Modélisation de la dynamique des compartiments liquidiens intracraniens : de l'approche globale ad hoc à la description physique a priori : étude du rôle possible des instabilités dynamiques dans les hydrocéphalies

Models of the intracranial dynamics : from the many compartments global description to the individual compartment dynamics description : a study of possible role of dynamical instabilities in hydrocephalies

• Auteur / Autrice : Khalid Ambarki
• Direction : Marc-Étienne Meyer, Robert Bouzerar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie biologique et médical
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Amiens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Liquide cérébro-spinal

étiologie

Hydrocéphalie

Maquettes de structure

Ventricules cérébraux

Imagerie par résonance magnétique

Pression intracrânienne

Compartiments liquidiens du corps

Liquide cérébrospinal

Résumé

Cette thèse est une contribution à la modélisation et la compréhension des mécanismes biophysiques régissant la dynamique intracrânienne. Les connaissances anatomiques et fonctionnelles sur le système intracrânien proviennent essentiellement d’une technique d’exploration très performante, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) de flux. Le système intracrânien est soumis à une dynamique complexe régissant à la fois la circulation du LCS entre les divers compartiments le constituant, l’évolution temporelle des pressions dans ces compartiments et leurs réponses viscoélastiques aux pulsations cardiaques. L’une des pathologies les plus graves de ce système est l’hydrocéphalie, elle se manifeste par une dilatation anormale des ventricules cérébraux. Notre objectif est double : (i) Construire un modèle global de la dynamique intracrânienne s’appuyant sur des analogies électriques traduisant son caractère hautement dissipatif (résistances) et élastique ou compliant (capacités) et sur les données IRM de flux issue de sujets sains ; (ii) Relier la dilatation ventriculaire aux caractéristiques de la dynamique régissant les processus intracrâniens. Un modèle global de la dynamique intracrânienne est un modèle multi-compartimental dont l’architecture reflète fidèlement la structure anatomique du système. Notre modèle rendre compte des données d’observation IRM des flux sanguin et LCS. La construction d’un modèle biophysique global du système intracrânien selon la voie analytique s’avère difficile : nous nous heurtons très vite à l’étape incontournable de la réduction de la complexité du système. Il est donc nécessaire de construire pas à pas les concepts clés, absorbant cette complexité et qui constitueront les ingrédients du modèle complet. Il nous est donc apparu plus pertinent de modéliser les compartiments en présence « individuellement ». Cette procédure a été appliquée en premier lieu à la dynamique des ventricules. Ce modèle retient comme processus de régulation essentiel, celui du volume des ventricules et donc celui de la pression intra-ventriculaire. Cette régulation est assurée par les propriétés viscoélastiques d’une membrane tapissant l’intérieur des ventricules, l’épendyme. Selon notre approche, l’hydrocéphalie pourrait être décrite comme une instabilité dynamique du système ventriculaire.

This work is devoted to the modelling and understanding of the biophysical mechanism ruling the intracranial dynamics. The anatomical and physiological knowledge of the intracranial system profits by a powerful technique, the magnetic resonance imaging technique allowing CSF and blood flow measurements. This complex dynamics ruling the cerebrospinal fluid exchange between the intracranial compartments and the time evolution of the pressure, can be faced to one of the most serious pathologies, hydrocephalus. The main clinical signature of hydrocephalus consists in an abnormal dilation of the brain ventricles. In a first step we built up a global model of the intracranial dynamics based on electrical analogues endowed with a minimal structure composed of resistors and capacitors modelling respectively, the dissipative nature of the dynamics and the elasticity of the compartments. The required structure is then determined through an optimization technique forcing the circuit to account for flow (CSF and blood) MRI data collected in large populations of healthy volunteers. Contrary to the usual global models of the intracranial dynamics, the use of optimization methods allows a reduction of the arbitrariness of the electrical circuit. Nevertheless, the obtained models keep a residual degree of fuzzyness due to the handling of many anatomical compartments whose couplings (be it mechanical or hydrodynamical) and individual dynamical features are not characterized. This limitation has been addressed in the second step of that work. We have indeed temporarily given up the global approach and developped a new strategy, in the spirit of mechanical reductionnism, focusing on the individual dynamics of the compartments. Applying that strategy to the ventricular compartment, we derived a simplified model of ventricles’dynamics from first physical principles and connected it to the fundamental biophysical parameters (viscoelasticity of the tissues, surface tension and viscosity of CSF). We predicted satisfactorily the compliance of the ventricles through a method that can be extended to any other compartment and pointed out that the dynamics relies on two fundamental parameters, the compliance and the hydrodynamical conductance of the Sylvius aqueduct. We finally evidenced two dynamical instabilities driven by these structural parameters, leading to the loss of the ability of the system to regulate pressure within the ventricles. Brain ventricles dilation is shown to occur in the unstable regimes establishing a deep connection with hydrocephalus.