Coupling data measured in operating theatre with patient-specific biomechanical model of heart and vessels to augment haemodynamic monitoring of patients undergoing general anaesthesia - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Access content directly
Theses Year : 2021

Coupling data measured in operating theatre with patient-specific biomechanical model of heart and vessels to augment haemodynamic monitoring of patients undergoing general anaesthesia

Exploitation conjointe d'un modèle biomécanique patient-spécifique de coeur et vaisseaux et de données mesurées au bloc opératoire pour augmenter le monitorage hémodynamique des patients sous anesthésie générale

Abstract

Haemodynamic evaluation of anaesthetised patients in operating theatre or in intensive care units can be challenging. Indeed, monitoring devices can be inaccurate and/or invasive. Physicians have to evaluate the usefulness of the information given by the monitor, and its potential harms linked to its invasiveness before implementing the technique. Modelling methods may be an interesting alternative to improve the risk/benefit balance for the patients.Biomechanical modelling of heart and vessels as presented in this PhD thesis, when turned into patient-specific regime using patients' data measured in operating theatre, can allow simulation of cardiovascular physiology, including pressure-volume relationships through the cardiac cycle.In 45 patients undergoing general anaesthesia, we analysed the haemodynamic profile in terms of cardiac bioenergetics or ventricular arterial coupling, and we were able to evaluate the effects of Noradrenaline administered for 16 hypotensive patients, on cardiac efficiency, using pressure-volume loops estimated from a patient-specific biomechanical model.Our approach is original as it is based on a rigorous cardiovascular physiological description and on continuum mechanics theory allowing physical and physiological interpretation of the modelling results.This PhD thesis presents also original methods for model calibration, from limited data availability. We developed a passive constitutive law (end-diastolic pressure-volume relationship -- EDPVR) estimation method which reunites the biomechanical approach, usually difficult to implement in clinical settings, and the phenomenological approach, more efficient but less rigorous.We also explored the potentials of a time-varying elastance model, derived from the full biomechanical model. We demonstrated that for reasonable variation ranges, the time-varying elastance model could be used as a surrogate for the biomechanical model. This approach improves the computational time and resources, allowing to consider the transfer of our approach in real-time monitoring conditions.This PhD thesis is a proof of concept of the coupling between biomechanical modelling of heart and vessels and data measured in operating theatre to augment cardiovascular monitoring in anaesthetised patients. This is also the first step toward transfer of the method from bench to bedside.
L'évaluation hémodynamique des patients sous anesthésie générale est une tache complexe pour les médecins anesthésistes et/ou réanimateurs. En effet, les techniques de monitorage sont imparfaites, imprécises et/ou invasives, et le choix de la technique de monitorage doit prendre en compte la délicate balance entre l'utilité attendue de l'information recueillie, et l'invasivité et l'imprécision de la méthode utilisée pour recueillir cette information. Les méthodes numériques peuvent représenter une alternative intéressante en améliorant ce rapport bénéfice/risque pour le patient.En particulier, la modélisation biomécanique de coeur et vaisseaux présentée dans cette thèse, une fois calibrée sur les données mesurées couramment au bloc opératoire, peuvent permettre de simuler, entre-autres, un cathétérisme cardiaque gauche. Nous avons ainsi pu analyser le profil hémodynamique de 45 patients sous anesthésie générale, et interpréter les effets de la Noradrénaline administré pour corriger une hypotension artérielle chez 16 patients, en termes de bioénergétique cardiaque, et de couplage ventriculo-aortique, à partir de boucles pression-volume ventriculaires simulées.Notre approche est originale car elle s'intègre dans une démarche rigoureuse basée sur la physiologie cardiovasculaire et la mécanique des milieux continus permettant ainsi de conserver une signification physique et physiologique aux résultats de la modélisation.Cette thèse présente également des méthodes originales, permettant de calibrer le modèle à partir d'une quantité limitée d'information mesurée chez les patients.Ainsi, nous avons mis au point des méthodes d'estimation des paramètres de la loi passive de comportement du coeur en diastole (relation pression-volume en diastole -- EDPVR), réunissant l'approche biomécanique, difficile à mettre en oeuvre en clinique, et l'approche phénoménologique, plus efficace mais moins rigoureuse.Nous avons également exploré les potentialités d'un modèle d'élastance variable, dérivé du modèle biomécanique. Nous avons pu montrer que dans une gamme de variation raisonnable, le modèle d'élastance variable pouvait être utilisé en lieu et place du modèle biomécanique, permettant d'envisager l'utilisation de notre approche dans des conditions de monitorage pour lesquelles l'estimation en temps réel est un enjeu important.Cette thèse représente une preuve de concept de l'exploitation conjointe des données mesurées couramment au bloc opératoire et d'un modèle biomécanique de coeur et vaisseaux pour augmenter le monitorage hémodynamique des patients sous anesthésie générale. Elle représente également la première étape du transfert de la méthode vers la pratique clinique.
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tel-03501138 , version 1 (23-12-2021)
tel-03501138 , version 2 (13-07-2022)

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  • HAL Id : tel-03501138 , version 2

Cite

Arthur Le Gall. Coupling data measured in operating theatre with patient-specific biomechanical model of heart and vessels to augment haemodynamic monitoring of patients undergoing general anaesthesia. Biomechanics [physics.med-ph]. Institut Polytechnique de Paris, 2021. English. ⟨NNT : 2021IPPAX056⟩. ⟨tel-03501138v2⟩
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