Ces modèles artériels ont été créés à partir d'un scan spécifique au patient. Le modèle de gauche est le « maillage » fondamental requis pour diviser l'artère en plusieurs morceaux afin de modéliser les contraintes à l'intérieur. La figure de droite modélise la façon dont une propriété matérielle se propage à travers l'artère dans une seule direction. Crédit :Université Duke
Les scientifiques de l'Université Duke travaillent à modéliser avec précision les incertitudes dans le comportement mécanique des parois artérielles humaines. En soutenant les développements théoriques de l'ingénierie tissulaire, la recherche pourrait éventuellement étayer des simulations spécifiques aux patients pour aider les médecins à développer des techniques non invasives pour un diagnostic précoce et à identifier les pièges potentiels avant d'effectuer des procédures médicales.
Le travail a attiré l'attention internationale, avec Brian Staber, un ancien Ph.D. élève de Johann Guilleminot, professeur assistant de génie civil et environnemental à Duke, remportant deux prix pour sa thèse sur le sujet. En avril 2019, Staber a d'abord remporté le prix de thèse de la Computational Structural Mechanics Association, basée en France. Cinq mois plus tard, Staber a accepté le doctorat de la Communauté européenne sur les méthodes de calcul en sciences appliquées (ECCOMAS). Prix, décerné pour la meilleure thèse présentée en Europe dans le domaine.
« Il existe une grande variabilité dans les tissus artificiels que nous fabriquons ainsi que dans le corps humain, " dit Guilleminot. " Vaisseaux vasculaires machinés, par exemple, présentent généralement une variabilité importante due à des conditions de développement complexes, et les parois artérielles sont essentiellement biologiques, matériaux composites stratifiés qui ont des propriétés structurelles différentes selon, par exemple, le genre, l'âge ou le niveau d'activité de leur propriétaire.
"Nous essayons de créer des jumeaux numériques qui tiennent compte avec précision de ces variabilités et prédisent efficacement comment elles vont atténuer et se propager aux quantités d'intérêt, ", a-t-il ajouté. "Comprendre comment ces deux parties vont s'interfacer et fonctionner dans des conditions extrêmes au sein d'une construction vasculaire représente un défi de taille."
L'astuce consiste à créer des modèles informatiques qui peuvent être utilisés pour explorer des scénarios virtuels de manière optimale.
Les deux artères codées par couleur sur la gauche montrent comment une propriété mécanique de la paroi artérielle est distribuée dans toute la structure compte tenu de différentes hypothèses de base. La section à droite est une moyenne de nombreux modèles différents et, les chercheurs espèrent, est proche de la façon dont la propriété mécanique est réellement distribuée dans toute l'artère. Crédit :Université Duke
« Nous combinons des modèles mathématiques avec des techniques de simulation avancées pour créer une gamme de scénarios sur la façon dont une greffe va se comporter, sur la base de cette variabilité, " a déclaré Guilleminot. " Et nous essayons de le faire en définissant les coefficients dans les équations directrices d'une manière qui reflète la réalité physique pour les groupes de patients. "
Les modèles développés dans le groupe de Guilleminot tentent de recréer comment une variété de propriétés mécaniques en un point affectent ces mêmes propriétés aux points voisins et sur toute la ligne dans toute la structure. Et pour compliquer les choses, ces structures se courbent, volumes légèrement bosselés qui ressemblent à la tentative d'un enfant de la maternelle à une sculpture en argile.
Les algorithmes développés modélisent les subtilités de ces formes irrégulières tout en permettant aux utilisateurs d'ajuster indépendamment dans quelle mesure les propriétés physiques de chaque point affectent ses voisins dans chaque dimension. En jouant sur la force de ces corrélations dimensionnelles et les effets des déformations induites, ils peuvent correspondre à des mesures expérimentales dans un certain sens statistique.
"Nous avons créé beaucoup de flexibilité dans la modélisation de comportements très complexes sur des formes très compliquées, " dit Guilleminot.
Les chercheurs sont actuellement en train de voir à quel point leurs modèles fonctionnent bien. En comparant les résultats de leurs modèles avec ceux obtenus à partir d'expériences physiques, Guilleminot et son équipe de Duke espèrent démontrer que leurs modèles et algorithmes tiennent suffisamment compte de toutes ces complications pour prédire avec précision la fiabilité mécanique des greffes vasculaires.
