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Concevoir les stents de demain pour les cardiopathies congénitales - Par : Lina Gundelwein, Joaquim Miro, Fransisco Gonzalez Barlatay, Chantale Lapierre, Karl Rohr, Luc Duong,

Concevoir les stents de demain pour les cardiopathies congénitales


Lina Gundelwein
Lina Gundelwein Profil de l'auteur(e)
Lina Gundelwein est programmeuse dans le domaine du traitement d’images médicales chez 1000shapes, en Allemagne. Étudiante à l’Université de Heidelberg, elle a effectué son projet de maîtrise dans le Département de génie logiciel à l’ÉTS.

Joaquim Miro
Joaquim Miro est pédiatre-cardiologue au CHU Sainte-Justine et coresponsable des missions Sainte-Justine au cœur du monde.

Fransisco Gonzalez Barlatay
Fransisco Gonzalez Barlatay Profil de l'auteur(e)
Fransisco Gonzalez Barlatay était stagiaire postdoctoral en cardiologie pédiatrique au CHU de Sainte-Justine et travaille maintenant au Bristol Royal Hospital for Children, en Angleterre.

Chantale Lapierre
Chantale Lapierre Profil de l'auteur(e)
Chantale Lapierre est radiologue au CHU Sainte-Justine

Karl Rohr
Karl Rohr est chef du Biomedical Computer Vision Group à l’Université de Heidelberg. Ses intérêts de recherche portent sur l'analyse d'images biologiques et médicales.

Luc Duong
Luc Duong est professeur au Département de génie logiciel et des TI à l’ÉTS, et chercheur au Centre de Recherche du CHU. Ses recherches touchent l’imagerie médicale, la vision artificielle, les algorithmes et l’intelligence artificielle.

endoprothèse

L’image d’en-tête a été achetée sur Istock.com et est protégée par des droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

Pour faciliter la planification de l'endoprothèse en cas de sténose artérielle pulmonaire grave, une simulation numérique de la dynamique des fluides est effectuée sur des géométries spécifiques du patient avec deux endoprothèses différentes. En comparant les paramètres hémodynamiques simulés, soit la pression et le cisaillement des parois, on évalue la pertinence des structures de l'endoprothèse testée.

La sténose de l’artère pulmonaire

Les cardiopathies congénitales touchent 1 % des naissances. Grâce aux percées technologiques dans le domaine, près de 90 % des enfants atteints de cardiopathies congénitales  parviendront à l’âge adulte, alors qu’ils n’étaient que 20 % à le faire  il y a plus de 60 ans. L’une de ces cardiopathies, la sténose de l’artère pulmonaire, doit être traitée dans certains cas graves par cathétérisme.  L’intervention consiste à dilater la paroi affectée à l’aide d’un ballon et dans certains cas, d’apposer un stent pour conserver la structure de l’artère. Cette intervention est réalisée en naviguant à partir de deux vues radiographiques. Bien que la pose d’un stent requière une bonne évaluation du diamètre et de la longueur de la lésion, la visualisation de la sténose est parfois difficile, étant donné la complexité des artères pulmonaires.

Simulation à partir de la géométrie du patient

Cette étude vise, en premier lieu, à déterminer la géométrie personnalisée des artères pulmonaires du patient. Cette géométrie est extraite de l’imagerie préopératoire acquise en tomodensitométrie (CT) ou en imagerie par résonance magnétique (IRM).  En deuxième lieu, notre étude permet d’optimiser les dimensions et le positionnement du stent, en se basant sur la dynamique des fluides, simulée à partir de l’imagerie préopératoire. Finalement, le modèle de simulation biomécanique incorpore la pulsatilité des artères et la simulation de la dynamique des fluides dans le vaisseau. Pour ce faire, nous avons utilisé des données rétrospectives de 16 patients, dont les données de pression acquises in vivo.  La ligne centrale et la géométrie des artères sont extraites du volume de données IRM et CT (Figure 1). Deux types de stent ont été modélisés : un stent classique et un stent en Y.

Un logiciel a été développé pour résoudre les équations de Navier – Stokes et les équations d’élasticité linéaire de Cauchy à l’aide de la méthode des éléments finis stabilisés. Un solveur linéaire avec prédimensionnement basé sur la résistance est utilisé. Le sang est traité comme un fluide newtonien à viscosité constante. Notre modèle se distingue par la possibilité de simuler non seulement la géométrie particulière du patient, mais aussi l’effet du flot sur cette géométrie, sous l’influence du mouvement pulsatile. Nous avons validé ce mouvement à l’aide de données de la littérature, ainsi que des observations sur les angiographies. La représentation de ce mouvement pourrait être la pierre angulaire vers une meilleure compréhension des interventions par stent et également mener à une conception réellement adaptée à l’anatomie du patient.

Modélisation de l’artère d’un patient

Figure 1 Étapes de modélisation de l’artère pulmonaire.

Comparaison des données simulées aux données réelles

La figure 2 illustre les résultats de la différence du gradient de pression et de la différence de contrainte de cisaillement au niveau de la paroi artérielle pour les deux endoprothèses, montrant ainsi l’effet de l’endoprothèse sur les paramètres hémodynamiques. Les contraintes de pression et de cisaillement ont été simulées parce que le gradient de pression et les contraintes de cisaillement sur les parois sont de bons indicateurs de la gravité de la sténose. La simulation de la pression est illustrée dans les vidéos ci-jointes. La simulation du patient correspond à l’observation clinique. Pour les patients P4, P7 et P8, aucune diminution du gradient n’est observée, comme prévu par la simulation. P14 avait déjà un gradient de pression de zéro avant la procédure.

Évaluation de la gravité de la sténose

Figure 2 (a) Différence entre le gradient de pression et la contrainte de cisaillement aux parois de l’artère pour un stent classique (b) avec un stent en Y

 

Vidéo 1 Simulation d’un stent classique 

Vidéo 2 Simulation d’un stent en Y

 Conclusion

L’utilisation de l’imagerie préopératoire CT et IRM pour la mise en place de stents permettra un jour d’assister les cliniciens et d’évaluer les sténoses pulmonaires avant même l’intervention. Couplée à des outils de simulation, elle mènera à une meilleure compréhension des sténoses, grâce à l’imagerie, une meilleure planification pré-intervention et finalement à améliorer les soins aux patients.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article suivant : Gundelwein L, Miró J, Barlatay FG, Lapierre C, Rohr K, Duong L. (2018). « Personalized stent design for congenital heart defects using pulsatile blood flow simulations ». J Biomech. Vol 81. pp. 68-75.

Lina Gundelwein

Profil de l'auteur(e)

Lina Gundelwein est programmeuse dans le domaine du traitement d’images médicales chez 1000shapes, en Allemagne. Étudiante à l’Université de Heidelberg, elle a effectué son projet de maîtrise dans le Département de génie logiciel à l’ÉTS.

Programme : Génie logiciel  Génie des technologies de l'information 

Laboratoires de recherche : LIVE – Laboratoire d'imagerie interventionnelle 

Profil de l'auteur(e)

Joaquim Miro

Profil de l'auteur(e)

Joaquim Miro est pédiatre-cardiologue au CHU Sainte-Justine et coresponsable des missions Sainte-Justine au cœur du monde.

Profil de l'auteur(e)

Fransisco Gonzalez Barlatay

Profil de l'auteur(e)

Fransisco Gonzalez Barlatay était stagiaire postdoctoral en cardiologie pédiatrique au CHU de Sainte-Justine et travaille maintenant au Bristol Royal Hospital for Children, en Angleterre.

Profil de l'auteur(e)

Chantale Lapierre

Profil de l'auteur(e)

Chantale Lapierre est radiologue au CHU Sainte-Justine

Profil de l'auteur(e)

Karl Rohr

Profil de l'auteur(e)

Karl Rohr est chef du Biomedical Computer Vision Group à l’Université de Heidelberg. Ses intérêts de recherche portent sur l'analyse d'images biologiques et médicales.

Profil de l'auteur(e)

Luc Duong

Profil de l'auteur(e)

Luc Duong est professeur au Département de génie logiciel et des TI à l’ÉTS, et chercheur au Centre de Recherche du CHU. Ses recherches touchent l’imagerie médicale, la vision artificielle, les algorithmes et l’intelligence artificielle.

Programme : Génie logiciel  Génie des technologies de l'information 

Laboratoires de recherche : LIVE – Laboratoire d'imagerie interventionnelle 

Profil de l'auteur(e)


Laboratoires de recherche :

LIVE – Laboratoire d'imagerie interventionnelle 

Domaines d'expertise :

Imagerie médicale 

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