Design, validation and testing of an in vitro bladder flow simulator

Résumé

Les jets urétéraux et l’écoulement intravésical qui en résulte pourraient constituer des biomarqueurs de conditions du système urinaire basés sur la dynamique des fluides. Cependant, les mesures in vivo offrent un accès limité à l’écoulement. Ce mémoire présente la conception et la validation d’un simulateur d’écoulement vésical in vitro compatible avec l’échographie et la vélocimétrie par image de particules (PIV), permettant des études contrôlées de l’écoulement vésical en fonction de diverses conditions du système urinaire. La plateforme combine un fantôme en silicone de la vessie (taille adulte), une chambre en acrylique optiquement transparente, deux entrées urétérales actionnées par des seringues avec des moteurs linéaires programmables pour générer différentes morphologies de jet. Le remplissage progressif de 256 à 286 mL a produit une réponse pression-volume quasi linéaire de 0 à 13,26 mmHg, avec une élastance globale de 0,44 ± 0,01 mmHg·mL⁻¹ (conformité de de 1,66 ± 0,02 mL·cmH₂O⁻¹), indiquant une rigidité reproductible et indépendante du volume sur toute la plage testée. L’échographie Doppler couleur et pulsé a ensuite été utilisée pour caractériser trois programmes de jets urétéraux physiologiquement motivés. Les jets biphasiques (cas sain) ont atteint des durées de 3,8 ± 0,3 s tout en reproduisant les pics programmés de 20 à 90 cm·s⁻¹ à 3 cm·s⁻¹ près (≤ 8 %). Les jets monophasiques (événements physiologiques plus rares) ont produit des durées de 3,3 ± 0,2 s avec des pics de 20 à 30 cm·s⁻¹ à moins de 9 % de la valeur cible, tandis que les jets pathologiques continus ont produit des plateaux de 4,9 ± 0.2 s à 10–25 cm·s⁻¹ avec une erreur de vitesse de 6 à 15 %. Ces valeurs et morphologies correspondaient étroitement aux données humaines publiées, confirmant que le simulateur peut reproduire les signatures ultrasonores normales et dysfonctionnelles. La vélocimétrie par images de particules (PIV) planaire dans un milieu eau-glycérine a été utilisée pour étudier les champs de vitesse, de vorticité et de dissipation visqueuse d’énergie pour les trois mêmes morphologies de jet. Avec la forme biphasique, l’énergie cinétique et sa dissipation se concentrent en deux brèves impulsions de haute intensité, avec des vitesses de pointe de 38,60 cm·s⁻¹ et une dissipation locale d’environ 170 W·m⁻³, induisant une pénétration rapide du jet et un mélange vigoureux. Avec une forme transitoire (modérément biphasique), le cisaillement est redistribué sur une période plus longue de cisaillement élevé, avec des pics moins importants (30,61 cm·s⁻¹) et des tourbillons qui durent plus longtemps dans la vessie. La forme continue a produit la dissipation instantanée la plus faible, avec des maximas spatiaux d’environ 25 à 30 W·m⁻³, tout en maintenant un cisaillement modéré du jet pendant une plus grande partie de l’éjection, avec des vitesses ponctuelles d’environ 16,05 cm·s⁻¹ et une zone de recirculation lent le long des parois. Ces résultats démontrent que le simulateur proposé permet de relier des signatures échographiques cliniquement accessibles à la dynamique de l’écoulement intravésical et offre une plateforme modulaire pour de futures études.

Date	12 déc. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Giuseppe Di Labbio (Directeur(-trice)) & Naeem Bhojani (Codirecteur(-trice))