Les globules rouges (GR) jouent un rôle clé dans l’exercice de fonctions physiologiques du corps humain. Dans la microcirculation, par exemple, où ils s’écoulent dans des capillaires de diamètre comparable à leurs mêmes dimensions, les érythrocytes sont responsables de l’échange d’oxygène et nutriments avec les tissus. Il a été montré dans de nombreux articles scientifiques que des dysfonctionnements dans les propriétés des GRs et des dommages du tissu endothélial, en particulier au niveau de la couche de glycoprotéines qui le recouvre (glycocalyx), sont la cause principale des maladies vasculaires telles que la thrombose, le diabète et l’athérosclérose. En conséquence, la connaissance des propriétés mécaniques et rhéologiques qui permettent aux érythrocytes de se déformer et de s’organiser en agrégats dans les vaisseaux sanguins permettrait de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la circulation du sang et, par conséquent, de faciliter le diagnostic des états pathologiques.Dans cette thèse l’attention s’est concentrée sur deux thèmes principaux : l’agrégation des GRs pendant l’écoulement dans les microcapillaires et la fonction du glycocalyx dans la microcirculation. Même si le sujet est à la fois essentiel et d’intérêt scientifique considérable, une analyse quantitative de la formation d’agrégats de GRs (cluster) n’avait pas encore été réalisée. Dans une première phase de ce projet de thèse des expériences in vitro ont été réalisées sur des suspensions de GRs avec un hématocrite d’environ 10%, afin d’observer leur tendance à s’agréger au cours du déplacement dans des tubes en verre de diamètre égal à 10 µm. Ce comportement a été évalué en fonction de la pression imposée et du temps de résidence dans de microcanaux, en mesurant la longueur des clusters et leur composition numérique. Le but principal a été comprendre le type d’interaction entre les cellules composantes un cluster : il s’agit d’une interaction purement hydrodynamique ou des autres forces sont également impliquées ? Les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse clairement montrent que la véritable force motrice du phénomène est la pression imposée dans les capillaires. Cette approche microfluidique permet de jeter les bases pour le développement de dispositifs cliniques et diagnostiques.Dans la deuxième partie du projet, une campagne expérimentale a été réalisée sur microcapillaires en verre revêtus de brosses de polymères, afin de simuler les conditions in vivo dans la microcirculation. Il a été établi avec certitude que le lumen des vaisseaux sanguins est recouvert d’une couche de glyco-polymères (glycocalyx) liés à la membrane des cellules endothéliales qui tapissent leurs parois. La compréhension du rôle hydrodynamique du glycocalyx est essentielle pour expliquer le lien entre le dysfonctionnement cette couche et le maladies vasculaires et pour développer des tests basés sur la microfluidique, capable de représenter correctement les interactions entre les parois et le composants sanguins. Des couches nanométriques de poly-hydroxyéthylméthacrylate (pHEMA) ont été produites par ce qu’on appelle la technique grafting-from et, après une caractérisation approfondie, utilisées pour revêtir les surfaces internes de canaux en verre de 10 µm de diamètre. Dans cette thèse, nous présentons les profils de vitesse obtenus en étudiant la circulation dans des tubes recouverts avec brosses de différentes épaisseurs. On montre que il y a une augmentation de la résistance à l’écoulement dans les canaux recouverts et que la réduction de la vitesse est significativement plus grande par rapport à ce qui se produirait à la suite d’une simple réduction géométrique du lumen disponible. De plus, à partir de l’observation de l’écoulement de GRs à l’intérieur des microcapillaires recouverts par les brosses de polymère, il a été constaté que la vitesse et la déformabilité des GRs dépendent strictement de la présence de la bio-couche sur les parois des microtubes. / The investigation of red blood cells (RBCs) dynamics in blood circulation is one of the most innovative and intriguing challenge of science nowadays since erythrocytes are involved in fundamental physiological functions of human body. In particular, RBCs play a key role in microcirculation where narrow dimensions of vessels (comparable to cell size) promote a close contact between cells and capillary walls and, as a consequence, the exchange of oxygen between blood and tissues. It is well established in scientific literature that disorders in RBCs properties and damages of endothelium are the main causes of common vascular diseases, such as thrombosis, diabetes and atherosclerosis. Thus, the full understanding of mechanical and rheological properties of RBCs would allow not only to shed light on the mechanisms leading blood circulation, but also to develop increasingly reliable diagnostic devices. In this thesis, the attention is mainly focused on two topics: RBCs aggregation in microcapillaries and the role of glycocalyx in microcirculation. As regards the first theme, despite the considerable scientific importance, a quantitative analysis of RBCs aggregates formation (clustering) in microvessels is still lacking. In a first phase of the project, experimental investigations in vitro have been performed on RBCs suspensions with hematocrit almost equal to 10% to observe their tendency to aggregate during the flow in glass microtubes (diameter equal to 10 µm). RBCs aggregation has been evaluated as a function of the fixed pressure drop (Δp) and the residence time in microchannels by measuring clusters length and their statistical composition. The main aim of the experiments was to clarify the nature of the force acting on consecutive cells in a cluster: is it a pure hydrodynamic interaction or are other kinds of forces involved too? The experimental results presented in this thesis clearly show that the driving force of the phenomenon is the imposed Δp in the microtubes. The outcomes of these investigations suggest that microfluidics can represent an efficient means to develop clinical and diagnostic tests on healthy and pathological blood.In the second part of the thesis, an experimental campaign was performed on glass capillaries lined with polymer brushes to mimic in vivo conditions in microvascularity. Several scientific papers show that the lumen of vascular vessels is coated by a layer of glycopolymers linked to the endothelial cells. The full understanding of the hydrodynamic role of glycocalyx is essential to elucidate the link between its dysfunctions and vascular diseases. Moreover, it would be helpful to develop innovative clinical tests by microfluidics that could take in account the interactions between “hairy” walls and blood components. Nanometric brushes of poly-hydroxyethylmethacrylate (p-HEMA) have been produced by a grafting-from technique and, after characterization, they have been used to line internal surfaces of silica capillaries with 10 µm diameter. Here, we present the experimental results obtained by measuring velocity profiles in glass channels bearing polymer brushes of different thickness. An increasing flow resistance is observed in hairy channels as a function of brush thickness. The measured velocity decrease is significantly higher than expected from a simply geometrical reduction of the available capillary lumen. Furthermore, the observation of RBCs flow in such brush-coated channels reveals that cells velocity and deformation are closely depending on the presence of the bio-layer on the internal walls of the capillaries.

Ischaemic stroke is a major cause of death and disability worldwide. Cerebral autoregulation, which can be impaired during acute stroke, and collateral flow to brain tissue through the circle of Willis, both play a role in preventing tissue infarction. The configuration of the arterial circle varies between individuals. Thus, personalised modelling of the cerebral arterial network, to determine the potential for collateral flow, can be of significant value in the clinical context of stroke. The interaction between autoregulation and collateral flow remains poorly understood. In this study, steady-state physiological models of the cerebral arterial network, including several common variants of the circle of Willis, were coupled to a spatially variable mathematical representation of cerebral autoregulation. The resulting model was used to simulate various arterial occlusions, as well as bilateral and unilateral impairment of autoregulation, in each structural variant. The work identified few circle of Willis variants that present either particularly high-risk or particularly low-risk of cerebral ischaemia. Instead it was found that most variants are dependent upon the bilateral function of autoregulation to facilitate collateral flow and preserve cerebral blood flows. When autoregulation was impaired unilaterally, downstream of an occlusion, blood flows in the contralateral hemisphere were preserved at the expense of the ipsilateral tissue at risk. Arterial network models have in the past been personalised using structural, rather than functional, angiography measurements. This thesis presents a novel model-based method for absolute blood volume flow rate quantification in short arterial segments using dynamic magnetic resonance angiography data. The work also investigated the additional information that can be obtained from such functional angiography. The flow quantification technique was found to accurately estimate flows in shorter arterial segments than an existing technique. However, improvements to noise performance, and strategies for rejection of contaminating signals from overlapping vessels within the imaging plane, are required before the technique can be applied to personalised cerebral arterial network modelling.

Introduction : L’objectif de cette thèse était d'étudier les intégrateurs de risque cardiovasculaire chez des sujets qui représentent le continuum glycémique de la normo-glycémie jusqu'à la découverte du diabète, avant et après un petit déjeuner standardisé. Les paramètres que nous étudions étaient les suivants : l’endothélium, la rigidité artérielle et le système nerveux végétatif ou autonome (SNA). Méthodes : Dans un premier temps, nous avons mené une étude métabolique en utilisant des holters glycémiques. Ensuite nous avons étudié des sujets normo-glycémiques (NUTRIVASC: NCT01579409) intolérants au glucose (ACCES: NCT01521312) et diabétiques de type 2 avant et après un traitement par insuline (INSUVASC: 01022658). Nous avons étudié aussi le rôle des facteurs dit non classiques avec deux études sur l’association de la rigidité artérielle à la fibrose hépatique et la neuropathie diabétique. Conclusions : Nos résultats ont montré que la variabilité glycémique est plus forte en présence d’une dysglycémie et augmente avec l'HbA1c. Nous avons retrouvé une bonne corrélation entre la cinétique de la charge orale en glucose et celle d’un petit déjeuner standardisé. Chez les personnes âgées saines, l'augmentation du débit cardiaque après l'ingestion d'un repas dépend de l'augmentation de la FC sans que cet effet passe par l'inhibition vagale. Quatre semaines de traitement par insuline améliorait la fonction endothéliale microvasculaire à jeun. Parmi les patients diabétiques normotendus, ceux avec une neuropathie périphérique étaient deux fois plus susceptibles d'avoir une valeur de VOP > 90ème percentile des valeurs de référence que ceux sans neuropathie.La fibrose hépatique était corrélée à la rigidité artérielle indépendamment de l’âge et de la PA chez des sujets normotendus. Notre travail montre l’intérêt des explorations de la phase post-prandiale et l’étude des plusieurs cibles cardiovasculaires pour comprendre les différences de la PA et de la FC. / Introduction : The primary objective of this thesis was to study, at fasting and during the postprandial period, cardiovascular risk integrators in subjects representing the continuum from normoglycemia to insulin treated type 2 diabetes. We studied the following parameters : endothelial function, arterial stiffness and autonomic nervous system. Methods We have (i) conducted a metabolic study in obese subjects with continuous glucose monitoring systems ; (ii) studied subjects with normal glycemia (NUTRIVASC: NCT01579409), impaired glucose tolerance (ACCESS : NCT01521312) and (iii) type 2 diabetes before and after insulin treatment (INSUVASC: 01022658) ; and finally (iv) we studied the association of arterial stiffness with hepatic fibrosis and with diabetic neuropathy. Results(i) Glucose variability was higher in the presence of dysglycemia and increased with HbA1c. The kinetics of oral glucose tolerance test compared to a standardized breakfast were well correlated. (ii) In elderly patients without cardiovascular risk factors, the post-prandial increase in cardiac output depended on the increase in heart rate which was not driven by cardiac vagal inhibition ; The French National Nutrition Program recommendations had favorable effects on heart rate and myocardial viability. (iii) A 4-week treatment with insulin in addition to metformin improved microvascular endothelial function at fasting. (iv) In normotensive patients with diabetes, those with peripheral neuropathy have a two-fold higher risk for increased arterial stiffness than those without neuropathy. Finally, liver fibrosis correlates with arterial stiffness independently of age and blood pressure in normotensive subjects. Conclusions : Our work underlines the importance of exploring cardiovascular integrators during post prandial period in healthy subjects and in diabetic patients, according to their diet and their hypoglycemic and anti-hypertensive treatments.

A prematuridade está associada com uma alta incidência de complicações no período neonatal sendo uma das mais importantes a retinopatia da prematuridade (ROP) e suas seqüelas: ambliopia, estrabismo, cegueira. Estudos indicam que alterações no fluxo sanguíneo retiniano estão envolvidas na patogênese da ROP causando um crescimento vascular anormal dos vasos da retina. A análise por ultrassonografia Doppler (USD) dos vasos da órbita permite uma estimativa do fluxo sanguíneo local. Objetivo: estabelecer valores de velocidade do fluxo sanguíneo e de seus índices na artéria oftálmica em recém-nascidos pré-termos de muito baixo peso (RNPTMBP) "saudáveis" do nascimento até a alta. Metodologia: Coorte de recémnascidos pré-termos de muito baixo peso, nascidos na UTI Neonatal do Hospital de Clínicas de Porto Alegre (HCPA) no período de agosto de 2006 a abril de 2008. Foram obtidas as medidas de velocidade sistólica (VS), velocidade diastólica (VD), índice de pulsatilidade (IP) e índice de resistência (IR) da artéria oftálmica por USD nas primeiras 24 horas de vida, com sete dias, com 28 dias e no momento da alta hospitalar. Incluímos RN com peso de nascimento abaixo de 1500 gramas e idade gestacional <= 32 semanas, sem ROP graus 2 e 3, e sem hemorragia peri-intraventricular (HPIV) graus 3 e 4. A análise estatística foi realizada utilizando teste t pareado e análise de variância (ANOVA). Resultados: Foram estudados 46 RNPTMBP (92 olhos examinados). No primeiro exame os valores em média do fluxo sanguíneo e índices da artéria oftálmica foram: VS 18,42 cm/s; VD 6,22 cm/s; IP 1,40; IR 0,70 e com 28 dias de vida: VS 22,38 cm/s; VD 6,97 cm/s; IP 1,51; IR 0,75 (p<0.001). Não houve diferença significativa entre as medidas obtidas no olho direito e no esquerdo, e entre primeiro e segundo exames. Da mesma forma, as medidas obtidas com 28 dias de vida foram similares aquelas no momento da alta hospitalar. Conclusão: Ocorre uma elevação nas velocidades de fluxo sanguíneo da artéria oftálmica do período pós-natal até a alta em recémnascidos pré-termo de muito baixo peso de nascimento "saudáveis". Os índices calculados não mostraram diferença estatisticamente significativa. O conhecimento deste padrão normal poderá auxiliar na prevenção e no screening para detecção de doença ocular. / Retinopathy of prematurity (ROP) is a multifactorial disease of very low birth weight infants (VLBWI), and the vascular component has an important role. Evaluation of retinal blood flow is essential to understand its physiopathology. Objective: To establish normal blood flow velocity and Doppler indices of the ophthalmic arteries from birth to discharge of "healthy" VLBWI.Methods: Cohort study of newborns with birth weight < 1500 grams and gestational age <= 32 weeks born at our Hospital from August 2006 to April 2008. Doppler ultrasound exam was done in both eyes in the first 24 hours after birth, at 7 and 28 days old, and at hospital discharge for systolic velocity (SV), diastolic velocity (DV), pulsatility index (PI) and resistance index (RI). We excluded those with ROP stage 2 and higher, periintraventricular hemorrhage grades 3 and 4, and death. Statistical analysis was performed using paired t test and repeated measures ANOVA. The study was approved by our Ethic Committee.Results: 46 VLBWI (92 eyes) were studied. First exam: SV 18.40 cm/s; DV 6.23 cm/s; PI 1.41; RI 0.70 and 28 days after birth: SV 22.30 cm/s; DV 6.77 cm/s; PI 1,50; RI 0.75 ( p<0.001). Both eyes had similar Doppler findings at all examined moments. SV and DV increased significantly from the first 24 hours to hospital discharge. There were no significant changes during the study period in PI and RI. Conclusions: There was a increase of SV and DV retinal blood flow from birth to hospital discharge in "healthy" VLBWI; other Doppler measurements were stable. Knowing this normal pattern will provide prevention and screening for ROP.

La microcirculation cérébrale joue un rôle clé dans la physiologie cérébrale. Lors de maladies dégénératives comme celle d’Alzheimer, la détérioration des réseaux microvasculaires (e.g. occlusions et baisse de densité vasculaires) limite l’afflux sanguin vers le cortex. La réduction associée de l’apport en oxygène et nutriments risque de provoquer la mort de neurones. En complément des techniques d’imagerie médicale, la modélisation est un outil précieux pour comprendre l’impact de telles variations structurelles sur l’écoulement sanguin et les transferts de masse. Dans la microcirculation cérébrale, le lit capillaire contient les plus petits vaisseaux (diamètre de 1-10 μm) et présente une structure maillée, au sein du tissu cérébral. C’est le lieu principal des échanges moléculaires entre le sang et les neurones. Le lit capillaire est alimenté et drainé par les arbres artériolaires et veinulaires (diamètre de 10-100 μm). Depuis quelques décennies, les approches “réseau” ont significativement amélioré notre compréhension de l’écoulement sanguin, du transport de masse et des mécanismes de régulation dans la microcirculation cérébrale humaine. Cependant, d’un point de vue numérique, la densité des capillaires limite ces approches à des volumes relativement petits (<100 mm3). Cette contrainte empêche leur application à des échelles cliniques, puisque les techniques d’imagerie médicale permettent d’acquérir des volumes bien plus importants (∼100 cm3), avec une résolution de 1-10 mm. Pour réduire ce coût numérique, nous présentons une approche hybride pour la modélisation de l’écoulement dans laquelle les capillaires sont remplacés par un milieu continu. Cette substitution a du sens puisque le lit capillaire est dense et homogène à partir d’une longueur de coupure de ∼50 μm. Dans ce continuum, l’écoulement est caractérisé par des propriétés effectives (e.g. perméabilité) à l’échelle d’un volume représentatif plus grand. De plus, le continuum est discrétisé par la méthode des volumes finis sur un maillage grossier, ce qui induit un gain numérique important. Les arbres artério- et veinulaires ne peuvent être homogénéisés à cause de leur structure quasi-fractale. Nous appliquons donc une approche “réseau” standard dans les vaisseaux les plus larges. La principale difficulté de l’approche hybride est de développer un modèle de couplage aux points où les vaisseaux artério- et veinulaires sont connectés au continuum. En effet, de forts gradients de pression apparaissent à proximité de ces points, et doivent être homogénéisés proprement à l’échelle du continuum. Ce genre de couplage multi-échelle n’a jamais été introduit dans le contexte de la microcirculation cérébrale. Nous nous inspirons ici du "modèle de puits" développé par Peaceman pour l’ingénierie pétrolière, en utilisant des solutions analytiques du champ des pressions dans le voisinage des points de couplage. Les équations obtenues forment un unique système linéaire à résoudre pour l’ensemble du domaine d’étude. Nous validons l’approche hybride par comparaison avec une approche “réseau” classique, pour des architectures synthétiques simples qui n’impliquent qu’un ou deux couplages, et pour des structures plus complexes qui impliquent des arbres artério- et veinulaires anatomiques avec un grand nombre de couplages. Nous montrons que cette approche est fiable, puisque les erreurs relatives en pression sont faibles (<6 %). Cela ouvre la voie à une complexification du modèle (e.g. hématocrite non uniforme). Dans une perspective de simulations à grande échelle et d’extension au transport de masse, l’approche hybride a été implémentée dans un code C++ conçu pour le calcul haute performance. Ce code a été entièrement parallélisé en utilisant les standards MPI et des librairies spécialisées (e.g. PETSc). Ce travail faisant partie d’un projet plus large impliquant plusieurs collaborateurs, une attention particulière a été portée à l’établissement de stratégies d’implémentation efficaces. / The brain microcirculation plays a key role in cerebral physiology and neuronal activation. In the case of degenerative diseases such as Alzheimer’s, severe deterioration of the microvascular networks (e.g. vascular occlusions) limit blood flow, thus oxygen and nutrients supply, to the cortex, eventually resulting in neurons death. In addition to functional neuroimaging, modelling is a valuable tool to investigate the impact of structural variations of the microvasculature on blood flow and mass transfers. In the brain microcirculation, the capillary bed contains the smallest vessels (1-10 μm in diameter) and presents a mesh-like structure embedded in the cerebral tissue. This is the main place of molecular exchange between blood and neurons. The capillary bed is fed and drained by larger arteriolar and venular tree-like vessels (10-100 μm in diameter). For the last decades, standard network approaches have significantly advanced our understanding of blood flow, mass transport and regulation mechanisms in the human brain microcirculation. By averaging flow equations over the vascular cross-sections, such approaches yield a one-dimensional model that involves much fewer variables compared to a full three-dimensional resolution of the flow. However, because of the high density of capillaries, such approaches are still computationally limited to relatively small volumes (<100 mm3). This constraint prevents applications at clinically relevant scales, since standard imaging techniques only yield much larger volumes (∼100 cm3), with a resolution of 1-10 mm3. To get around this computational cost, we present a hybrid approach for blood flow modelling where the capillaries are replaced by a continuous medium. This substitution makes sense since the capillary bed is dense and space-filling over a cut-off length of ∼50 μm. In this continuum, blood flow is characterized by effective properties (e.g. permeability) at the scale of a much larger representative volume. Furthermore, the domain is discretized on a coarse grid using the finite volume method, inducing an important computational gain. The arteriolar and venular trees cannot be homogenized because of their quasi-fractal structure, thus the network approach is used to model blood flow in the larger vessels. The main difficulty of the hybrid approach is to develop a proper coupling model at the points where arteriolar or venular vessels are connected to the continuum. Indeed, high pressure gradients build up at capillary-scale in the vicinity of the coupling points, and must be properly described at the continuum-scale. Such multiscale coupling has never been discussed in the context of brain microcirculation. Taking inspiration from the Peaceman “well model” developed for petroleum engineering, our coupling model relies on to use analytical solutions of the pressure field in the neighbourhood of the coupling points. The resulting equations yield a single linear system to solve for both the network part and the continuum (strong coupling). The accuracy of the hybrid model is evaluated by comparison with a classical network approach, for both very simple synthetic architectures involving no more than two couplings, and more complex ones, with anatomical arteriolar and venular trees displaying a large number of couplings. We show that the present approach is very accurate, since relative pressure errors are lower than 6 %. This lays the goundwork for introducing additional levels of complexity in the future (e.g. non uniform hematocrit). In the perspective of large-scale simulations and extension to mass transport, the hybrid approach has been implemented in a C++ code designed for High Performance Computing. It has been fully parallelized using Message Passing Interface standards and specialized libraries (e.g. PETSc). Since the present work is part of a larger project involving several collaborators, special care has been taken in developing efficient coding strategies.

Le risque individuel de rupture des anévrismes cérébraux est un enjeu majeur dans la prise en charge clinique des anévrismes asymptomatiques. La rupture anévrismale se produit lorsque la contrainte intra-pariétale dépasse la contrainte à rupture du matériau composant la paroi. Notre étude a pour objectif d'être un pas vers une nouvelle mesure biomécanique du risque individuel de rupture des anévrismes cérébraux. Dans un premier temps, une étude expéri- mentale fut menée pour caractériser le comportement biomécanique de la paroi anévrismale sur 16 échantillons d'anévrismes prélevés chirurgicalement. L'expérimentation sur les échan tillons de poche anévrismale a permis de dégager trois grandes classes de tissus pour chaque sexe (homme et femme) : souple, rigide et intermédiaire. Il apparaît que tous les anévrismes non rompus appartiennent à la catégorie rigide ou intermédiaire et que tous les anévrismes rompus correspondent à la catégorie souple. Ceci permet de mettre en évidence une corrélation entre le risque de rupture et les propriétés du matériau composant la paroi anévrismale. Dans un deuxième temps, des simulations d'interaction fluide/structure (FSI) ont été réalisées pour comparer les déformations d'un anévrisme " patient spécifique " constitué d'un matériau dégradé et non dégradé. Les résultats montrent que les propriétés du matériaux ont un impact majeur sur l'ampleur de la variation de volume anévrismale diastolosystolique. Les changements en terme de variations de volume en fonction des caractéristiques du tissu sont potentiellement visualisables à l'aide de l'imagerie médicale. Une analyse des incertitudes des paramètres est aussi présentée et montre la robustesse des résultats aux incertitudes des données d'entrée. Il a ensuite été démontré sur 12 cas " patient-spécifique " d'anévrismes différents (forme, taille, localisation et conditions aux limites différentes) qu'il existe toujours une différence significative en terme de variation de volume au cours du cycle cardiaque entre un anévrisme dont la paroi est composé d'un matériau rigide et d'un matériau souple. Cette étude suggère donc que la variation de volume anévrismale pourrait être utilisée comme une base pour une évaluation individuelle du risque de rupture des anévrismes cérébraux. / The individual risk of rupture of cerebral aneurysm is a major stake in the clinical treatment. The aneurismal rupture occurs when the intra-parietal stress exceeds the rupture stress of the material of the aneurismal wall. The goal of our study is to be a step toward a new biomechanical measure of an individual risk of rupture of cerebral aneurysm. First, an experimental study was performed to characterize the biomechanical behavior of the aneurismal wall on 16 samples of aneurysms removed by neurosurgery. The experimentation on the samples allowed us to reach three main categories of tissues for each sex (female and male): soft, intermediate and stiff. All the unruptured aneurysms belong to the stiff category or the intermediate category and all the ruptured aneurysms belong to the soft category. This is allowed us to give prominence to the correlation between the risk of rupture and the properties of the material of the aneurismal wall. Then, Fluid/Structure interaction computations (FSI) were performed to compare the strain of a “patient-specific” aneurysm composed of a degraded and undegraded material. The results show that the properties of the material have a major impact on the scope of the aneurismal volume variation over the cardiac cycle. The volume variation changes depending on the properties of the tissue are potentially viewable by medical imaging. A study of the uncertainties of the parameters is also proposed and shows the robustness of the results. We also demonstrated on 12 cases of “patient-specific” aneurysms that a significant difference stiff exists in terms of volume variation over the cardiac cycle between an aneurysm composed of a stiff and a soft material. This study suggests that the aneurismal volume variation could be used as a basis for an evaluation of the individual risk of rupture of cerebral aneurysms.

A prematuridade está associada com uma alta incidência de complicações no período neonatal sendo uma das mais importantes a retinopatia da prematuridade (ROP) e suas seqüelas: ambliopia, estrabismo, cegueira. Estudos indicam que alterações no fluxo sanguíneo retiniano estão envolvidas na patogênese da ROP causando um crescimento vascular anormal dos vasos da retina. A análise por ultrassonografia Doppler (USD) dos vasos da órbita permite uma estimativa do fluxo sanguíneo local. Objetivo: estabelecer valores de velocidade do fluxo sanguíneo e de seus índices na artéria oftálmica em recém-nascidos pré-termos de muito baixo peso (RNPTMBP) "saudáveis" do nascimento até a alta. Metodologia: Coorte de recémnascidos pré-termos de muito baixo peso, nascidos na UTI Neonatal do Hospital de Clínicas de Porto Alegre (HCPA) no período de agosto de 2006 a abril de 2008. Foram obtidas as medidas de velocidade sistólica (VS), velocidade diastólica (VD), índice de pulsatilidade (IP) e índice de resistência (IR) da artéria oftálmica por USD nas primeiras 24 horas de vida, com sete dias, com 28 dias e no momento da alta hospitalar. Incluímos RN com peso de nascimento abaixo de 1500 gramas e idade gestacional <= 32 semanas, sem ROP graus 2 e 3, e sem hemorragia peri-intraventricular (HPIV) graus 3 e 4. A análise estatística foi realizada utilizando teste t pareado e análise de variância (ANOVA). Resultados: Foram estudados 46 RNPTMBP (92 olhos examinados). No primeiro exame os valores em média do fluxo sanguíneo e índices da artéria oftálmica foram: VS 18,42 cm/s; VD 6,22 cm/s; IP 1,40; IR 0,70 e com 28 dias de vida: VS 22,38 cm/s; VD 6,97 cm/s; IP 1,51; IR 0,75 (p<0.001). Não houve diferença significativa entre as medidas obtidas no olho direito e no esquerdo, e entre primeiro e segundo exames. Da mesma forma, as medidas obtidas com 28 dias de vida foram similares aquelas no momento da alta hospitalar. Conclusão: Ocorre uma elevação nas velocidades de fluxo sanguíneo da artéria oftálmica do período pós-natal até a alta em recémnascidos pré-termo de muito baixo peso de nascimento "saudáveis". Os índices calculados não mostraram diferença estatisticamente significativa. O conhecimento deste padrão normal poderá auxiliar na prevenção e no screening para detecção de doença ocular. / Retinopathy of prematurity (ROP) is a multifactorial disease of very low birth weight infants (VLBWI), and the vascular component has an important role. Evaluation of retinal blood flow is essential to understand its physiopathology. Objective: To establish normal blood flow velocity and Doppler indices of the ophthalmic arteries from birth to discharge of "healthy" VLBWI.Methods: Cohort study of newborns with birth weight < 1500 grams and gestational age <= 32 weeks born at our Hospital from August 2006 to April 2008. Doppler ultrasound exam was done in both eyes in the first 24 hours after birth, at 7 and 28 days old, and at hospital discharge for systolic velocity (SV), diastolic velocity (DV), pulsatility index (PI) and resistance index (RI). We excluded those with ROP stage 2 and higher, periintraventricular hemorrhage grades 3 and 4, and death. Statistical analysis was performed using paired t test and repeated measures ANOVA. The study was approved by our Ethic Committee.Results: 46 VLBWI (92 eyes) were studied. First exam: SV 18.40 cm/s; DV 6.23 cm/s; PI 1.41; RI 0.70 and 28 days after birth: SV 22.30 cm/s; DV 6.77 cm/s; PI 1,50; RI 0.75 ( p<0.001). Both eyes had similar Doppler findings at all examined moments. SV and DV increased significantly from the first 24 hours to hospital discharge. There were no significant changes during the study period in PI and RI. Conclusions: There was a increase of SV and DV retinal blood flow from birth to hospital discharge in "healthy" VLBWI; other Doppler measurements were stable. Knowing this normal pattern will provide prevention and screening for ROP.

La microcirculation cutanée a été proposée comme modèle d’étude de la dysfonction microvasculaire globale dans les maladies cardiovasculaires. Par ailleurs, elle est spécifiquement atteinte dans la sclérodermie systémique (SSc), qui est une maladie dysimmunitaire rare, particulièrement invalidante, caractérisée par une fibrose cutanée et viscérale associée à une atteinte microvasculaire diffuse et la présence d’auto anticorps dirigés contre des antigènes cellulaires. L’exploration de la fonction microvasculaire cutanée suscite donc un réel intérêt, même s’il n’existe pas de technique standardisée pour l’étude de la fonction microvasculaire, en particulier endothéliale.La première partie de ce travail a porté sur l’étude physiologique de la microcirculation cutanée chez le volontaire sain, en utilisant les méthodes les plus récentes adaptées à l’étude fonctionnelle de la microcirculation (tests de réactivité vasculaire couplés à l’enregistrement du flux sanguin cutané par laser speckle contrast imaging). Dans une seconde partie, nous avons étudié la pathologie de la microcirculation cutanée dans la sclérodermie systémique, en utilisant les mêmes d’étude fonctionnelle de la microcirculation. La dernière partie de cette thèse a été consacrée à l’étude d’une nouvelle approche pharmacologique et thérapeutique dans la prise en charge des manifestations vasculaires cutanées périphériques identifiées chez les patients. Nous avons évalué l’effet vasodilatateur du tréprostinil, analogue de la prostacycline, sur le flux sanguin cutané de divers zones anatomiques, chez le volontaire sain, le patient atteint de SSc, le patient diabétique et lors d’un refroidissement local dans la SSc. / Cutaneous microcirculation has been proposed as a model to study the global microvascular dysfunction occurring in cardiovascular diseases. Furthermore, it is specifically impaired in systemic sclerosis (SSc), which is a rare and particularly invalidating auto-immune disease, characterized by a cutaneous and visceral fibrosis, associated with a diffuse microvascular impairment and auto-antibodies targeting some cellular antigens. The study of cutaneous microvascular function provides a real interest despite the lack of available standardized techniques, particularly to explore endothelial microvascular function.In the first part of this work, we aimed to study the physiology of cutaneous microcirculation in healthy volunteers, using the more recent methods in this field, adapted to functional study of microcirculation (vascular reactivity tests coupled with cutaneous blood flow recording by laser speckle contrast imaging). The second part of our work aimed to study the pathology of cutaneous microcirculation in SSc volunteers, by using the same functional exploration methods. The last part of this work has been dedicated to a new pharmacologic and therapeutic approach for the management of peripheral cutaneous vascular manifestations in patients, using innovating technics as cutaneous iontophoresis. We studied the vasodilator effect of treprostinil, a prostacycline analogue, on cutaneous blood flow in several anatomic regions in healthy subject, SSc patient and diabetic patient, and also during a local cooling in SSc.

Contrairement aux liquides ordinaires, les fluides complexes comme le sang exhibent des comportements étranges qui dépendent essentiellement des structures sous-jacentes qui les composent. La simulation des écoulements sanguins continue de poser un formidable défi pour les modélisations théoriques et numériques dont l'intérêt est de développer des méthodes et des outils de simulation pour la communauté médicale. Nous proposons dans cette thèse une contribution à ce projet qui sera majoritairement centré sur les aspects numériques et informatiques. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'interaction entre le sang et la paroi vasculaire, qui joue un rôle important dans les grandes artères comme l'aorte. Nous nous sommes aussi investis dans la simulation du transport des cellules sanguines dans le sang. Pour la résolution des équations aux dérivées partielles décrivant nos modèles d'hémodynamique, nous avons choisi d'utiliser des méthodes numériques dont la précision pourra être accrue de manière arbitraire. Dans ce but, les principaux ingrédients qui ont été mis en oeuvre sont (i) la méthode des éléments finis basée sur des approximations de Galerkin d'ordre arbitraire en espace et géométrie, (ii) la méthode ALE pour la prise en compte de la mobilité des domaines pour des déplacements d'ordre arbitraire, (iii) les couplages implicites et semi-implicites pour l'interaction fluide-structure. Nous proposons également une nouvelle formulation de la méthode de la frontière élargie visant à modéliser le transport de particules déformables immergées dans un fluide. Nos simulations numériques se sont appuyées sur la librairie de calcul Feel++, spécialisée dans la résolution d'EDP. Outre l'implémentation des modèles physiques, nous y avons développé diverses fonctionnalités nécessaires à la mise en oeuvre de nos méthodes : interpolation, méthode de Galerkin non standard, méthode ALE, environnement pour l'interaction fluide-structure. De plus, de par la taille des géométries et la complexité des modèles mis en jeu, le passage au calcul parallèle a été indispensable pour pouvoir réaliser nos simulations. Ainsi, nous avons décrit le développement qui a été effectué dans cette librairie pour permettre le déploiement de nos programmes sur des architectures parallèles. / Unlike ordinary liquids, complex fluids such as blood exhibit strange behavior mainly dependent underlying structures that compose them. Simulation of blood flow remains a formidable challenge for theoretical and numerical modeling whose interest is to develop methods and simulation tools for the medical community. We propose in this work a contribution to this project will be mainly focused on numerical and computational aspects. We are particularly interested in the interaction between the blood and the vascular wall, which plays an important role in the large arteries as the aorta. We also invested in transport simulation of blood cells in the blood. For solving partial differential equations describing our hemodynamic models we chose to use numerical methods whose accuracy can be increased arbitrarily. For this purpose, the main ingredients that have been used are textit {(i)} the finite element method based on Galerkin approximations of arbitrary order in space and geometry, (i) the ALE method for taking into account the mobility of areas for movements of arbitrary order, (ii) the implicit and semi-implicit coupling for fluid-structure interaction. We also propose a new formulation of the method of boundary extended to model the transport of deformable particles immersed in a fluid. Our numerical simulations were based on the library Feel++ specializing on the EDP resolution. In addition to implementing physical models, we have developed various features are necessary for the implementation our methods: interpolation, Galerkin non-standard method, ALE method, framework for fluid-structure interaction. In addition, the size and geometry of the complexity of the models involved, the transition to parallel computing was essential in order to achieve our simulations. Thus, we have described the development was carried out in the library to allow deployment of our programs on parallel architectures.

Ratos foram tratados com salina, óleos de peixe (OP) ou soja (OS) por via intragástrica durante 20 dias antes da indução do IAM. A área de infarto e atividades da creatina quinase no plasma e da caspase 3 no ventrículo esquerdo (VE) foram menores no grupo OP comparado a salina ou OS. Os conteúdos de IL-1&beta;, TNF-&alpha;, CINC 2&alpha;/&beta;, IL-6 e VEGF-&alpha; no VE e de IL-1&beta;, TNF-&alpha;, MIP-3, IL-6 e VEGF-&alpha; no fígado foram elevados pelo OS. O OP aumentou os conteúdos de ATP e lactato e diminuiu o de glicogênio no VE. A redução do fluxo coronariano no VE dos animais infartados foi abolida pelo OP. A expressão gênica de iNOS, eNOS, HIF-1&alpha;, GLUT-1, VEGF-&alpha;, p53 e Bax2 no VE aumentou pelo OP. A fração de ejeção, fração de encurtamento e velocidade de encurtamento das fibras cardíacas foram mais elevadas pelo OP. Portanto, o tratamento com OP induziu um estado de pré-condicionamento que conferiu proteção do miocárdio à injúria isquêmica. / Rats were treated with saline, fish (FO) or soybean (SO) oils by gavage for 20 days before myocardial infarction (MI). Infarct size, activities of plasma CK and caspase 3 in the left ventricle (LV) were decreased by FO as compared with saline or SO. The contents of IL-1&beta;, TNF-&alpha;, CINC 2&alpha;/&beta;, IL-6, VEGF-&alpha; in the LV and of IL-1&beta;, TNF-&alpha;, MIP-3, IL-6, VEGF-&alpha; in the liver were increased by SO. Contents of ATP and lactate in the LV were increased and of glycogen decreased by FO. FO prevented the decrease in the coronary blood flow in the LV of infarcted rats. The mRNA contents of iNOS, eNOS, HIF-1&alpha;, GLUT 1, VEGF-&alpha;, p53 and Bax2 in the VE were increased by FO. Ejection fraction, fractional shortening and velocity of circumferential fiber-shortening were also increased by FO. So, treatment with FO leads to a preconditioning state that protected the heart from MI injury.