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PhD fellowship (H/F): Many-Scale Modeling of Lung Poromechanics

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Informations générales

Référence : UMR7649-MARGEN-001
Lieu de travail : PALAISEAU
Date de publication : mardi 3 décembre 2019
Nom du responsable scientifique : Martin Genet
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Contexte et objectifs
Les poumons sont les principaux organes du système respiratoire chez l'homme et chez de nombreux animaux. Ils sont responsables des échanges moléculaires entre l'air extérieur et le sang interne par le biais de la ventilation mécanique. Il possède une architecture extraordinairement complexe, avec la structure fractale inhérente des arbres des bronches et des vaisseaux sanguins, ainsi que la structure hiérarchique du parenchyme. Les physiologistes ont étudié de manière approfondie la biomécanique pulmonaire, tant du point de vue théorique qu'expérimental, du flux d'air au flux sanguin en passant par la mécanique tissulaire, jetant ainsi les bases de notre compréhension fondamentale actuelle de la relation entre la fonction et le comportement mécanique. Cependant, de nombreuses questions subsistent, notamment dans le couplage complexe entre les multiples constituants, entre les nombreux phénomènes se produisant à différentes échelles spatiales et temporelles, dans la santé et la maladie. 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 des organes.
Ces questions fondamentales représentent de véritables défis cliniques, car les maladies pulmonaires représentent un lourd fardeau pour la santé. Les maladies pulmonaires interstitielles, par exemple, touchent plusieurs millions de personnes dans le monde. La Fibrose Pulmonaire Idiopathique (FPI), notamment, une forme progressive de pneumopathie interstitielle dans laquelle certains septa alvéolaires deviennent plus épais et plus raides alors que d'autres sont complètement endommagés, restent mal comprise, mal diagnostiquée et mal traitée, avec un taux de survie médian actuel inférieur à 5 ans. Une hypothèse a toutefois été émise qu'un cercle vicieux mécanique était en place dans le parenchyme des patients atteints de FPI, 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 pulmonaire (solide), de l'échelle alvéolaire à l'organe, dans la santé et la maladie (FPI); (ii) cliniquement, améliorer le diagnostic et le pronostic des patients (FPI) au moyen d'une modélisation personnalisée. Plus précisément, le ou la doctorante développera un modèle multi-échelle de la biomécanique du parenchyme, à toutes les échelles spatiales pertinentes, de l'alvéole à l'organe, et aux échelles temporelles du cycle respiratoire et du processus de fibrose. Différentes représentations à des échelles spatiales successives seront reliées par une stratégie d'homogénéisation non linéaire numeérique avec une réduction de modèle a priori basée sur un réseau de neurones. Le modèle intégrera les données expérimentales plutôt uniques produites par les Drs. Bel-Brunon et Trunfio-Sfarghiu du LaMCoS (INSA-Lyon), c'est-à-dire des images de microtomographie à l'échelle alvéolaire et des tests de gonflage de lobules: des microstructures seront extraites et analysées systématiquement, et les paramètres du modèle seront estimés à partir des tests 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 tests de la fonction pulmonaire standard et tomodensitométrie thoracique chez des patients atteints de FPI ainsi que des contrôles pulmonaires normaux: un pipeline pour estimer les paramètres de modèle observables à partir de données cliniques sera mise en place et des valeurs génériques définies pour les paramètres restants. Le modèle et la procédure d'estimation représenteront des outils de diagnostic et de pronostic augmentés pour les cliniciens.

Mots clés
Biomécanique pulmonaire; Modélisation basée sur l'image; Méthode des éléments finis; Homogénéisation numérique; Réseaux de neurones; Assimilation de données

Profil du candidat
Le candidat devra maîtriser la mécanique des milieux continus, avec si possible une connaissance des déformations finies, de la biomécanique et des méthodes numériques. Il / Elle s'intéressera également à l'application en pneumologie, notamment pour interagir avec des collaborateurs cliniques.

Bibliographie
[1] B. Hinz and B. Suki, “Does Breathing Amplify Fibrosis?,” Am. J. Respir. Crit. Care Med., 2016.
[2] 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, 2014.
[3] C. Patte, M. Genet, C. Fetita, P.-Y. Brillet and D. Chapelle, “Mécanique pulmonaire personnalisée: modélisation et estimation—Application à la fibrose pulmonaire”, 14ème colloque national en calcul des structures (CSMA), Giens, France, 2019.

Contacts
martin.genet@polytechnique.edu, aline.bel-brunon@insa-lyon.fr, philippe.moireau@inria.fr, dominique.chapelle@inria.fr

Contexte de travail

La thèse se déroulera au sein de l'équipe M3DISIM (conjointe à l'École Polytechnique, au sein du Laboratoire de Mécanique des Solides (LMS), et à l'Inria), sur le campus de l'École Polytechnique, en étroite collaboration avec le LaMCoS de l'INSA de Lyon. Elle sera co-dirigée par Martin Genet, Aline Bel-Brunon et Dominique Chapelle. Elle devra commencer en 2020.

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