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www.utc.fr UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE COMPIÈGNE Modélisation des écoulements et des complications dans les abords vasculaires pour hémodialyse : recirculation, sténose, … Equipe : A-V. Salsac, Z. Kharboutly, I. Decorato C. Legallais [email protected] UMR CNRS 7338 Biomécanique & Bioingénierie ì Les écoulements sanguins en général… • Un fluide complexe …. • en circulation dans un réseau complexe… • La FAV : un écoulement non physiologique ! SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Arbre circulatoire ARTERE PULMONAIRE CŒUR DROIT VEINE CAVE CŒUR GAUCHE AORTE ARTERES CORONAIRES CAROTIDE Issu de Comolet Biomécanique circulatoire VEINE HEPATIQUE ARTERES RENALES ARTERE GASTRIQUE ARTERE SPLENIQUE ARTERE MESENTERIQUE ARTERE HEPATIQUE SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Des parois de vaisseaux adaptées sang protection endothélium intima fibres musculaires collagène media élasticité nutrition élastine (veine) fibres élastiques longitudinales adventice SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 vaisseaux nourriciers Pour différentes propriétés mécaniques Venkatraman, 2008 SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Types de vaisseaux et propriétés mécaniques vaisseau aorte artère artériole capillaire veinule veine veine cave paroi 2mm 1mm 20µm 1µm 2µm 0.5mm 1.5mm diamètre 25mm 4mm 30µm 8µm 20µm 5mm 30mm nombre 1 ≈ 100 ≈108 ≈1010 ≈109 ≈10 2 pression 100 100-40 40-30 30-18 18-10 10-5 5-0 330-400 50 25 5 10 35 150 (mm/s) 20 700 5000 3000 20 14 (mmHg) Vitesse Section totale 8 endothélium élastique muscle conjonctif SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 (cm2) Fluides en écoulement : Pressions ! R2 r2 champ de vitesse : vz = G 1− 2 4η R Un fluide s’écoule de la zone de forte pression vers la zone de basse pression –notion d’énergie = ∆P Le fluide se dirige « naturellement « vers les zones de faible résistance SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Elargissement brusque SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Rétrécissement brusque SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Ecoulement pulsé dans une conduite élastique pe p(x,t) R(x,t) x issu de Fung, Biodynamics of circulation SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Des écoulements sanguins en général… • Un fluide complexe …. • en circulation dans un réseau complexe… • À la FAV : un écoulement non physiologique ! SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Un arbre circulatoire modifié ARTERE PULMONAIRE CŒUR DROIT VEINE CAVE CŒUR GAUCHE AORTE ARTERES CORONAIRES CAROTIDE Issu de Comolet Biomécanique circulatoire VEINE HEPATIQUE FAV 1 L/min ARTERES RENALES ARTERE GASTRIQUE ARTERE SPLENIQUE ARTERE MESENTERIQUE ARTERE HEPATIQUE SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Une classification altérée… vaisseau aorte artère radiale veine FAV veine cave paroi 2mm 1mm 1 mm 0.5mm 0.5mm 1.5mm diamètre 25mm 4mm 2-4 mm 5mm 10 mm 30mm nombre 1 ≈ 100 1 Débit 5000 50- 300 > 1000 10 – 100 pression 100 100-40 100-80 10-5 ? 5-0 (mmHg) Vitesse 330-400 50 >500 35 ? 150 (mm/s) SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 ≈10 1 2 > 500 Des conséquences sur l’hémodynamique • Surcharge cardiaque • Sténoses • Thromboses • Hyperdébit, syndrôme de vol • Recirculation SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Objectives Short Term : Understand the interrelation between hemodynamics and AVF functions • • • • Study the fluid mechanics in a realistic vessel Adopt a feasible simulation methodology Develop and validate the necessary tools Study the impact of needles during HD session Long Term : Offer a quantitative AVF diagnostic tool to clinicians • Hemodynamical risk associated to AVF failure • Prognostic consequences after an interventional surgery (simulation) SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Protocole d’exploitation: Des images médicales au calcul de l’écoulement Pré-processing Patient Patient Validation Validation E/SVitesse Vitesse E/S Images Images Reconstruction Reconstruction 3D 3D Calculs in silico in vitro Maillage Maillage Construction ConstructionMoule Moule Simulation Simulation Numérique Numérique PIV PIV Post-processing Analyse Analyseetet Visualisation Visualisation 16 SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Image acquisition CT Angiography Bras du Artère FAV Tête du patient Veine Volumetric General Electric Multi Slice CT Technology Imagevisualisation CT Angiographie Polyclinique St Côme: Compiègne Dr JF De Fremond, Dr M Tolani néphrologues, Dr JM Treutenaere et Dr T Chambon radiologues SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 DEUX FAV reconstruites Proximal radial Artery Cephalic Vein Patient-II Patient-I Brachial Artery Distal radial artery Radial & ulnar artery (a) Patient I SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 (b) Patient II Particle tracking : Patient I 19 SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Wall Shear Stress : Patient I 20 SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Etude des recirculations VN: Venous Needle AN: Arterial Needle Case AI Retrograde SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Case BI Antegrade Stream Lines + Velocity Vector Case AI 0.5 L.min-1 SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Case AI 1.5 L.min-1 Summary - Recirculation Seuil 700 mL/min Qart (L/min) SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Particle tracking : Patient II Flow I SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 Flow II Lignes de courant au pic systolique Velocity [m∙s-1] 70% stenosis 2.21 1.1 20% stenosis 0 Qualitatively: effect of arterial stenosis / angioplasty on blood flow = purely local SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 25 Perte de charges à la sténose ΔP 70% stenosis 20% stenosis ΔP = 12 mmHg ΔP = 5 mmHg ↓ High cardiac work Effect of arterial stenosis: SFAV, Ajaccio, 17/06/2016 26 Balloonangioplasty ΔP ↑ ⇒ ↓ Treatment succeeded (ΔP < 5 mmHg) Cardiac work ↑ Que faut il retenir ? • La modélisation des écoulements sanguins peut devenir un outil supplémentaire d’assistance aux cliniciens • Nécessite encore de nombreux développements • In silico : le plus complexe n’est pas forcément le meilleur choix. Nécssité de compromis pour réduire les temps de calcul. • Besoin de données d’entrée mesurées chez le patient :images, débit OK, pressions ??? SFAV, Ajaccio, 17/06/2016
