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Living Heart : un modèle à suivre pour tester des implants virtuels

Publié le 10 avril 2017 par Patrick RENARD
Source : Admedes
Le modèle LHP permet à Philipp Hempel d'Almedes de visualiser les déformations générées pendant les battements du coeur.

Le modèle de cœur humain "Living Heart" de Dassault Systèmes permet une utilisation plus efficace de la simulation numérique dans la conception d'implants, en y intégrant leur environnement de fonctionnement. Le fabricant de stents Admedes peut ainsi optimiser la conception de ses produits.

Admedes Schuessler conçoit et fabrique des composants en Nitinol auto-expansibles pour l’industrie médicale. Que ce soit en interne ou en collaboration avec leurs clients, les équipes de l'entreprise allemande utilisent Abaqus, le logiciel d’analyse par éléments finis (FEA) de Simulia, une marque de Dassault Systèmes.

« Il est crucial de procéder à des analyses FEA en amont de la fabrication. C’est un service que nous proposons souvent à nos clients, notamment lorsqu’ils ne possèdent pas les capacités d’ingénierie ou les outils analytiques dont dispose Admedes », souligne Philipp Hempel, ingénieur chez Admedes.

Peu après avoir rejoint l'entreprise en 2014, Philipp Hempel découvre le projet "Living Heart" (LHP) de Dassault Systèmes, et identifie immédiatement son potentiel pour Admedes. Avec un modèle 3D, lui et son équipe disposeraient d’une plus grande visibilité du fonctionnement interne du cœur humain, avec la possibilité d’intégrer directement leurs implants dans le modèle virtuel du cœur et d’analyser rapidement différentes conceptions de produit. En d’autres termes, cette approche réduirait le nombre de tests effectués in vivo, avec à la clé un avantage financier considérable pour les clients. Sans parler de la possibilité d’accélérer le cycle de conception. Admedes a donc déposé une demande d’adhésion au projet LHP, qui a été rapidement acceptée.

Implanter un stent virtuel dans un cœur battant tout aussi virtuel

Philipp Hempel a tout d'abord évalué le modèle de cœur 3D en tant que tel, avant de rapidement décider d'"implanter" le cadre d’une valve cardiaque générique en Nitinol. Il a créé une surface cylindrique sur laquelle est monté le cadre, l’a "serti" à 10 mm et a activé le contact entre la surface extérieure du cylindre et le tissu du cœur en 3D... comme s’il s’agissait d’une implantation réelle !

« Quand on développe ce type de dispositif, il est crucial de déterminer avec précision les conditions limites et l’importance de la charge exercée sur le bâti du cadre », précise Philipp Hempel. «Sans ces informations, il est impossible d’identifier les déformations de fatigue lors de l’application réelle dans l’organisme. Or, il est très difficile d’obtenir ces données à partir d’études animales qui induisent beaucoup d'incertitudes. »

C’est ici que le modèle LHP se révèle très utile. Philipp Hempel a pu visualiser les déformations produites lors de l’implantation, mais aussi celles générées pendant les battements du cœur. Il a ensuite franchi une étape supplémentaire en utilisant Tosca, autre logiciel de Simulia, pour optimiser sa conception en termes de structure. Sans exploiter le modèle Living Heart directement, il a reproduit le chargement observé dans celui-ci en extrayant les conditions limites et en les appliquant pour l'optimisation.

Plus de 50 partenaires multidisciplinaires

Spécialiste des logiciels industriels, Dassault Systèmes a initié en 2014 le projet original de réaliser le premier modèle de cœur humain simulé en 3D. Basé sur le crowdsourcing, le projet "Living Heart" est mené en collaboration avec plus de 50 partenaires : universités et établissements hospitaliers, mais aussi fabricants de dispositifs médicaux de premier plan. Un accord de recherche collaborative d’une durée de 5 ans a même été signé avec la FDA, avec l’objectif de développer des modèles de test pour l’insertion, le placement et le fonctionnement de sondes de stimulateurs cardiaques et autres dispositifs utilisés pour le traitement des maladies cardio-vasculaires.

Le moteur logiciel utilisé pour la modélisation est la suite Abaqus de Simulia, disponible sur la plate-forme 3DExperience de Dassault Systèmes. Le modèle est bâti à partir d’images médicales (IRM), et de systèmes d’équations décrivant le comportement de l’organe. En couplant les deux, il est possible de simuler un cycle cardiaque complet.

Hormis la conception de DM, le cœur virtuel a vocation à servir la formation, le diagnostic clinique et la science réglementaire.

« Nous avons reçu le jeton "Extended Token" pour Simulia Abaqus l’année dernière, ce qui nous a permis d’essayer des outils supplémentaires, comme le logiciel d'optimisation de structure Tosca », explique Philipp Hempel. « Après six itérations seulement, j’ai pu réduire la déformation maximale de 35 % et l’amplitude de déformation alternée dans l’évaluation d’un cycle de fatigue de près de 50 %, tout en améliorant la répartition globale des déformations. En fait, les modifications de conception ont été minimes, de sorte que j’ai été à la fois surpris et ravi de leur impact sur la résistance du produit. »

« Avant d’utiliser Tosca, nous pouvions analyser les conceptions de nos clients et leur suggérer des conseils basés sur notre expérience du Nitinol, mais il était impossible de réellement calculer une conception optimisée. Aujourd’hui, tout a changé», se réjouit Philipp Hempel.

Mais il reste encore beaucoup à faire. La simulation des feuillets valvulaires - ces parties du corps de la valve où se trouve effectivement le sang pendant le cycle de fermeture - a dû être reportée à une série d’essais ultérieurs. « Je ne disposais pas du temps de calcul nécessaire pour effectuer une telle analyse lors de l’étude initiale. J’ai pu uniquement extraire la compression du dispositif qui se produit lors de la contraction du cœur, explique-t-il. Mais pour que la simulation soit aussi précise que possible, j’ai appliqué un déplacement radial supplémentaire, obtenu à partir d’expériences ou d’approximations analytiques pour simuler la fermeture des feuillets ».

La prochaine étape est de procéder à la simulation intégrale de la valve cardiaque, y compris des feuillets, en utilisant l’interaction structure-fluide.

Vers des implants parfaitement adaptés à chaque patient ?

Philipp Hempel prévoit aussi Isight (optimisation des paramètres), fe-safe (analyse de fatigue) et d’autres modules de la suite de produits Abaqus. Il est convaincu que cette méthodologie est le standard de demain : « Peut-être un jour utiliserons-nous des implants cardiovasculaires du commerce adaptés à chaque patient. En attendant, le projet Living Heart présente de multiples possibilités pour optimiser les conceptions. »

Dassault Systèmes présentera Simulia sur le stand DE6 d'Intermeditech 2017.


www.3ds.com

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