Soutenance de thèse de LENOIR Marien
Titre de thèse
Modélisation et simulation numérique des mécanismes d'interaction fluide-structure dans la valve aortique : vers un modèle biomécanique intégré de la valve aortique
Modeling and numerical simulation of fluid-structure interaction mechanisms in the aortic valve: An integrated biomechanical model of the aortic valve
Résumé de la thèse
La thèse porte sur la caractérisation des propriétés mécaniques de la racine aortique, avec comme objectif principal sa modélisation numérique dans le contexte de simulations numériques fluide-structure. La première partie de l'étude a consisté à obtenir les propriétés biomécaniques à partir de sujets sains, in vivo, en utilisant l'IRM. Ensuite, une partie ex vivo a été développée avec une méthode novatrice. Cette méthodologie repose sur l'utilisation de racines aortiques humaines récupérées grâce à l'agence de la biomédecine sur un échantillon de 10 greffons. Cette nouvelle méthode implique la pressurisation de la racine aortique, associée à l'acquisition d'images par micro-CT. L'évolution des déformations des racines aortiques, ainsi que les mesures de pression, ont permis d'obtenir des courbes contrainte/déformation associées au module de Young. Une modélisation de la déformation a ensuite été réalisée, et une méthodologie numérique utilisant la méthode des éléments finis a été mise en place.
Pour simuler le comportement mécanique des racines aortiques sous l'effet de la pression, la méthode des éléments finis a été utilisée, grâce au logiciel de simulation open-source CalculiX. Les déformations pariétales induites par les conditions hémodynamiques ont été simulées pour des modèles de déformations élastiques linéaires selon deux zones de pression. Les déplacements prédits par le modèle numérique ont été comparés aux déplacements expérimentaux mesurés par le micro-CT. Les propriétés mécaniques des vaisseaux ont été identifiées et comparées à celles de la littérature.
L'un des défis de cette thèse a été de déterminer les propriétés hyper-élastiques des vaisseaux sanguins à partir des paliers de pressions et de la déformation. La méthode a permis de conclure que le module de Young en faible pression avoisine les 0,6MPa, tandis que celui en forte pression se situe dans un intervalle entre 2,5 MPa et 5,6MPa. Ces résultats démontrent l'efficacité de la méthode développée pour caractériser les propriétés mécaniques de la racine aortique et soulignent l'importance de l'approche numérique dans la compréhension et la modélisation du comportement de la racine aortique.
Thesis resume
The thesis focuses on characterizing the mechanical properties of the aortic root, with its main objective being numerical modeling in the context of fluid-structure numerical simulations. The first part of the study involved obtaining biomechanical properties from healthy subjects, in vivo, using MRI. Subsequently, an ex vivo part was developed with an innovative method. This methodology involves using human aortic roots obtained through the agency of biomedicine from a sample of 10 grafts. This new method involves pressurizing the aortic root, coupled with image acquisition through micro-CT. The evolution of deformations in the aortic roots, along with pressure measurements, allowed obtaining stress-strain curves associated with the Young's modulus. Deformation modeling was then carried out, and a numerical methodology using the finite element method was established.
To simulate the mechanical behavior of aortic roots under pressure, a finite element simulation code was used, thanks to the open-source software CalculiX. Wall deformations induced by hemodynamic conditions were simulated for linear elastic deformation models in two pressure zones. The displacements predicted by the numerical model were compared with experimental displacements measured by micro-CT. Vessel mechanical properties were identified and compared with literature data.
One of the challenges of this thesis was determining the hyperelastic properties of blood vessels based on pressure levels and deformation. The method led to the conclusion that the Young's modulus at low pressure is approximately 0.6 MPa, while at high pressure, it falls within the range of 2.5 MPa to 5.6 MPa. These results demonstrate the effectiveness of the developed method in characterizing the mechanical properties of the aortic root and underscore the importance of the numerical approach in understanding and modeling the behavior of the aortic root.