Simulations numériques prédictives et personnalisées des interventions endovasculaires – ENDOSIM

Le protocole d'étude a été approuvé par le comité de protection de la personne. Le consentement éclairé du patient a été obtenu pour être enregistré anonymement dans la base de données. Les études de cas sur lesquelles nous nous sommes concentrées étaient des patients qui ont subi une procédure EVAR dans le département de chirurgie vasculaire à l'Hôpital de l'Université de Rennes, France. Les données disponibles étaient l'angiographie CT préopératoires composées de 1 117 coupes (épaisseur 0,75 mm, taille de pixel de 0,75 mm x 0,75 mm). Conformément à la pratique clinique courante, les données ont d'abord été traités par le logiciel ENDOSIZE® (Therenva, Rennes, France) afin d'en extraire une segmentation de la lumière vasculaire, les lignes médianes des vaisseaux sanguins, et les valeurs de densité de la paroi vasculaire à des fins de classification des tissus (paroi saine, calcifications). Ensuite, une géométrie analytique de la lumière et un maillage surfacique triangulaire ont été obtenus. La structure vasculaire comprend 8796 noeuds et 17532 éléments coque triangulaires, dont la taille caractéristique varie entre environ 1 et 3 mm. Dans une première approche, même s'il est maintenant connu qu'une paroi aortique anévrismale saine peut avoir un comportement anisotrope, nous avons choisi de modéliser le comportement de la paroi artérielle en utilisant un modèle hyperélastique isotrope de type polynôme. Les simulations ont été effectuées en utilisant ANSYS LS-DYNA Explicit 15,0 (Ansys, Canonsburg, Pennsylvanie, USA) sur une station de travail Dell Precision T7600 équipé d'un 8-core Intel Xeon E5-2687w (3.4 GHz). Le processus de simulation est un processus en deux étapes. La première étape consiste à précontraindre la structure vasculaire par application de la pression artérielle; la deuxième étape correspond à la simulation de l'insertion des outils endovasculaires.

Les premiers résultats de ce projet ont été publiés récemment (Gindre et al, 2015, Perrin et al, 2015). Ce fut la première fois à notre connaissance que les simulations numériques spécifiques au patient des interventions EVAR ont été faites sur plusieurs cas cliniques et validés sur la bases de scans peropératoires et postopératoires. Un autre point de ce travail original est que la plupart des modèles numériques est maintenant reconstituées automatiquement dans le logiciel de ENDOSIZE®, permettant une application facile sur un grand nombre d'autres cas cliniques à l'avenir à court terme.

Nous avons développé une méthode de simulation complète basée sur la méthode des éléments finis afin de prédire in silico l'issue des différentes étapes d'une intervention EVAR. Le potentiel de la méthode a été montré sur différents cas cliniques, mettant en évidence la très bonne capacité prédictive des déformations induites par les guides rigides lors de l'intervention de EVAR et du déploiement des endoprothèses après l'intervention de EVAR. Ces résultats soulignent les avantages de simulations patients spécifiques à base de la méthode des éléments finis pour aider les médecins dans leur choix de dispositifs optimaux dans les interventions EVAR.
Le développement d'une interface graphique dans le logiciel de ENDOSIZE® permettra bientôt de populariser ces simulations patients spécifiques pour les interventions EVAR et par conséquent d'étendre la validation sur un grand nombre de cas cliniques.

1. Finite element simulation of the insertion of guidewires during an EVAR procedure: example of a complex patient case, a first step toward patient-specific parameterized models. Juliette Gindre, Aline Bel-Brunon, Adrien Kaladji, Aurélien Duménil, Michel Rochette , Antoine Lucas, Pascal Haigron , Alain Combescure, international Journal of numerical methods in biomedical engineering
2. Patient-specific numerical simulation of stent-graft deployment: validation on three clinical cases, D Perrin, P Badel, L Orgéas, C Geindreau, A Dumenil, JN Albertini, S Avril, Journal of biomechanics
3. Deployment of stent grafts in curved aneurysmal arteries: toward a predictive numerical tool, D Perrin, N Demanget, P Badel, S Avril, L Orgéas, C Geindreau, International journal for numerical methods in biomedical engineering 31
4. Digital Simulation of the Delivery of Stentgrafts: Towards a Clinical Application, D Perrin, P Badel, S Avril, L Orgeas, C Geindreau, JN Albertini, JP Favre, Annals of Vascular Surgery 28 (6), 1364
5. Can finite element analysis predict endograft behavior and help physicians in the choice of the optimal device? Pierre Badel, David Perrin, Juliette Gindre, Aurélien Duménil,Victor Acosta, Marie Rebouah, Michel Rochette, Aline Bel-Brunon, Adrien Kaladji, Antoine Lucas, Pascal Haigron, Alain Combescure, Stephan Haulon, Cemil Goksu, Jean-Pierre Favre2, Jean-Noël Albertini, Stéphane Avril, European Symposium for VAscular Biomaterials, GEPROVAS 2015

ENDOSIM est un projet de recherche qui s'inscrit dans le domaine de la modélisation prédictive et des gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur (GMCAO) avec pour champs d'application le traitement des anévrysmes et des sténoses valvulaires aortiques.

Dans un précédent projet ANR TecSan (ANGIOVISION, terminé en février 2013), les partenaires du projet ENDOSIM ont développé une assistance opératoire par angio-navigation augmentée dans le cadre du traitement des anévrysmes de l’aorte abdominale (AAA) en démontrant sur plus de 20 patients la précision des simulations personnalisées.

Tout en capitalisant les retombées de ces résultats, nous souhaitons passer à une nouvelle phase et traiter la question de la planification prédictive de procédures endovasculaires complexes, notamment les suivantes :
- la pose d’endoprothèses fenêtrées et multi-branches pour le traitement des anévrysmes abdominaux et thoraco-abdominaux,
- et la pose de valves cardiaques par voie endovasculaire pour le traitement de la sténose de la valve aortique.

ENDOSIM vise à développer le premier logiciel de planification endovasculaire prédictif, ce qui permettra d'optimiser la planification pré-opératoire et de sécuriser la navigation per-opératoire, en quatre points :
1. estimation de la navigabilité des outils à partir des données patients ;
2. fiabilisation du sizing des dispositifs ;
3. prédiction du positionnement du dispositif en pré-opératoire et visualisation en per-opératoire ;
4. aide à la décision pour l’indication des patients et la sélection des dispositifs.

Afin d'atteindre ces objectifs la solution originale envisagée dans le projet ENDOSIM s'appuie sur l'utilisation conjointe de techniques de traitement d’images et de techniques de simulations numériques biomécaniques prédictives et patient-spécifiques.

Les avancées scientifiques sont essentiellement la simulation prédictive précise spécifique au patient de la montée et du déploiement de dispositifs endovasculaires à partir de données issues de l'examen d'imagerie pré-opératoire et vérifiée à l’aide de données per- et post-opératoires sur un groupe de patients présentant un anévrysme ou une sténose valvulaire aortique. La prédiction des risques d’échec de la procédure est complètement originale.

Les simulations numériques mises en œuvre seront systématiquement fiabilisées et validées sur la base de données obtenues sur des patients grâce aux équipements d'imagerie multi-incidence per-opératoire de la plateforme TherA-Image .

Sur le plan industriel, ENDOSIM permettra à Therenva® (leader français des logiciels de chirurgie endovasculaire) de mettre sur le marché le premier logiciel de planification endovasculaire prédictif, complété également par un système de visualisation pour l’assistance per-opératoire. D’un point de vue clinique, ces outils permettront de sécuriser les scénarii interventionnels et d’éviter la majorité des complications per-opératoires et des ré-interventions secondaires. Cela devrait permettre de traiter un plus grand nombre de patients par voie endovasculaire et ainsi permettre de tirer profit au mieux pour la santé des patients de ces procédures mini-invasives.

Le partenariat étroit avec Ansys® (leader mondial de la simulation numérique) favorisera une large adoption des logiciels de Therenva® par les sociétés de matériels endovasculaires dans un premier temps et par la communauté clinique mondiale dans un deuxième temps.