Sujets de thèse de Doctorat

Modélisation de l’écoulement du sang dans le système artériel.

Application au diagnostic des anomalies du système cardiovasculaire

 Directeurs de thèse :

BEN SALAH Ridha, Professeur de Biophysique à la faculté de médecine de Sousse & directeur de l’UR de Biophysique (00/UR/08 02).

BEN ABDESSALEM Khaled, membre de l’UR de Biophysique.

Laboratoire d’accueil :

Laboratoire de Biophysique de la faculté de médecine de Sousse.

RESUMÉ

Au cours des dernières décennies, les techniques numériques ont été largement utilisées par les chercheurs a fin de simuler l'écoulement du sang dans les artères. La biomécanique cardio-vasculaire vise à développer des modèles, basés sur les disciplines classiques (physiques, mathématiques, et mécaniques), qui aident à comprendre la genèse et la progression des maladies cardiovasculaires, et le cas échéant, de développer de nouvelles méthodes de diagnostic intéressantes pour la pratique clinique. La biomécanique cardiovasculaire développe et utilise des techniques expérimentales de calcul, afin de valider et analyser les modèles du système cardio-vasculaire complexe. En effet, des grandeurs hémodynamiques, comme la pression, la vitesse, la compliance, les contraintes de cisaillement pariétales sont d'une importance capitale pour le bon fonctionnement du cœur et de son patrimoine naturel ou artificiel. Ces paramètres jouent un rôle important dans la genèse et le développement des maladies cardiovasculaires, telles que l'athérosclérose, la sténose et l’occlusion des vaisseaux etc …

Les problèmes d’interprétation des images issues des scanners pour le diagnostique de plusieurs pathologies vasculaires rend nécessaire le développement de modèles numériques des vaisseaux pathologiques pour affiner les diagnostics. Cependant, la modélisation et la simulation numérique du système cardiovasculaire ne peuvent être utilisées de nos jours que partiellement comme aide à la décision en milieu hospitalier. Ceci est dû à la complexité du système artériel, aux difficultés d’accès à des conditions aux limites réalistes et aux valeurs pertinentes nécessaires pour alimenter en paramètres les lois de comportement dans les modèles numériques.

Legend: 1. Common carotid artery, 2. Subclavian artery, 3. Axillary artery, 4. Brachial artery, 5. Ulnar artery, 6. Radial artery, 7. Deep and superficial palmar arches, 8. Femoral artery, 9. Anterior tibial artery, 10. Posterior tibial artery, 11. Common iliac artery, 12. Aorta, 12a. Abdominal aorta, 12b. Thoracic aorta, 12c. Aortic arch, 13. Brachiocephalic trunk (innominate artery)

Candidat I :

Dans un premier temps, le doctorant développe un modèle d’écoulement sanguin dans les artères principales de la jambe (Femoral artery (8), Anterior tibial artery (9) et Posterior tibial artery (10)). Le doctorant passera ensuite à des modèles numériques utilisant la méthode des éléments finis avec un couplage fluide/structure. Il développera des modèles de cette section du système artériel avec et sans plaque d’athérome. Le sang sera modélisé comme un fluide newtonien, une prise en compte de la viscoélasticité des parois sera envisagée.

Le modèle (3D) développé permet d’obtenir des grandeurs hémodynamiques d’intérêt clinique, telles que le champ  de vitesse, le champ de pression en tout point de cette section du système artériel. Il permet aussi d’évaluer l’impédance artérielle et les contraintes de cisaillement pariétales. Le modèle tiendra compte de la géométrie complexe du système (bifurcation, coudes, sténoses…), la nature de paroi artérielle et la conicité des artères. Les paramètres d’entrée du modèle sont des grandeurs mesurables de façons non invasives (le profile de la vitesse et le rayon instantané). Le modèle sera validé par simulation numérique dans un premier temps, puis sur un banc hydrodynamique.

Candidat II :

Le doctorant développe un modèle d’écoulement sanguin dans les artères principales des membres supérieures (Axillary artery (3), Brachial artery(4), Ulnar artery (5)et Radial artery(6)). Il passera ensuite à des modèles numériques utilisant la méthode des éléments finis avec un couplage fluide/structure. Il développera des modèles de cette section du système artérielle avec et sans plaque d’athérome. Le sang sera modélisé comme un fluide newtonien, une prise en compte de la viscoélasticité des parois sera envisagée.

Le modèle (3D) ainsi développé, permet d’évaluer des grandeurs hémodynamiques d’intérêt clinique, telles que le champ  de vitesse, le champ de pression en tout point de cette section du système artériel (main) ainsi que les contraintes de cisaillement pariétales et l’impédance artérielle. Le modèle tiendra compte de la géométrie complexe du système (bifurcation, coudes, sténoses…), la nature de paroi artérielle et de la conicité des artères. Le modèle sera validé  par simulation numérique dans un premier temps, puis sur un banc hydrodynamique.

Profil du candidat :

Titulaire d’un master recherche en mécanique ou physique, fortement motivé par le travail en équipe et devra disposer de compétences en mécanique des fluides, mécanique des milieux continus, interactions fluide/structure et mathématiques. Un profil plutôt orienté vers le numérique (modélisations éléments finis) sera privilégié.

Contact:

BEN SLAH Ridha,

UR Biophysique, Faculté de médecine de Sousse

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BEN ABDESSALEM Khaled,

UR Biophysique, Faculté de médecine Tunis

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References:

1)      Karim Azer, A. Charles S. Peskin: A One-dimensional Model of Blood Flow in Arteries with Friction and Convection Based on the Womersley Velocity Profile (Cardiovasc Eng (2007) 7:51–73).

2)      Christina Grigoria Giannopapa , Thèse 2004, Fluid structure interaction in flexible vessels.

3)      L. Formaggia , J.F. Gerbeau ,F.Nobile ,A. Quarteroni : On the couling of 3D and 1D Navier-Stokes equations for flow problems in compliant vessels. Comput. Methods Appl. Mech.Engrg. 2001, vol191, pp561-582.

4)      Raool Vand lan,Thèse 2005,A 3-D methods for modeling the fluid structure interaction of hearts valves.