Investigating gastrointestinal function at macro and micro scales : Insights from fluid dynamics models
Etude de la fonction gastro-intestinale aux échelles macroscopiques et microscopiques : perspectives offertes par des modèles de dynamique des fluides
Résumé
The gastrointestinal (GI) tract plays a crucial role in the digestion and absorption of nutrients. The complex motility of the GI tract is driven by its own motor activity. Smooth muscle motility is essential for food breakdown, mixing with secretions, nutrient absorption, and the transport of digesta along the GI tract. Despite its importance, many aspects of its biomechanics are not well understood. Therefore, mechanistic models are required to gain more insights into the function of the GI tract. In this thesis, we focus on two main aspects by coupling computational fluid dynamics (CFD) with experimental imaging techniques. The first one is related to the flow of complex fluids, the feces, in the rectum. The second one involves flow phenomena at microscopic scales due to the presence of small-scale active structures in the small intestine, the villi.Firstly, we develop a patient-specific two-dimensional (2D) computational fluid dynamics (CFD) model of rectal evacuation by combining video-defecography and a lattice-Boltzmann flow solver. The video-defecographies are carried out with a neo-stool with a soft feces-like rheology which was modelled as a yield stress fluid. In normal defecation, the simulated pressure field demonstrates near homogeneity within the rectal cavity, with a gradient observed from the anorectal junction to the anal canal. Consequently, the pressure loss is attributed to the flow of feces through the anorectal junction and anal canal. The pressure gradient is controlled by the shear-thinning properties of the neo-stool rather than its yield stress, resulting in strongly non-linear pressure-flow rate relationships. Pressure fields for patients showing impaired defecation are also simulated. Comparisons with normal patients reveal potential dysfunction in rectal wall contractility for certain individuals.Secondly, we investigate fluid flow phenomena at microscopic scales driven by the motility of small intestine villi. Using spatio-temporal motility data of the rat duodenum, we simulate the flow induced by the motion of these villi by lattice-Boltzmann methods for Newtonian fluids. We hypothesize that the villi's motion is induced by fast phasic contractions of the longitudinal smooth muscles. The 2D model represents an infinite array of rigid villi with leaf-like structures, where each villus oscillates longitudinally with a fixed phase lag from neighboring villi. This results in pulsatile radial and axial fluxes. Importantly, the motion of the villi induces a permanent flow in regions where the flow would otherwise be stagnant, due to the phase lag and inertia effects. This motion also leads to irreversible axial pumping in the lumen. These induced fluxes are expected to significantly enhance mass transfer and promote mixing towards the villi.Finally, we present the development of an original experimental device aimed at studying small intestine motility and flow at the scale of the villi. The uniqueness of this setup lies in its ability to observe small intestine villi under iso-tonic conditions. In order to validate the physiological relevance of the device, we quantified the motility of the duodenum under various loads. The data obtained aided in the analysis of duodenal motility at the macroscopic scale using parameters such as amplitude and frequency of contractions, as well as strain rate maps at the microscopic scale. Looking ahead, the future scope of the device involves observing fluid flow patterns around the villi in the open duodenum and utilizing the data in computational fluid dynamics (CFD) models.In conclusion, this thesis integrates imaging techniques into complex fluid dynamics models at macro and micro scales and gains insights into transport phenomena within the gastrointestinal (GI) tract. This thesis offers valuable physical information that contributes to a deeper understanding of GI biomechanics and holds potential for clinical applications.
Le tractus gastro-intestinal (GI) joue un rôle crucial dans l'absorption des nutriments. Sa motilité est induite par son activité motrice et est essentielle pour la décomposition des aliments, leur mélange avec les sécrétions, l'absorption des nutriments et le transport du digesta. De nombreux aspects de sa biomécanique ne sont pas bien compris. Des modèles mécanistiques sont nécessaires pour mieux appréhender son fonctionnement. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur deux aspects principaux en combinant la dynamique des fluides computationnelle (CFD) avec des techniques expérimentales d'imagerie. Le premier concerne l'écoulement de fluides complexes, les feces, dans le rectum. Le deuxième concerne les phénomènes d'écoulement à l'échelle microscopique dus à la présence de structures actives à petite échelle dans l'intestin grêle, les villosités.Nous développons un modèle CFD bidimensionnel (2D) spécifique au patient de l'évacuation rectale en combinant la vidéo-défécographie et les méthodes de lattice-Boltzmann. Les vidéo-défécographies sont réalisées avec un substitut ayant une rhéologie similaire aux selles molles et qui est modélisé comme un fluide à seuil d'écoulement. Dans une défécation normale, le champ de pression simulé est homogène dans la cavité rectale, avec un gradient de la jonction anorectale vers le canal anal. Par conséquent, la perte de pression est attribuée à l'écoulement des selles à travers la jonction anorectale et le canal anal. Ce gradient est contrôlé par les propriétés rhéofluidiantes du fluide plutôt que par son seuil d'écoulement, ce qui entraîne des relations pression-débit fortement non linéaires. Des champs de pression pour des patients présentant une défécation altérée sont également simulés. Les comparaisons avec des patients normaux révèlent une dysfonction potentielle de la contractilité de la paroi rectale chez certaines personnes.Nous simulons les phénomènes d'écoulement induits par les villosités de l'intestin à des échelles microscopiques grâce à des données de motilité du duodénum du rat. Nous faisons l'hypothèse que le mouvement des villosités est induit par les contractions des muscles lisses longitudinaux. Le modèle 2D représente un ensemble infini de villosités rigides avec des structures en forme de feuilles, où chaque villosité oscille longitudinalement avec un décalage de phase fixe par rapport aux villosités voisines. Cela entraîne des flux radiaux et axiaux pulsés. Le mouvement des villosités induit un écoulement permanent dans les régions où l'écoulement serait autrement stagnant, du fait du déphasage et de l’inertie. Ce mouvement entraîne également un pompage axial irréversible dans la lumière intestinale. Ces flux améliorent probablement le transfert de masse et favorise le mélange auprès des villosités.Enfin, nous présentons le développement d'un dispositif expérimental visant à étudier la motilité et l'écoulement de l'intestin grêle à l'échelle des villosités. Sa particularité réside dans sa capacité à observer les villosités dans des conditions isotoniques. Afin de valider le dispositif, nous avons quantifié la motilité du duodénum sous différentes charges. Les données obtenues permettent de caractériser la motilité duodénale en utilisant des paramètres tels que l'amplitude et la fréquence des contractions, ainsi que des cartes de taux de déformation. Le dispositif offre des perspectives prometteuses pour observer les écoulements des fluides autour des villosités dans le duodénum.En conclusion, cette thèse vise à intégrer des techniques d'imagerie à des échelles macro et micro dans des modèles de dynamique des fluides complexes afin de mieux comprendre les phénomènes de transport dans le tractus gastro-intestinal (GI). Cette thèse fournit des informations physiques précieuses qui contribuent à une compréhension plus approfondie de la biomécanique du tractus GI et présente un potentiel d'applications cliniques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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