Thesis by CHEN Yuling
Iliac arterial endofibrosis: parametric study and analysis of wall shear stress in a curved pipe, and feasibility of focused ultrasound treatment
Defended on 14 march 2025
External iliac arterial endofibrosis (AE) is a non-atheromatous vascular disease specific to athletes. 90% of patients are young cyclists with no traditional cardiovascular risk factors. AE is a paucicellular stenotic lesion characterized by a thickening of the arterial wall and a subsequent reduction in its lumen, leading to defective blood flow to the lower limbs of athletes. The only current treatment, if the patient wishes to continue high-level sportive activity, is surgical and involves performing an endofibrosectomy. Although various etiological hypotheses have been proposed, no specific study has yet tested these hypotheses through in vitro, in vivo, or in silico experiments. This work is dedicated to the hypothesis that excessive wall shear stress (WSS), caused by the overcurvature of the artery, may trigger the development of AE. To investigate this hypothesis, a highly simplified model of external iliac artery flow without stenosis is adopted: Newtonian flow in a rigid cylindrical conduit with radius R and a single curvature, characterized by a radius of curvature (R_c), a curvature ratio (δ=R/R_c), and an opening angle (θ_o). For a first approach, we focus on steady-state flow to prepare for future studies on pulsatile flow. Two approaches, experimental and numerical, were developed to analyze the effect of curvature radius and opening angle on the magnitude and location of WSS. A numerical model is implemented using the CFD software OpenFOAM®, and an experimental model is designed based on Laser Doppler Velocimetry. A comparison of axial velocity profiles and axial WSS estimations, between numerical and experimental results for the following configurations: δ=1/6, θ_o=55° and 90°, Re=550 and 2200, provides cross-validation. A numerical parametric study was then conducted, based on the parameters δ = [1/10, 1/2], θ_o = [25°, 180°], and Re = [275, 2720]. The study reveals that the axial component (WSS1) is dominant, and there are two zones of extreme WSS1 if the flow in the bend is fully developed. The maximum WSS1 value is always reached at the bend's exit, regardless of δ, θ_o, or Re. However, the location of the second maximum depends on the square root of the curvature ratio (√δ). The values of these two maxima depend on the square root of the Dean number (√(Re√δ)). On the other hand, for undeveloped flow in a short curved conduit, typically representative of the iliac artery, only one extreme WSS1 zone exists, always at the bend's exit, with a higher magnitude than that of fully developed Dean flow.Thus, we identified unfavorable configurations for the artery, i.e., undeveloped Dean flows, where excessive WSS is most significant. In parallel, to explore the possibility of treatment via ultrasound, a secondary objective of this work focuses on the feasibility of destroying an AE plaque fragment using focused ultrasonic cavitation. An experimental study on tissue samples collected perioperatively from patients provides encouraging qualitative results.
Endofibrose artérielle iliaque : analyse des contraintes pariétales dans une conduite coudée et faisabilité d'un traitement par ultrasons focalisés
Soutenue le 14 March 2025
L’endofibrose artérielle est une maladie vasculaire non-athéromateuse, induite par la pratique intensive d’une activité sportive d’endurance. 90% des patients atteints sont des cyclistes jeunes sans facteur de risque de maladie cardiovasculaire traditionnelle. La pathologie produit un épaississement de la paroi artérielle et une réduction du calibre de la lumière artérielle par des plaques fibreuses. Le seul traitement actuel si le patient souhaite continuer son activité est le traitement chirurgical. De nombreuses hypothèses étiologiques ont été proposées pour expliquer le développement pathologique mais aucune étude dédiée n’a encore testé ces hypothèses sur des expérimentations in vitro / in vivo ou in silico. Ce travail est consacré à l’hypothèse selon laquelle une contrainte de cisaillement pariétale (Wall Shear Stress, WSS) excessive due à la surcourbure de l’artère pourrait être à l’origine du développement de l’endofibrose. Pour étudier cette hypothèse, un modèle très simplifié d’écoulement d’artère iliaque sans présence de sténose est adopté : écoulement Newtonien dans une conduite cylindrique rigide de rayon R avec une courbure unique, qui est caractérisée par un ratio de courbure (δ=R⁄R_c ) et un angle d’ouverture (θ_O). Pour une première approche, nous nous concentrons sur l’étude d’un écoulement permanent. Pour examiner l’effet de la courbure sur la distribution de WSS, une étude paramétrique numérique sur le logiciel CFD OpenFOAM est menée, basée sur les grandeurs δ=[1⁄2,1⁄10],θ_O=[25°,180°] et Re=[275,2720] . Les résultats numériques sont validés expérimentalement dans les configurations suivantes : 〖δ=1⁄6,θ〗_O=55° et 90°,Re=550 et 2200, sur des profils de vitesses mesurés par la vélocimétrie Laser Doppler. L’étude paramétrique révèle que la composante axiale (WSS1) est dominante, et il existe deux zones de WSS1 extrême si l’écoulement dans le coude est complètement développé. La valeur maximale de WSS1 est atteinte toujours à la sortie du coude, indépendamment de δ ,θ_O et Re. En revanche, la position du second maximum est fonction du nombre de Dean (Re√δ). Dans le cas d’un écoulement non développé, correspondant généralement aux cas de l’artère iliaque, une seule zone de WSS1 extrême existe, toujours à la sortie du coude, et sa valeur est plus importante que pour un écoulement développé. On met ainsi en évidence le lien entre la courbure et la valeur extrême de WSS. En parallèle, en vue d’investiguer la possibilité d’un traitement par ultrasons, une partie du travail porte sur la faisabilité de la destruction d’une plaque d’endofibrose par cavitation ultrasonore focalisée. Une étude expérimentale sur des échantillons de tissus prélevés sur des patients fournit des résultats qualitatifs encourageants.
Defended on 14 march 2025
External iliac arterial endofibrosis (AE) is a non-atheromatous vascular disease specific to athletes. 90% of patients are young cyclists with no traditional cardiovascular risk factors. AE is a paucicellular stenotic lesion characterized by a thickening of the arterial wall and a subsequent reduction in its lumen, leading to defective blood flow to the lower limbs of athletes. The only current treatment, if the patient wishes to continue high-level sportive activity, is surgical and involves performing an endofibrosectomy. Although various etiological hypotheses have been proposed, no specific study has yet tested these hypotheses through in vitro, in vivo, or in silico experiments. This work is dedicated to the hypothesis that excessive wall shear stress (WSS), caused by the overcurvature of the artery, may trigger the development of AE. To investigate this hypothesis, a highly simplified model of external iliac artery flow without stenosis is adopted: Newtonian flow in a rigid cylindrical conduit with radius R and a single curvature, characterized by a radius of curvature (R_c), a curvature ratio (δ=R/R_c), and an opening angle (θ_o). For a first approach, we focus on steady-state flow to prepare for future studies on pulsatile flow. Two approaches, experimental and numerical, were developed to analyze the effect of curvature radius and opening angle on the magnitude and location of WSS. A numerical model is implemented using the CFD software OpenFOAM®, and an experimental model is designed based on Laser Doppler Velocimetry. A comparison of axial velocity profiles and axial WSS estimations, between numerical and experimental results for the following configurations: δ=1/6, θ_o=55° and 90°, Re=550 and 2200, provides cross-validation. A numerical parametric study was then conducted, based on the parameters δ = [1/10, 1/2], θ_o = [25°, 180°], and Re = [275, 2720]. The study reveals that the axial component (WSS1) is dominant, and there are two zones of extreme WSS1 if the flow in the bend is fully developed. The maximum WSS1 value is always reached at the bend's exit, regardless of δ, θ_o, or Re. However, the location of the second maximum depends on the square root of the curvature ratio (√δ). The values of these two maxima depend on the square root of the Dean number (√(Re√δ)). On the other hand, for undeveloped flow in a short curved conduit, typically representative of the iliac artery, only one extreme WSS1 zone exists, always at the bend's exit, with a higher magnitude than that of fully developed Dean flow.Thus, we identified unfavorable configurations for the artery, i.e., undeveloped Dean flows, where excessive WSS is most significant. In parallel, to explore the possibility of treatment via ultrasound, a secondary objective of this work focuses on the feasibility of destroying an AE plaque fragment using focused ultrasonic cavitation. An experimental study on tissue samples collected perioperatively from patients provides encouraging qualitative results.
Endofibrose artérielle iliaque : analyse des contraintes pariétales dans une conduite coudée et faisabilité d'un traitement par ultrasons focalisés
Soutenue le 14 March 2025
L’endofibrose artérielle est une maladie vasculaire non-athéromateuse, induite par la pratique intensive d’une activité sportive d’endurance. 90% des patients atteints sont des cyclistes jeunes sans facteur de risque de maladie cardiovasculaire traditionnelle. La pathologie produit un épaississement de la paroi artérielle et une réduction du calibre de la lumière artérielle par des plaques fibreuses. Le seul traitement actuel si le patient souhaite continuer son activité est le traitement chirurgical. De nombreuses hypothèses étiologiques ont été proposées pour expliquer le développement pathologique mais aucune étude dédiée n’a encore testé ces hypothèses sur des expérimentations in vitro / in vivo ou in silico. Ce travail est consacré à l’hypothèse selon laquelle une contrainte de cisaillement pariétale (Wall Shear Stress, WSS) excessive due à la surcourbure de l’artère pourrait être à l’origine du développement de l’endofibrose. Pour étudier cette hypothèse, un modèle très simplifié d’écoulement d’artère iliaque sans présence de sténose est adopté : écoulement Newtonien dans une conduite cylindrique rigide de rayon R avec une courbure unique, qui est caractérisée par un ratio de courbure (δ=R⁄R_c ) et un angle d’ouverture (θ_O). Pour une première approche, nous nous concentrons sur l’étude d’un écoulement permanent. Pour examiner l’effet de la courbure sur la distribution de WSS, une étude paramétrique numérique sur le logiciel CFD OpenFOAM est menée, basée sur les grandeurs δ=[1⁄2,1⁄10],θ_O=[25°,180°] et Re=[275,2720] . Les résultats numériques sont validés expérimentalement dans les configurations suivantes : 〖δ=1⁄6,θ〗_O=55° et 90°,Re=550 et 2200, sur des profils de vitesses mesurés par la vélocimétrie Laser Doppler. L’étude paramétrique révèle que la composante axiale (WSS1) est dominante, et il existe deux zones de WSS1 extrême si l’écoulement dans le coude est complètement développé. La valeur maximale de WSS1 est atteinte toujours à la sortie du coude, indépendamment de δ ,θ_O et Re. En revanche, la position du second maximum est fonction du nombre de Dean (Re√δ). Dans le cas d’un écoulement non développé, correspondant généralement aux cas de l’artère iliaque, une seule zone de WSS1 extrême existe, toujours à la sortie du coude, et sa valeur est plus importante que pour un écoulement développé. On met ainsi en évidence le lien entre la courbure et la valeur extrême de WSS. En parallèle, en vue d’investiguer la possibilité d’un traitement par ultrasons, une partie du travail porte sur la faisabilité de la destruction d’une plaque d’endofibrose par cavitation ultrasonore focalisée. Une étude expérimentale sur des échantillons de tissus prélevés sur des patients fournit des résultats qualitatifs encourageants.
