Projet AorticVirtu_et_al

Les maladies cardiovasculaires sont l’une des deux principales causes de mortalité en Occident. Parmi les cardiopathies responsables, les valvulopathies aortiques constituent une cause majeure de dysfonction cardiaque chez le patient âgé. Le remplacement aortique percutané (sans ouverture sternale, sans circulation extra corporelle) est devenu en 15 ans un traitement de référence. Initialement réservé aux patients contre-indiqués à la chirurgie classique, le TAVI ou TAVR (Trans Aortique Valve Implantation / Replacement) est devenu un traitement acceptable chez les patients à risque intermédiaire, voire à bas risque, par la Haute Autorité de Santé (HAS). Cette évolution vers le bas risque impose d’implanter au patient la valve la plus respectueuse de l’hémodynamique cardiaque et la plus adaptée à son anatomie valvulaire et aortique. Si le choix de la famille de valves est guidé entre autres par l’anatomie valvulaire et son niveau de calcification, ce choix est très largement guidé par les habitudes du praticien.
La thrombose de valves est un phénomène de découverte récente dont on peut suspecter que les modifications de l’hémodynamique locale après TAVI soient un facteur favorisant. Aucune étude indépendante n’est actuellement publiée sur cette question en fonction de l’anatomie du patient, et du type et de la taille de valve.

L'objectif de ce projet est de développer une plateforme de chirurgie aortique virtuelle précise pour assister le chirurgien comme aide nécessaire à la prise de décision et à la réduction des risques postopératoires. L'une des principales difficultés est la simulation précise des interactions couplées sang-valve, qui demeure un sujet particulièrement difficile à appréhender. Des techniques de simulation innovantes basées sur les méthodes SPH et LBM seront utilisées à cet effet. En tant qu'entrées du modèle, des mesures précises de l'anatomie du patient et une évaluation minutieuse des propriétés biomécaniques des tissus et des valves du patient seront également requises.

Premier axe du projet AorticVirtu_et_al : Expérimental

Ce prototype de banc d’essai permet d’observer, à l’aide de caméras rapides, la dynamique de la bio-prothèse lorsqu’elle est soumise à un écoulement pulsé. Ces enregistrements sont ensuite analysés afin de caractériser différentes phases d’ouverture et de fermeture de la valve.

Sur ce même banc, un prototype de système de capacitance a été mis en place afin de pouvoir reproduire l’élasticité des tissus de l’aorte biologique. Cette élasticité permet au système circulatoire de conserver une différence de pression entre l’amont et l’aval de la valve et ainsi assurer sa dynamique d’ouverture et de fermeture. Le banc est donc équipé de capteurs de pression afin d’effectuer des mesures en amont et en aval de la bio-prothèse.  
Les résultats préliminaires montrent que le système reproduit en partie l’effet de compliance élastique. À terme, le banc d’essai devrait être capable de simuler avec précision l’évolution des pressions amont et aval en prenant en compte des données patient-spécifiques telles que la géométrie de l’aorte ou encore le débit aortique.

Depuis septembre 2022, le démarrage d’un projet doctoral dans le cadre du projet AorticVirtu et al. vise à développer les outils numériques permettant de simuler l’Interaction Fluide-Structure spécifiquement dans le cas d’un écoulement pulsé au travers de la valve aortique. AorticVirtu et al. visant à développer des outils pratiques pour les praticiens, la notion de temps clinique est une composante importante du développement des outils de simulations. Le premier axe de recherche se focalise sur le couplage entre la méthode Lattice-Boltzmann (LBM), pour la partie fluide, et la méthode Eléments-Finis  (FEM) pour la partie solide. Les premiers travaux de recherche ont eu pour objectif de consolider les données préliminaires déjà obtenues afin de mieux appréhender la dynamique de la valve sous écoulement pulsé. Cette phase complétée, la mise en place d’un nouveau modèle de couplage LBM-FEM afin d’améliorer les temps de calcul tout en conservant la qualité des résultats obtenus précédemment constitue la deuxième phase du projet.
 

Le développement de ce nouveau modèle de couplage nécessite de passer par des cas-test simplifiés dont le comportement présente des similarités avec la valve aortique. C’est le cas-test dit « flapping flag », un drapeau qui flotte au vent, qui a été choisie notamment car le drapeau et les feuillets de la bio-prothèse sont des structures minces qui présentent un mouvement caractéristique dit de « flapping » ou « battement ».
Dans ce cas-test, une structure mince, le drapeau, est soumis à un écoulement constant, i.e 1 m/s. Sous l’effet de l’écoulement du fluide, le drapeau oscille et « bat » à une certaine fréquence. Le fluide est représenté par une grille de nœuds, environ 18 millions, via la méthode LBM et le drapeau est modélisé par le méthode FEM avec 27200 nœuds. La taille importante de ce cas-test a nécessité d’adapter les codes LBM et FEM à l’utilisation du nouveau supercalculateur GLiCID. Malgré tout, environ 3 jours et 99 processeurs sont nécessaires pour simuler un temps physique d’environ 7 secondes. Ainsi, l’optimisation des codes LBM et FEM fera partie des objectifs importants pour la suite du projet