Caractérisation mécanique de la paroi artérielle pathologique : approches expérimentales et numériques

Mechanical characterization of pathological arterial wall : experimental and numerical approaches

• Auteur / Autrice : Louise Marais
• Direction : Mustapha Zidi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pathologie et recherche clinique
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Créteil ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Mondor de Recherche Biomédicale (Créteil)
• Jury : Président / Présidente : Elisa Budyn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabine Bensamoun, Pierre Boutouyrie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Avril, Patrick Segers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Maladies vasculaires

Mots clés libres

Caractérisation mécanique

Identification de paramètres

Anévrysme de l’aorte abdominale

Hypertension artérielle

Méthodes ultrasonores

Eléments finis

Mechanical characterization

Parameter identification

Abdominal aortic aneurysm

Arterial hypertension

Ultrasonic methods

Finite elements

Résumé

Les pathologies vasculaires provoquent un remodelage de la paroi artérielle pouvant entraîner une modification de sa rigidité et de son comportement mécanique. L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes de caractérisation mécanique permettant d’identifier les changements de propriétés mécaniques artérielles dans le cadre de deux situations pathologiques : l’anévrysme de l’aorte abdominale (AAA) et l’hypertension artérielle (HTA). La première étude a consisté à évaluer in vitro les modifications de fonctionnalité de l’artère dans le cas d’un AAA obtenu par le modèle de xénogreffe chez le rat qui permet de reproduire certains aspects de la pathologie humaine et qui est utilisé pour la mise au point de thérapies cellulaires. Une analyse des variations régionales des propriétés mécaniques du tissu anévrysmal a d’abord été menée en effectuant des tests de traction sur anneaux d’AAA. Des tests d’extension-inflation ont ensuite été réalisés sur la structure vasculaire pour des conditions de chargement reproduisant celles observées in vivo. Dans chacun des cas, une méthode inverse couplée à un modèle numérique par éléments finis a été développée afin d’identifier les paramètres matériaux du tissu vasculaire. Dans la deuxième étude, la rigidité artérielle a été mesurée in vivo sur une population de patients atteints d’HTA et de sujets sains en utilisant deux méthodes non-invasives qui ont été développées et optimisées : l’imagerie ultrarapide de l’onde de pouls et l’élastographie par ondes de cisaillement de la paroi artérielle. Ces deux méthodes s’appuient sur un échographe ultrarapide. La vitesse de l’onde de pouls locale sur un segment de la carotide a ainsi pu être évaluée, ainsi que la vitesse de propagation d’ondes de cisaillement générées dans la paroi à plusieurs instants du cycle cardiaque. Les deux approches in vitro et in vivo ont ainsi permis d’évaluer certains changements de propriétés mécaniques de la paroi artérielle dans des cas pathologiques. Bien que tous les mécanismes biologiques de l’AAA et de l’HTA soient complexes, ce travail permet de contribuer à une meilleure compréhension des pathologies vasculaires pouvant ainsi aider au choix ou au développement de traitements adaptés, tant d’un point de vue pharmacologique que dans le cadre de nouvelles thérapies cellulaires.

Vascular pathologies are generally accompanied by a remodeling of the arterial wall that may lead to modifications of its stiffness and mechanical behavior. The goal of this thesis is to propose methods of mechanical characterization allowing to detect the changes in arterial mechanical properties in the case of two pathologies: abdominal aortic aneurysm (AAA) and arterial hypertension (HTA). The first study consisted in evaluating in vitro the arterial functional modifications in the case of an AAA obtained by the rat xenograft model which reproduces several biological features of the human pathology and is used to develop cell therapies. First, the assessment of regional variations in mechanical properties of aneurysmal tissue was conducted by carrying out traction tests on rings from AAAs. Then, extension-inflation tests were conducted on the vascular structure for loading conditions replicating those observed in vivo. In each case, an inverse method associated with a numerical finite element model was developed to identify the material parameters of vascular tissue. In the second study, arterial stiffness was measured in vivo for a population of hypertensive patients and healthy subjects using two non-invasive methods which were developed and optimized: ultrafast imaging of the pulse wave and shear wave elastography of the arterial wall. These two methods are based on an ultrafast ultrasound scanner. Thus the local pulse wave velocity on a segment of the carotid artery was assessed, as well as the propagation speed of shear waves created in the arterial wall at several moments during the cardiac cycle. Both in vitro and in vivo approaches enabled to evaluate some changes in mechanical properties of the arterial wall in pathological cases. Although all the biological mechanisms of AAA and HTA are complex, this work provides a contribution to a better understanding of vascular pathologies and can thereby assist in the choice or development of adapted treatments, from both a pharmacological point of view, and within the context of new cell therapies.