Proposition de sujet de thèse: Modélisation poro-mécanique multi-échelle du poumon, de la respiration au remodelage chronique associé à la fibrose pulmonaire
Contexte La fibrose pulmonaire idiopathique (FPI) est une maladie chronique du poumon au pronostic très sévère [1]. À l’échelle alvéolaire, au cours du développement de la maladie les alvéoles pulmonaires fusionnent par destruction de l’interstitium (la paroi inter-alvéolaire) [1]. Et physiologiquement, la maladie se traduit par un volume pulmonaire accru, mais une altération forte de la fonction respiratoire avec perte d’efficacité des échanges gazeux [1]. Même si positivement corrélée à des facteurs tels l’hérédité ou le tabagisme, la cause directe de la maladie est largement inconnue (d’où le qualificatif « idiopathique ») [1]. De même, la voie de progression est loin d’être quantitativement comprise ; cependant, le rôle régulateur de la mécanique semble prépondérant : il a récemment été postulé que dans le poumons sain les fibres de collagènes sont lâchement enchevêtrées et représentent un fusible mécanique pour les fibroblastes (les cellules qui synthétisent le collagène) ; au contraire dans le poumon fibreux la matrice de collagène est plus dense et tendue et les fibroblastes sont alors davantage sollicités, entraînant une spirale pathologique [2].
Objectifs L’objectif général de la thèse est de développer une modélisation fine du poumon au cours de la respiration et du remodelage chronique associé à la fibrose pulmonaire, ainsi qu’une méthode d’assimilation de données dédiée au modèle et aux données cliniques (typiquement, des images). Le modèle servira de cadre pour formuler quantitativement les hypothèses existantes (et éventuellement de nouvelles hypothèses) sur le développement de la maladie. Augmenté des données, il représentera un outil de diagnostic objectif et quantitatif pour la fibrose pulmonaire. Sur le plus long terme, il pourrait servir de base à un outil d’optimisation de traitement personnalisé. Le travail se situera dans la continuité des travaux de l’équipe MΞDISIM, notamment sur la poro-mécanique [3] et sur l’assimilation de données [4]; il ouvrira également un nouvel axe de recherche sur la modélisation microscopique du comportement passif des tissus mous, complémentaire du travail sur le comportement actif [5]. Plus précisément, le travail s’organisera autour des trois axes suivants:
(A1) Adaptation du modèle poro-mécanique macroscopique existant [3] au cas du poumon, et mise en place d’une stratégie d’assimilation de données dédiée au modèle et aux données cliniques (images, mesures de pression).
(A2) Développement d’un modèle poro-mécanique « microscopique » (échelle des alvéoles pulmonaires), ainsi que d’un pont micro-macro d’homogénéisation avec le modèle « macroscopique » (échelle du poumon) proposé en (A1).
(A3) Introduction dans le modèle microscopique des mécanismes de remodelage chronique associés à la fibrose pulmonaire, et étude de l’influence sur le comportement à l’échelle de l’organe (la respiration).
Profil du candidat Le/La candidat/e devra maîtriser la mécanique des milieux continus, avec si possible des connaissances en grandes transformations, en biomécanique, et en méthodes numériques. Il/Elle aura également un intérêt pour l’application en pneumologie, notamment pour l’interaction avec les collaborateurs cliniques.
Cadre de travail La thèse se déroulera dans le cadre de l’équipe MΞDISIM (commune au Laboratoire de Mécanique des Solides de l’École Polytechnique & Inria), sur le campus de l’École Polytechnique.
Bibliographie [1] B. Suki, S. Sato, H. Parameswaran, M. V. Szabari, A. Takahashi, and E. Bartolak-Suki, “Emphysema and Mechanical Stress-Induced Lung Remodeling,” Physiology, vol. 28, no. 6, pp. 404–413, Nov. 2013.
[2] B. Hinz and B. Suki, “Does Breathing Amplify Fibrosis?,” Am. J. Respir. Crit. Care Med., vol. 194, no. 1, 2016.
[3] D. Chapelle and P. Moireau, “General coupling of porous flows and hyperelastic formulations—From thermodynamics principles to energy balance and compatible time schemes,” Eur. J. Mech. Part B Fluids, vol. 46, pp. 82–96, Jul. 2014.
[4] P. Moireau, D. Chapelle, and P. Le Tallec, “Joint state and parameter estimation for distributed mechanical systems,” Comput. Methods Appl. Mech. Eng., vol. 197, no. 6–8, pp. 659–677, Jan. 2008.
[5] D. Chapelle, P. Le Tallec, P. Moireau, and M. Sorine, “Energy-Preserving Muscle Tissue Model: Formulation and Compatible Discretizations,” Int. J. Multiscale Comput. Eng., vol. 10, no. 2, pp. 189–211, 2012.
Contacts martin.genet@polytechnique.edu, dominique.chapelle@inria.fr.