COMPOSITION DU JURY :

Carine GUIVIER-CURIEN (Maître de conférences), Aix-Marseille Université, Rapporteur

Francesco SIGNORELLI (Professeur Praticien Hospitalier), Université Aldo-Moro de Bari – Rapporteur

Xavier ARMOIRY (Professeur-Praticien Hospitalier), Université Claude Bernard Lyon 1, Examinateur

Hélène FOLLET (Chargée de recherche), INSERM, Examinatrice

Cyril PAILLER-MATTEI (Professeur), École Centrale de Lyon, Directeur de thèse

Hélène MAGOARIEC, (Maître de conférence), École Centrale de Lyon, Co-encadrante

Caractérisation mécanique des anévrismes intracrâniens : de l’artère fantôme au modèle animal

Résumé

Un anévrisme intracrânien est une pathologie vasculaire due à une déformation structurelle irréversible de la paroi d’une artère cérébrale. Leur prévalence dans la population mondiale est estimée entre 2 et 5%.

La majorité des anévrismes intracrâniens sont découverts lors de leur rupture.

Le risque annuel de rupture varie entre 1 et 4 %. La rupture, causant une hémorragie sous-arachnoïdienne (HSA), engendre un taux de mortalité de 30 à 40 %, et 20% des survivants auront des séquelles irréversibles. Pour toute ces raisons, ils représentent un problème majeur de santé publique. Les anévrismes et leur rupture sont la conséquence de la dégradation des propriétés mécaniques du tissu vasculaire.

À ce jour, il n’existe aucune méthode permettant d’évaluer le risque de rupture d’un anévrisme intracrânien en tenant compte des propriétés mécaniques in vivo de la paroi anévrismale. Ce travail contribue à fournir aux praticiens un outil quantitatif permettant d’évaluer le risque de rupture des anévrismes intracrâniens non rompus en s’appuyant sur les caractéristiques mécaniques de la paroi anévrismale in vivo.

Notre outil aura pour objectif de faire le lien entre forme de l’anévrisme (observée par imagerie clinique type IRM ou Scanner) et propriétés mécaniques patient-spécifiques de la paroi vasculaire. Pour cela, il est au préalable nécessaire de constituer une base de données permettant de réaliser une corrélation forme/propriétés mécaniques. Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur deux aspects : (1) le développement et la calibration sur fantômes artériels d’un dispositif original destiné à mesurer les propriétés mécaniques des
parois anévrismales, et (2) l’application in vivo du dispositif sur un modèle animal d’anévrisme intracrânien.

Ce prototype permet de déformer la paroi anévrismale de manière contrôlée et non destructive et de quantifier les déformations induites. La première étape de ce travail consiste à calibrer
le dispositif sur des artères fantômes. Ces modèles d’artères tentent de mimer les propriétés mécaniques des artères humaines et permettent de valider la précision et la reproductibilité des mesures de déformation. Un modèle numérique de l’expérimentation in vitro a été développé en parallèle de ce travail et validé par une méthode originale de comparaison des résultats numériques et expérimentaux.

Ce modèle éléments finis d’interaction fluide-structure a permis de borner les incertitudes liées à l’utilisation du dispositif dans l’anévrisme et a contribué au dimensionnement des artères fantômes. Le meilleur compromis entre l’épaisseur et la souplesse de la paroi des artères fantômes a été identifié, compte tenu des limites actuelles des techniques de fabrication. De plus, l’étude de facteurs déterminants dans le risque de rupture des anévrismes, notamment l’aspect ratio et les calcifications locales de la paroi anévrismale a été réalisée. Enfin, l’estimation des caractéristiques mécaniques de la paroi anévrismale in vivo a été testé sur un modèle d’anévrisme développé sur le lapin. Son application repose sur l’insertion du dispositif jusque dans l’anévrisme induit afin de quantifier la déformation engendrée par ce dernier et visualisée par scanner spectral à comptage photonique, technique d’imagerie médicale dont les
résolutions spatiale et temporelle permettent une sollicitation contrôlée de la paroi anévrismale. Un modèle prédictif sur les pressions appliquées par le dispositif sur la paroi anévrismale a également été développé afin de s’assurer de l’innocuité du dispositif.

Mots-clés : anévrisme intracrânien, caractérisation mécanique, artères fantômes, scanner spectral à comptage photonique, dispositif innovant, modèle animal, aide à la décision médicale.

Mechanical characterisation of intracranial aneurysms: from the phantom artery to the animal model

Abstract

An intracranial aneurysm is a vascular pathology caused by an irreversible structural deformation of the wall of a cerebral artery. Their prevalence in the world population is estimated at between 2 and 5%. Many intracranial aneurysms are discovered when they rupture. The annual risk of rupture varies between 1 and 4%. Rupture, causing subarachnoid hemorrhage (SAH), has a mortality rate of 30-40%, and 20% of survivors will have irreversible after-effects. For all these reasons, they represent a major public health problem. Aneurysms and their rupture are the result of degradation of the mechanical properties of vascular tissue.

To date, there is no method for assessing the risk of rupture of an intracranial aneurysm by considering the in vivo mechanical properties of the aneurysm wall. This work contributes to
providing practitioners with a quantitative tool for assessing the risk of rupture of unruptured intracranial aneurysms based on the in vivo mechanical characteristics of the aneurysm wall. The aim of our tool will be to establish the link between the shape of the aneurysm (observed by clinical imaging such as MRI or CT scan) and the patient-specific mechanical properties of the vascular wall.

To do this, it is first necessary to build up a database enabling a correlation to be made between shape and mechanical properties. In this context, this thesis focuses on two aspects: (1) the development and calibration on arterial phantoms of an original device designed to measure the mechanical properties of aneurysmal walls, and (2) the in vivo application of the device on an animal model of intracranial aneurysm. This prototype enables the aneurysm wall to be deformed in a controlled, non-destructive manner and the deformations induced to be quantified. The first stage of this work involves calibrating the device on phantom arteries. These artery models attempt to mimic the mechanical properties of human arteries and make it possible to validate the accuracy and reproducibility of the deformation measurements.

A numerical model of the in vitro experiment was developed in parallel with this work and validated using an original method of comparing numerical and experimental results. This finite element model of fluidstructure interaction made it possible to limit the uncertainties associated with the use of the device in the aneurysm and contributed to the design of the phantom arteries. The best compromise between the thickness and flexibility of the phantom artery wall was identified, given the current limitations of manufacturing techniques. In addition, a study of the determining factors in the risk of aneurysm rupture, in particular the aspect ratio and local calcifications of the aneurysm wall, was carried out. Finally, the estimation of the mechanical characteristics of the aneurysm wall in vivo was tested on a rabbit aneurysm model. Its application is based on the insertion of the device into the induced aneurysm to quantify the deformation generated by the latter and visualised by photon-counting spectral scanner, medical imaging technique whose spatial and temporal resolutions enable controlled stressing of the aneurysm wall.

A predictive model of the pressures applied by the device to the aneurysm wall was also developed to ensure the safety of the device.

Keywords: intracranial aneurysm, mechanical characterisation, phantom arteries, spectral photon
counting scanner, innovative device, animal model, medical decision support.