamment d’identifier les sources d’erreurs (matériel, logiciel, séquence) en IRM de flux 4D
Hemodynamics (blood flow dynamics) is now recognized as a key marker in the onset and evolution of many cardiovascular disorders such as aneurysms, stenoses, or blood clot formation. As it provides a comprehensive access to blood flows in-vivo, time-resolved 3D phase-contrast magnetic resonance imaging (or 4D Flow MRI) has gained an increasing interest over the last years and stands out as a highly relevant tool for diagnosis, patient follow-up and research in cardiovascular diseases. On top of providing a non-invasive access to the 3D velocity field in-vivo, this technique allows retrospective quantification of velocity-derived hemodynamic biomarkers such as relative pressure or shear stress, which are pertinent for medical diagnosis but difficult to measure in practice. However, several acquisition parameters (spatio-temporal resolution, encoding velocity, imaging artifacts) might limit the expected accuracy of the measurements and potentially lead to erroneous diagnosis. Moreover, the intrinsic complexities of the MRI acquisition process make it generally difficult to localize the sources of measurement errors.This thesis aims at developing a methodology for the assessment of 4D Flow MRI measurements in complex flow configuration. A well-controlled experiment gathering an idealized in-vitro flow phantom generating flow structures typical of that observed in the cardiovascular system is designed. The flow is simultaneously predicted by means of a high-order Computational Fluid Dynamics (CFD) solver and measured with 4D flow MRI. By evaluating the differences between the two modalities, it is first shown that the numerical solution can be considered very close to the ground truth velocity field. The analysis also reveals the typical errors present in 4D flow MRI images, whether relevant to the velocity field itself or to classical derived quantities (relative pressure, wall shear stress). Finally, a 4D Flow MRI simulation framework is developed and coupled with CFD to reconstruct the synthetic MR images of the reference flow that correspond to the acquisition protocol, but exempted from experimental measurement errors. Thanks to this new capability, the sources of the potential errors in 4D Flow MRI (hardware, software, sequence) can be identified

L’ablation partielle du foie est une chirurgie qui intervient dans le traitement des lésions du foie et lors d’une transplantation partielle de foie. Les relations entre l’hémodynamique du foie, son volume et ses fonctions restent à élucider pour mieux comprendre les causes des complications de ces chirurgies. Lors de la chirurgie, l’hémodynamique du foie est altérée suite à l’augmentation de la résistance au flux sanguin de l’organe. La régénération du foie semble dépendante des changements de débit et de pression dans la veine porte. D’autre part, comme le foie reçoit 25% du débit cardiaque, la chirurgie impacte la circulation sanguine globale. Dans ce contexte, le premier objectif est de mieux comprendre, grâce à des modèles mathématiques, l’influence de l’hépatectomie sur l’hémodynamique. Le second objectif est l’analyse de la perfusion et de la fonction du foie. Premièrement, la procédure chirurgicale, les conditions expérimentales ainsi que les mesures obtenues sont détaillées. Ensuite, les valeurs moyennes mesurées lors de douze chirurgies sont reproduites par un modèle de circulation entière, basé sur des équations différentielles ordinaires. Lors des différentes hépatectomies, des changements de forme de courbe sont observés. Un modèle de circulation entière, basée sur des équations 1D et 0D est proposé pour analyser ces changements. Ce travail pourrait permettre une meilleure compréhension des changements d’architecture du foie induits par l’hépatectomie. Puis, le transport dans le sang d’un composé ainsi que son traitement par le foie sont modélisés. Un modèle pharmacocinétique est développé et grâce aux mesures, les paramètres du modèle sont estimés
Major liver resection is being performed to treat liver lesions or for adult-to-adult living donor liver transplantation. Complications of these surgeries are related to a poor liver function. The links between liver hemodynamics, liver volume and liver function remain unclear and are important to better understand these complications. The surgery increases the resistance to blood flow in the organ, therefore it modifies liver hemodynamics. Large modifications of the portal vein hemodynamics have been associated with poor liver regeneration. Moreover the liver receives 25% of the cardiac outflow, therefore liver surgery may impact the whole blood circulation. In this context, the first goal is to investigate with mathematical models the impact of liver surgery on liver hemodynamics. The second goal is to study the liver perfusion and function with mathematical models. The first part describes the experimental conditions and reports the measurements recorded. Then, the second part focuses on the liver hemodynamics during partial hepatectomy. On one hand, the hemodynamics during several surgeries is quantitatively reproduced and explained by a closed-loop model based on ODE. On the other hand, the change of waveforms observed after different levels of liver resection is reproduced with a model of the global circulation, including 0D and 1D equations. This may contribute to a better understanding of the change of liver architecture induced by hepatectomy. Next, the transport in blood of a compound is studied. And a pharmacokinetics model and its parameter identification are developed to quantitatively analyze indocyanine green fluorescence dynamics in the liver tissue

A partir de l'écoulement complexe dans des géométries multi-échelles, un modèle réduit en temps et espace est proposé pour simuler des données réelles. Les données patient sont obtenues à l'aide de méthodes classiques (IRM, pression, vitesse Doppler) et sont ensuite intégrées, en particulier via la résistance 3D (analogie électrique). Le modèle est alors optimisé pour prédire les résultats expérimentaux.

Les méthodes existantes de réparation endo-vasculaire aortique sont présentées. Neuf modèles synthétiques réalistes sont proposés, comportant des niveaux de sténose différents, et des conditions aux limites adaptées. Les simulations effectuées permettent de calculer débits, pressions et contraintes pariétales. Ces résultats pourront venir en aide au médecin afin de mieux appréhender la méthode optimale d'intervention.