Prix IBM Research - Malossi Adelmo Cristiano Innocenza

"Pour avoir développé une méthode multi échelle originale et très efficace pour la modélisation du système cardiovasculaire humain et pour son travail de validation sur plusieurs cas d'intérêt clinique".

Résumé: Cette thèse de doctorat a pour but de développer un modèle géométrique multi-échelles pour la simulation du système cardio-vasculaire humain, aussi bien au niveau physiologique que pathologique.
Plus précisément, l’objectif est de concevoir des algorithmes numériques qui permettent de coupler implicitement des géométries à différentes échelles et donc hétérogènes. L’intérêt pour cette méthode résulte du fait que l’étude des dynamiques du système cardio-vasculaire ne peut pas être séparée de l’analyse de l’interaction entre les différentes composantes qui le constituent. En d’autres termes, des simulations numériques ayant pour objet l’étude d’une composante isolée ne sont pas en mesure de prédire efficacement l’état physiologique ou pathologique du patient, parce qu’elles ne tiennent pas compte de l’influence que les autres parties du système ont sur la composante en cours d’examen.
Dans cette perspective, le modèle géométrique multi-échelles se révèle particulièrement utile pour déterminer, d’une façon automatique et efficace, les conditions au bord du problème, même en l’absence de données cliniques. De plus, il permet d’étudier l’interaction entre les changements locaux (dus, par exemple, à une maladie ou une intervention chirurgicale) et les dynamiques du système.
Les algorithmes et les méthodes numériques pour la résolution de modèles multi-échelle de type géométrique ont été développés à partir d’une configuration générique abstraite, dans laquelle les équations de chaque sous-problème (équations différentielles aux dérivées partielles, équations algébriques, etc.) et la relative approximation numérique (éléments finis, différences finies, etc.) sont cachés derrière des opérateurs génériques. Les modèles d’échelles (tridimensionnel, unidimensionnel,
etc) et types différents (équations de Navier–Stokes, interaction fluide-structure, etc.) sont couplés en écrivant les équations à l’interface en termes de quantités scalaires, comme par exemple, aire, débit et effort normal moyen. Le résultat est un système flexible dans lequel les différents modèles sont traités et couplés indépendamment de leurs caractéristiques géométriques ou mathématiques, de telle façon que (i) la disposition des compartiments dans le réseau puisse être facilement manipulée, offrant ainsi un haut niveau de personnalisation dans la conception et l’optimisation du modèle global, (ii) la parallélisation de la solution des différents compartiments soit simple, conduisant à la possibilité d’utiliser des systèmes de calcul de dernière génération à haute performance, et (iii) de nouveaux modèles puissent être facilement ajoutés et reliés à ceux déjà existants.
La méthodologie et les algorithmes conçus tout au long de cette thèse ont été testés sur plusieurs applications, qui vont de tests simples à réseaux cardio-vasculaires complexes. En outre, deux cas d’intérêt clinique ont été abordés : la simulation du ventricule gauche d’un patient atteint d’infarctus du myocarde et l’étude de la position optimale de l’anastomose de la canule d’un dispositif d’assistance ventriculaire.

Texte Intégral: Partitioned Solution of Geometrical Multiscale Problems for the Cardiovascular System: Models, Algorithms, and Applications