Simulation numérique de déploiement de stent coronaire en vue d’un traitement personnalisé – validation sur fantôme acquis en imagerie microdensitométrique

Autor: Krewcun, Camille
Přispěvatelé: Institut Pascal (IP), SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Clermont Auvergne [2017-2020] (UCA [2017-2020]), Université Clermont Auvergne [2017-2020], Laurent Sarry, SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Université Clermont Auvergne [2017-2020] (UCA [2017-2020])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Bio-informatique [q-bio.QM]. Université Clermont Auvergne [2017-2020], 2020. Français. ⟨NNT : 2020CLFAC086⟩
Popis: The research work presented here takes its roots in the medical context of an interventional treatment for coronary artery disease, which consists in deploying an endovascular metallic prosthesis - called stent - inside a pathological artery. As the intervention takes place entirely inside the vessels, making sure that the stent placement is successful (i.e. unlikely to cause complications) can be a difficult task, particularly in some scenarios where the artery is complex to treat and requires adaptation from the cardiologist during stent apposition.The main objective of this PhD dissertation is to develop a method for numerically simulating the stent deployment inside a coronary artery, using a realistic model of mechanical behaviour. The simulation aims at guiding physicians during the apposition procedure, to be, in the long run, integrated into clinical routine. This purpose strongly constrains the simulation method, which has to be computationally efficient in order to not slow down significantly the intervention, while sufficiently precise for clinical use. The present thesis thus describes a numerical method to simulate the deployment of a balloon-expandable stent inside a coronary artery. Its main contributions can be divided into three distinctive parts.At first, we detail a generic method to represent a stent as a mesh of connected beam elements, suitable for finite element simulation. This method can be applied to any stent with a common design (i.e. made of rings and connectors), and easily adapted to any length or diameter. The use of beam elements allows to take advantage of the wire-like structure of the stent, reducing the number of degrees of freedom and lowering computational time.Beam elements are then associated with a model of plastic mechanical behaviour. To correctly simulate the deformation of the stent metallic alloys, we use a Von Mises-Hill plasticity model with mixed (kinematic and isotropic) linear hardening. Solution of plastic equations relies on a radial return algorithm. We also approximate the balloon inflation by connecting the stent mesh to a virtual balloon membrane using stiff springs. This additional contribution allows to stabilise the simulation, while taking into account the compliance tables provided by the stent manufacturers.Complementing the numerical model, we finally present an experimental validation protocol for the simulation. This protocol relies on the design and manufacturing of coronary artery phantoms, used for the deployment of ten commercial stents under micro-computed tomography (micro-CT) supervision. Each deployment is reproduced numerically using the simulation, and the final geometry of the simulated stent is compared to the micro-CT acquisition of the real stent, using rigid registration. The results we obtained show that the simulation precision has the same order of magnitude as the stent strut thickness (around 100 µm).This thesis is a first proof of concept for a realistic stent deployment simulation, which aims at being integrated into clinical routine. From the stent mechanical behaviour point of view, we present a method which is both accurate (experimentally validated), and faster than classic simulation methods from literature (using 3D elements). Two main leads are currently investigated to move towards a concrete clinical application. The first one is the optimisation of simulation features for which the computational time remains prohibitive (especially collision handling). The second one is the development of patient-specific artery models, retrieved from optical coherence tomography imaging data.; Le contexte médical associé aux présents travaux est celui du traitement interventionnel de la maladie coronarienne, par le déploiement d’une endoprothèse métallique - appelée stent - à l’intérieur d’une artère coronaire pathologique. L’intervention étant entièrement endovasculaire, il peut être difficile de s’assurer que le positionnement du stent ne présente pas de risque de complications, particulièrement dans certains scénarios où la plaque artérielle est complexe à traiter et requiert une adaptation du cardiologue pendant le déploiement.L’objectif principal de cette thèse est de proposer une méthode de simulation numérique du déploiement d’un stent à l’intérieur d’une artère coronaire, au moyen d’un modèle de comportement mécanique réaliste. Cette simulation est développée dans le but de guider le cardiologue dans la procédure de déploiement, et pour être, à terme, utilisée en routine clinique. L’intégration per-interventionnelle implique de fortes contraintes sur la méthode, qui doit respecter un temps de calcul suffisamment faible pour ne pas ralentir significativement la procédure, tout en garantissant la précision nécessaire à l’application clinique. Les travaux présentés ici décrivent une méthode de simulation numérique du déploiement d’un stent dans une artère coronaire, à l’aide d’un ballonet. Ils s’articulent en trois parties, correspondant chacune à des contributions distinctes.Dans un premier temps, nous détaillons une méthode générique de représentation d’un stent sous la forme d’un maillage d’éléments poutres, utilisable dans une simulation par éléments finis. Cette méthode est applicable à tout stent possédant une structure classique (anneaux/connecteurs), et peut être facilement adaptée à n’importe quel diamètre ou longueur. L’utilisation d’éléments poutres permet de tirer parti de la structure filiforme du stent pour réduire le nombre de degrés de liberté du problème, et diminuer le temps de calcul.Dans un second temps, nous associons aux éléments poutres un modèle mécanique de plasticité, permettant de représenter la déformation subie par le stent lors du gonflement du ballon. Le modèle utilisé est un modèle plastique de Von Mises-Hill avec écrouissage mixte (isotrope et cinématique), adapté à la représentation d’alliages métalliques. La résolution plastique est effectuée au moyen d’un algorithme de retour radial. Une autre de nos contributions consiste à approcher le déploiement du ballon par un ensemble de ressorts rigides reliant le maillage du stent à une membrane de ballon virtuelle. Cette représentation du ballon permet de stabiliser la simulation, tout en prenant en compte les tables de compliance associées aux stents commerciaux.Dans un troisième temps, nous présentons un protocole de validation expérimentale de la simulation. Ce protocole repose sur la fabrication de fantômes d’artère coronaire, puis sur la réalisation de dix déploiements de stents commerciaux sous contrôle microtomographique (micro-CT). Ces déploiements sont reproduits numériquement par simulation, puis la géométrie finale du stent obtenue par micro-CT et celle du stent simulé sont comparées par recalage rigide. Les résultats obtenus montrent que la précision de la simulation est de l’ordre de l’épaisseur des mailles du stent (environ 100 µm).Cette thèse constitue une première preuve de concept d’une simulation de déploiement de stent réaliste utilisable en routine clinique. Du point de vue du comportement mécanique du stent, la méthode proposée est à la fois précise (validée expérimentalement), et plus rapide que les méthodes de simulation classiques (volumiques) de la littérature. Les perspectives vers une application clinique concrète passent par deux axes principaux. D’une part l’optimisation des aspects de la simulation dont le temps de calcul est encore prohibitif (notamment la gestion des contacts). (...)
Databáze: OpenAIRE
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