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

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).