Personalized pulmonary mechanics : modeling, estimation and application to pulmonary fibrosis

Mécanique pulmonaire personnalisée : modélisation, estimation et application à la fibrose pulmonaire Les poumons réalisent leur fonction vitale d'échanges gazeux grâce notamment à leur élasticité et leur porosité. La fibrose pulmonaire idiopathique (FPI), une maladie pulmonaire interstitielle, impacte fortement la mécanique pulmonaire, soulevant des problématiques cliniques. L'objectif de ce travail est d'améliorer la compréhension et le diagnostic de la FPI en s'appuyant sur une modélisation poromécanique du poumon, personnalisée grâce à des données d'imagerie médicale. Dans une première partie, une analyse bibliographique fait l'état de l'art de la physiologie pulmonaire en relation avec les modélisations mécaniques existantes, en insistant sur les caractères multiéchelle, multiphasique et multiphysique de l'organe. Nous proposons ensuite un modèle poromécanique du poumon à l'échelle spatiale de l'organe et à l'échelle temporelle de la respiration, dérivé d'une théorie générale de poromécanique récemment formulée dans l'équipe MΞDISIM. La loi de comportement proposée reproduit notamment le comportement pression-volume du poumon ainsi que la quasi-incompressiblité de la phase solide. Les conditions aux limites prennent en compte l'environnement du poumon (cage thoracique, diaphragme, plèvre) et distinguent les cas de la respiration libre vs ventilée. La configuration déchargée, non observée au cours d'un cycle respiratoire, est estimée, avec une attention particulière apportée pour contraindre la positivité de la porosité. Plusieurs éléments du modèle sont ensuite personnalisés à partir de données cliniques standards, i.e., deux images 3DCT prises en début et en fin d'inspiration. Un problème inverse est notamment formulé pour estimer la compliance pulmonaire en zones saines et fibrosées, la formulation poromécanique permettant de distinguer l’effet de la porosité de celui de la compliance du tissu interstitiel. Appliqué sur trois patients atteints de FPI, le modèle personnalisé permet de retrouver les propriétés pressenties de la FPI, i.e., la rigidification des zones malades. Des surcontraintes sont aussi observées en bordure de la région malade, corroborant ainsi l'hypothèse d'un cercle vicieux mécanique régissant l'évolution de la FPI, où la fibrose entraînerait des contraintes importantes, qui à leur tour favoriseraient la fibrose. Cet outil numérique pourrait servir par la suite au diagnostic objectif et quantitatif de la FPI et, avec des données longitudinales, à l'étude de son remodelage induit par la mécanique.