Biomécanique Computationnelle Pulmonaire: Modélisation Multi-échelle et Estimation – LungManyScale

Le projet utilise un cadre poromécanique quasi-statique basé sur la théorie macroscopique de Biot, adapté aux grandes déformations, modélisant le poumon comme un milieu biphasique (solide/air). La recherche est structurée en deux Work Packages (WP1 et WP2).

WP1 : Modélisation Multi-échelle de la Poromécanique Pulmonaire.

Ce WP développe la modélisation couplée à travers plusieurs échelles, de l'alvéole à l'organe. L'objectif est notamment de combler le fossé entre les réponses mécaniques mesurées aux échelles tissulaire et organique.

WP2 : Outils de Diagnostic & Pronostic pour la FPI.

Ce WP utilise le modèle multi-échelle en interaction étroite avec des données cliniques, notamment des images CT thoraciques (inspiration/expiration).

L'estimation des paramètres microscopiques (ex: rigidité) et des états (ex: contrainte) est réalisée par la résolution d'un problème inverse.

Les travaux issus du projet ont permis de développer le modèle, aboutissant à plusieurs résultats clés.

Personnalisation et Compliance Régionale : Un modèle poromécanique du poumon a été développé, qui peut être personnalisé en utilisant des images CT cliniques pour estimer la compliance pulmonaire régionale chez des patients FPI et COVID-19.

L'estimation des paramètres régionaux de rigidité est cohérente avec la connaissance actuelle de la maladie, montrant que la région fibrosée est significativement plus rigide que la région saine. Pour améliorer la robustesse, une nouvelle paramétrisation pour le problème inverse a été introduite, permettant l'estimation d'une pression pleurale personnalisée en plus des paramètres matériaux.

Modélisation Micro-poro-mécanique: Un cadre micro-poro-mécanique général en grandes déformations, incluant la tension superficielle, a été développé pour le parenchyme pulmonaire.

Ce modèle, qui fournit une fondation micromécanique aux modèles macroscopiques, permet d'étudier l'influence des caractéristiques microscopiques (morphologie et rigidité des parois alvéolaires) sur la réponse macroscopique. Il a notamment reproduit l'hystérésis de la réponse pression-volume en modélisant une tension superficielle dépendante de la surface.

Intégration de la Gravité : L'intégration de la gravité dans le modèle macroscopique, souvent négligée, a été réalisée en proposant de nouvelles conditions aux limites de pression pleurale hétérogènes pour maintenir l'équilibre global.

Les résultats confirment que la gravité influence la réponse pulmonaire, induisant des hétérogénéités de déformation et de contrainte compatibles avec les données in vivo.

Avancées Méthodologiques : Le pipeline de personnalisation a été automatisé.

Des travaux ont porté sur l'amélioration des méthodes d'estimation, incluant une nouvelle formulation de la méthode de l'écart d'équilibre (EGM) en grandes déformations pour l'identification directe de paramètres.

Enfin, un pipeline d'incertitude inverse a été établi pour quantifier la robustesse de l'estimation des paramètres clés (rigidité et pression pleurale) face au bruit et aux erreurs de modèle, ce qui est essentiel pour la fiabilité des jumeaux numériques.

Les perspectives du projet visent à transformer le modèle en un véritable jumeau numérique clinique fiable.

Au niveau du modèle lui-même, améliorer la description des écoulements d'air et de sang, des échanges gazeux; introduire l'échelle de temps du remodelage et les mécanismes associés.

Au niveau du calcul, développer une méthode de réduction de modèle pour pouvoir personnaliser et évaluer le modèle en temps-réel dans le cadre clinique.

Impact Clinique à Long Terme : Le modèle de pronostic sera appliqué à des données longitudinales pour étudier l'évolution de la maladie et l'impact mécanique des médicaments, permettant une quantification statistique du rôle de la mécanique dans la progression de la FPI.

Le modèle va aussi être appliqué à d'autres maladies, notamment les maladies pulmonaires vasculaires, notamment l'hypertension artérielle pulmonaire.

Les poumons sont les principaux organes du système respiratoire chez l'homme et chez de nombreux animaux. Ils sont responsables des échanges gazeux entre l'air et le sang par le biais d'une ventilation mécanique. Ils possèdent une architecture extraordinairement complexe, avec la structure fractale de l'arbre bronchique et des vaisseaux sanguins, et la structure hiérarchique du parenchyme. La biomécanique pulmonaire a été largement étudiée, jetant ainsi les bases de notre compréhension actuelle de la relation entre le comportement mécanique et la fonction des poumons. Cependant, de nombreuses questions demeurent, notamment dans le couplage complexe entre les multiples constituants, et entre les nombreux phénomènes se produisant à différentes échelles spatiales et temporelles. Par exemple, même pour les poumons sains, il n’existe pas de modèle quantitatif permettant de relier les réponses mécaniques expérimentales au niveau des tissus et de l'organe.

Ces questions fondamentales représentent de véritables défis cliniques, les maladies pulmonaires étant un fardeau de santé important. Les pneumopathies interstitielles (PI), par exemple, affectent plusieurs millions de personnes dans le monde. La fibrose pulmonaire idiopathique (FPI), notamment, une forme progressive de PI dans laquelle certains septa alvéolaires s'épaississent et se rigidifient tandis que d'autres sont complètement détruits, reste mal comprise, mal diagnostiquée et mal traitée, avec un taux de survie médian inférieur à 5 ans. L'hypothèse d'un cercle vicieux mécanique en place dans le parenchyme des patients atteints de FPI a cependant été émise, où la fibrose et les lésions induisent des contraintes importantes, qui à leur tour favorisent la fibrose.

L'objectif général de ce projet est double: (i) scientifiquement, mieux comprendre la mécanique du parenchyme pulmonaire, de l'échelle alvéolaire à l'organe; (ii) sur le plan clinique, améliorer le diagnostic et le pronostic des patients atteints de FPI grâce à la modélisation numérique personnalisée. Plus précisément, je propose de développer un modèle multi-échelle de la biomécanique parenchymateuse, à toutes les échelles spatiales pertinentes de l'alvéole à l'organe, et aux échelles temporelles du cycle de la respiration et du processus de fibrose. Les différentes représentations aux échelles spatiales successives seront reliées par une stratégie d’homogénéisation numérique non linéaire avec réduction de modèle a priori basée sur un réseau de neurones. Le modèle intégrera les données expérimentales produites par les Drs. Bel-Brunon et Trunfio-Sfarghiu du LaMCoS (INSA-Lyon), soit 30 images de microtomographie à l'échelle alvéolaire, plus 10 tests de gonflage de lobules: des microstructures seront extraites et analysées à partir des images, et des paramètres du modèle seront estimés à partir de essais mécaniques. Le modèle intégrera également les données cliniques-radiologiques fournies par les Profs. Nunes et Brillet de l’hôpital APHP Avicenne, c’est-à-dire des explorations fonctionnelles respiratoires et des images CT thoraciques sur 10 patients atteints de FPI plus 5 contrôles aux fonctions pulmonaires saines: un pipeline pour estimer les paramètres de modélisation observables à partir des données cliniques sera mis en place, et des valeurs génériques seront définies pour les paramètres restants. Le modèle et la procédure d'estimation représenteront des outils de diagnostic et de pronostic augmentés pour les cliniciens.

Le projet sera coordonné par Dr. Genet, actuellement Maître de Conférence au Département de Mécanique de l'École Polytechnique, et chercheur au sein de l'équipe M?DISIM (INRIA/École Polytechnique/CNRS). Tout au long du projet, il sera assisté par les Drs. Chapelle et Moireau (INRIA), et entretiendra de solides collaborations scientifiques avec le LaMCoS (INSA-Lyon) et Télécom-SudParis, et cliniques avec l'hôpital APHP d'Avicenne et le laboratoire Hypoxie & Poumon (Université Paris XIII/INSERM).