Contexte général
L'AAA est une pathologie de l'aorte abdominale responsable d'une dilatation localisée permanente de l'artère dont le développement peut notamment se compliquer d'une fissuration ou rupture, menaçant le pronostic vital du patient (décès de 80% des patients en cas de rupture). L'un des objectifs de ces recherches est de contribuer à une meilleure compréhension et modélisation des interactions fluide/structure/cellules au sein des AAA, afin d'identifier et de caractériser aux différentes échelles (AAA, cellulaire) les processus et couplages mécano-biologiques pouvant conduire à l'expansion et au risque de rupture des AAA.Modèles 3D in vitro de la circulation sanguine au sein des AAA
Un simulateur vasculaire modélisant des écoulements 3D sanguins physiologiques et pathologiques dans les AAA en tenant compte des interactions fluide structure a été développé. Il permet de reproduire des débits, des pressions et des impédances locales conformes à la réalité clinique ainsi que des caractéristiques capacitives et résistives représentatives du lit artériel aval (modèle de Windkessel). Il est muni de géométries d’AAA compliantes de formes anatomiques, moulées, dans notre propre unité de moulage, à partir de matériaux en polyuréthane transparents. Ces AAA compliants ont le même comportement structurel que celui de patients porteurs d’AAA. Ce simulateur permet d’activer indirectement un mélange fluide analogue au sang au comportement rhéofluidifiant. Ce type d’activation permet notamment de ne pas endommager le comportement des chaînes moléculaires du mélange en évitant leur passage dans la pompe d’activation. Ce banc d’essai est équipé de moyens métrologiques permettant d’avoir accès aux grandeurs caractéristiques des écoulements (débits, pressions, champs de vitesses obtenus par vélocimétrie par images de particules PIV 2C-2D et 3C-3D). A notre connaissance, ce simulateur est l’un des seuls au niveau international capable de reproduire des conditions aussi proches de la réalité physiopathologique.Résultats à l'échelle macroscopique
La visualisation ci dessous, réalisée dans le cas d'un fluide au comportement Newtonien permet de décrire la dynamique générale de l'écoulement dans le sac anévrismal.
Influence de l’existence de la bifurcation aorto-iliaque et de flux différenciés dans les artères iliaques
Différentes caractérisations (vorticité, λci partie imaginaire des valeurs propres complexes du gradient de vitesse, trajectoires des positions des centres des vortex, taux de cisaillement,…) ont été réalisées à partir des champs de vitesses (PIV 2C-2D). Ces grandeurs ont permis de caractériser et d’analyser la dynamique de l’écoulement dans le sac anévrismal selon les différents modèles géométriques : sans bifurcation (SM), avec bifurcation et une répartition des flux à 50/50 dans les artères iliaques, avec bifurcation et une répartition des flux à 80/20 pouvant modéliser des pathologies vasculaires dans les membres inférieurs. Les résultats ont notamment montré que i) l'intensité de l'impact de l'anneau tourbillonnaire ainsi que son instant dans le cycle cardiaque dépendent de la présence de la bifurcation aorto-iliaque avec une intensité de 90% supérieure pour un modèle sans bifurcation, ii) la vitesse de propagation de l'anneau tourbillonnaire varie selon la répartition des flux en sortie, iii) l'intensité de l'impact de l'anneau tourbillonnaire varie également selon la répartition des flux en sortie.Deplano, V., et al (2013). New Insights into the understanding of flow dynamics in an in vitro model of abdominal aortic aneurysms. Medical Engineering and Physics, 35, 800-809.
Influence du comportement rhéofluidifiant du sang
La majorité des travaux (Didden 1979, Saffman 1995, Couch et al. 2011) entrepris sur les propriétés et la propagation d'un anneau tourbillonnaire a été réalisée dans le cadre de fluide Newtonien et dans des domaines infinis et rigides loin de la géométrie confinée, asymétrique et compliante d’un AAA. Ce n'est que très récemment que Stewart et al. 2012, ont étudié la dynamique d’anneaux tourbillonnaires dans un domaine fini en considérant un fluide newtonien, et que Palacios et al. 2013, ont étudié la formation de vortex dans le cadre d’un fluide rhéofluidifiant pour un domaine semi-infini.Toutefois, les conditions d'écoulement restent très éloignées d’un écoulement physiopathologique. L’influence d’un fluide rhéofluidifiant sur les caractéristiques et la propagation de l’anneau tourbillonnaire dans le sac anévrismal a donc été analysée à partir de la quantification de diverses quantités (vorticité, circulation, rayon de l’anneau tourbillonnaire, vitesse de propagation, suivi de particules, σ...)
Les résultats ont montré que i) la vitesse de propagation de l’anneau tourbillonnaire est plus lente pour un fluide rhéofluidifiant que pour un fluide newtonien, induisant une convection moins importante de l’anneau dans le sac anévrismal,
Cartographies de vorticité dans le plan antéro-postérieur médian de l'AAA - Phase de décélération. Représentation de la projection de l'anneau tourbillonnaire dans le plan considéré.
ii) contrairement au cas d’un fluide newtonien, l’anneau tourbillonnaire n’impacte pas en paroi distale pour un fluide rhéofluidifiant, iii) quel que soit l’instant considéré, les valeurs de Γ sont plus faibles pour un fluide rhéofluidifiant ; par suite, le rayon de l’anneau tourbillonnaire est plus grand pour un fluide rhéofluidifiant pendant plus de la moitié du cycle cardiaque, iv) les valeurs de la dérivée de γ sont globalement plus faibles pour un fluide rhéofluidifiant induisant des valeurs plus élevées de σ pour ce fluide , v) les localisations de concentration de particules sont dépendantes de la rhéologie du fluide.Deplano, et al., 2014. Flow of blood analogue fluid in a compliant abdominal aortic aneurysm model: experimental modelling. Journal of Biomechanics, 47(6) 1262-1269.
Analyse 3D
Etant donné la nature 3D d'un anneau tourbillonnaire, il est apparu important de mettre en œuvre une métrologie permettant de mesurer la 3ème composante de la vitesse pour plusieurs plans décrivant le volume de l'AAA (PIV 3C 3D ou stéréo PIV). Pour cela quelques adaptations ont été réalisées au niveau du montage expérimental autour du montage de 2 caméras positionnées pour imager la zone d'intérêt, qui permettent par recomposition d'avoir accès à la 3ème composante de la vitesse.
Vue de dessus du montage de stéréo PIV.
Les λci, qui sont des grandeurs objectives, permettent de ne retenir que les régions de vorticité ayant une rotation locale. L'animation ci dessous montre l'évolution de leur iso contour sur une cartographie de la vorticité du plan médian A.
Ainsi au-delà de la visualisation précédente et des analyses des projections de l'anneau tourbillonnaires dans différents plans, les mesures des trois composantes dela vitesse dasn différents plans du volume du sac anévrismal permettent d'avoir enfin une appproche quantifier de la propagation d'un anneau tourbillonnaire.
Deplano et al, 2016. 3D analysis of vortical structures in an abdominal aortic aneurysm by stereoscopic PIV, Experiments in Fluids, 57:167.