Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée. / Clinical diagnosis of cardiovascular disease is dominated by colour-Doppler ultrasound despite its limitations: angle-dependent velocity measurements and low frame-rate from conventional focusing. Two studies, varying in their approach, address these limitations using plane-wave imaging, post-processed with the delay-and-sum and autocorrelation methods. The aim of this study is to re-implement these methods, investigating some parameters which affect blood velocity estimation accuracy using 2D vector-Doppler. Through in vitro experimentation on stationary parabolic flow, using a Verasonics system, four parameters were tested on mapping accuracy: number of tilts per orientation, ensemble length for single titled images, cycles per transmit pulse, and orientation angle at various flow-rates. The optimal estimates were found for 7 compounded tilts per image, oriented at ±15° with 6 cycles per pulse. Reconstruction accuracies were comparable to conventional Doppler; however, maintaining frame-rates more than 10 to 20 times faster, allowing better characterization of fast transient events requiring higher temporal resolution.

La carotide est une artère très importante, car elle a pour fonction, principale avec le tronc basilaire d'irriguer le cerveau. Le flux sanguin dans cette région est complexe durant un cycle cardiaque. Les différentes formes de flux et en particulier le vortex ont rarement été discutés auparavant, et le battement de la paroi n'est pas pris en compte. Ce travail de thèse est une contribution pour comprendre l'évolution du vortex et les éléments qui l'influencent, en particulier les battements de parois, pour une recherche expérimentale au niveau de modèles de la bifurcation carotidienne. Les fantômes de carotide avec une transparence et une élasticité des parois artérielles proches de la réalité ont été réalisés par la technique de prototypage rapide. La description des phénomènes de flux et de vortex ont été réalisée dans les fantômes rigide et souple des carotides essentiellement de deux manières : longitudinalement par caméra rapide et transversalement par IRM. Une plateforme économique de PIV a été établie pour quantifier précisément le comportement du vortex avec des vecteurs de vitesse. Une méthode de segmentation de région de vortex et une analyse quantitative ont été mises au point pour étudier leur évolution durant le cycle cardiaque par IRM. La reproductibilité du vortex a été validée par une approche statistique. Les paramètres influençant le comportement des vortex dans les fantômes souple et rigide ont été étudiés. Enfin, une étude de faisabilité sur les vortex dans les fantômes en forme de carotide réelle a été réalisée pour la première fois. / The carotid artery is very important because its main function, with the basilar artery, is to irrigate the brain. The blood flow in this region is complex during a cardiac cycle. The various shapes of flow, in particular, the vortex, has rarely been discussed before and the beating of the arterial wall has not been taken into account. This thesis is a contribution to understand the evolution of the vortex and its factors, in particular the beating of arterial wall in experimental research at the carotid bifurcation. The elastic carotid phantoms with transparency and similar elasticity to real arterial walls properties have been made by rapid prototyping technique. The descriptions of vortex in the rigid and elastic carotid phantoms have been studied in two ways : longitudinal by a high-speed frame camera and tranversal by MRI sequences. An economic PIV platform that can accurately quantify the vortex by velocity vectors has been mounted. Asegmentation method to quantify and analyze the area of the vortex has been developed to study its evolution during the cardiac cycle by MRI. The reproducibility of the vortex has been validated by a statistical approach. The parameters influencing the behavior of vortex have been investigated in rigid and elastic phantoms. At the end, the study of vortex in real-carotid-shaped phantom has been tested for the first time.

L'irritation mécanique de la peau entraîne une vasodilatation sur la ligne de la griffure suite à la libération de l'histamine des mastocytes et une vasodilatation dans les alentours liée à la stimulation des récepteurs de douleurs. Le réseau vasculaire est décrit par un modèle continu et un modèle discret. Les modèles consistent en trois couches. Le modèle continu décrit la première et la troisième couche (irrigation et drainage) comme milieux poreux bidimensionnels horizontaux. Le modèle discret tient compte de la structure de l'arbre vasculaire. La couche intermédiaire est décrite comme modèle de compartimentation. La vasodilatation a été mesurée en utilisant la Vélocimétrie Laser Doppler. Les résultats expérimentaux et numériques ont été comparés à l'aide du modèle de Bonner et al., qui est basé sur le spectre de fréquence du signal Doppler.

La circulation collatérale non coronarienne (CCNC) perfuse le cœur en provenant d'artères bronchiques, médiastinales et péricardiques. L'éventualité que la CCNC puisse être artificiellement augmentée pour fournir un traitement alternatif pour les patients ischémiques représente une hypothèse intrigante sans réponse en raison de la nature difficile de ce champ derecherche. En se basant sur plusieurs aspects, tel que (1) l'existence des collatérales naturelles entre les artères coronaires et les artères thoraciques internes (ATIs), (2) les effets potentiels de la ligature des ATIs; (3) la capacité des ATIs de développer d'importantes branches collatérales ; (4) et la disponibilité actuelle des facteurs de croissance vasculaire, l'hypothèse ici décrite est que l'augmentation de la CCNC pourrait représenter une stratégie alternative d'apport sanguin au coeur.Ainsi, l'association d'occlusion des ATIs et de l'administration des facteurs de croissance pourrait représenter un moyen de poursuivre cet objectif. Pour le premier travail de recherche, nous avons établi un modèle canin.

La carotide est une artère très importante, car elle a pour fonction, principale avec le tronc basilaire d'irriguer le cerveau. Le flux sanguin dans cette région est complexe durant un cycle cardiaque. Les différentes formes de flux et en particulier le vortex ont rarement été discutés auparavant, et le battement de la paroi n'est pas pris en compte. Ce travail de thèse est une contribution pour comprendre l'évolution du vortex et les éléments qui l'influencent, en particulier les battements de parois, pour une recherche expérimentale au niveau de modèles de la bifurcation carotidienne. Les fantômes de carotide avec une transparence et une élasticité des parois artérielles proches de la réalité ont été réalisés par la technique de prototypage rapide. La description des phénomènes de flux et de vortex ont été réalisée dans les fantômes rigide et souple des carotides essentiellement de deux manières : longitudinalement par caméra rapide et transversalement par IRM. Une plateforme économique de PIV a été établie pour quantifier précisément le comportement du vortex avec des vecteurs de vitesse. Une méthode de segmentation de région de vortex et une analyse quantitative ont été mises au point pour étudier leur évolution durant le cycle cardiaque par IRM. La reproductibilité du vortex a été validée par une approche statistique. Les paramètres influençant le comportement des vortex dans les fantômes souple et rigide ont été étudiés. Enfin, une étude de faisabilité sur les vortex dans les fantômes en forme de carotide réelle a été réalisée pour la première fois.

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée. / Clinical diagnosis of cardiovascular disease is dominated by colour-Doppler ultrasound despite its limitations: angle-dependent velocity measurements and low frame-rate from conventional focusing. Two studies, varying in their approach, address these limitations using plane-wave imaging, post-processed with the delay-and-sum and autocorrelation methods. The aim of this study is to re-implement these methods, investigating some parameters which affect blood velocity estimation accuracy using 2D vector-Doppler. Through in vitro experimentation on stationary parabolic flow, using a Verasonics system, four parameters were tested on mapping accuracy: number of tilts per orientation, ensemble length for single titled images, cycles per transmit pulse, and orientation angle at various flow-rates. The optimal estimates were found for 7 compounded tilts per image, oriented at ±15° with 6 cycles per pulse. Reconstruction accuracies were comparable to conventional Doppler; however, maintaining frame-rates more than 10 to 20 times faster, allowing better characterization of fast transient events requiring higher temporal resolution.

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.

La pratique d’exercices intenses répétés, entrecoupés de faibles temps de récupération, est susceptible d’engendrer une altération de l’homéostasie et une diminution de la performance chez les sportifs soumis à ce type de contraintes. Dans ce contexte, l’optimisation des processus de récupération est une possibilité forte d’amélioration de la performance et de sa reproduction. Une des principales limites au maintien de la performance de type haute intensité, répété à court terme, est attribuée à la fatigue périphérique, inhérente à l’ensemble des mécanismes de l’excitabilité et de la contraction du muscle squelettique. Cette fatigue périphérique engendre une inadéquation entre les apports et les besoins cellulaires, en oxygène et en nutriments, ainsi qu’une incapacité à éliminer et/ou recycler les produits métaboliques issus de la contraction musculaire. Afin de limiter ces effets, l’augmentation du flux sanguin lors de l’exercice et de la récupération apparaît indispensable au bon rétablissement de l’état d’équilibre de l’organisme et au maintien de la performance sportive. A ce titre, l’électrostimulation neuromusculaire semble être un mode de récupération théoriquement efficace pour augmenter le flux sanguin. Cette présente thèse, comprenant trois études, visait à connaître précisément les effets de l’électrostimulation neuromusculaire - par l’utilisation d’un nouvel appareil issu du domaine médicale - sur la cinétique de récupération de marqueurs de performance, de marqueurs physiologiques et de perception, dans le contexte d’exercices intenses, répétés à court terme. Nous avons émis l’hypothèse qu’une stimulation efficace, induisant une augmentation du flux sanguin, permettrait d’optimiser la récupération à court terme, entre deux exercices de haute intensité. Ces résultats devraient permettre d’optimiser, dans le futur, les stratégies de récupération mises en place après un exercice intense, répété dans de brefs délais / The practice of intense and repeated exercises, interrupted with short recovery times, may induce alterations in homeostasis and a decrease of the performance for athletes who are subject to this type of constraints. In this context, the optimization of the recovery processes is a strong possibility to improve performance and the maintain of it all along the competitive period. One of the main limits in the preservation of performance in type high-intensity, repeated at small interval of time, is attributed to the peripheral fatigue, inherent to all the mechanisms implied in the skeletal muscle excitability and contraction. This peripheral fatigue induces an inadequacy between the contributions and the cellular needs of oxygen and nutrients, and also a disability for disposal or recycling the metabolic by-products stemming from the muscular contraction. In order to limit these effects, the increase in blood flow during exercise and recovery seems essential for the good restoring of the state of physiological balance for the body and the preservation of sport performance. Therefore, the neuromuscular electrical stimulation seems to be, in theory, an effective recovery mode to improve the blood flow. This present thesis, comprising three studies, aimed to know precisely the effects of the neuromuscular electrical stimulation - by the use of a new device stemming from the medical field - on the kinetics of recovery of performance, physiological and perceptual markers, in the context of intense exercises repeated in the short terms. We hypothesized that an effective stimulation, increasing the blood flow would allow to optimize short-term recovery between two high-intensity exercises. These results should contribute to optimize, in the future, the strategies of recovery organized after an intense exercise

Les études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont pour prémisse générale l’idée que le signal BOLD peut être utilisé comme un succédané direct de l’activation neurale. Les études portant sur le vieillissement cognitif souvent comparent directement l’amplitude et l’étendue du signal BOLD entre des groupes de personnes jeunes et âgés. Ces études comportent donc un a priori additionnel selon lequel la relation entre l’activité neurale et la réponse hémodynamique à laquelle cette activité donne lieu restent inchangée par le vieillissement. Cependant, le signal BOLD provient d’une combinaison ambiguë de changements de métabolisme oxydatif, de flux et de volume sanguin. De plus, certaines études ont démontré que plusieurs des facteurs influençant les propriétés du signal BOLD subissent des changements lors du vieillissement. L’acquisition d’information physiologiquement spécifique comme le flux sanguin cérébral et le métabolisme oxydatif permettrait de mieux comprendre les changements qui sous-tendent le contraste BOLD, ainsi que les altérations physiologiques et cognitives propres au vieillissement. Le travail présenté ici démontre l’application de nouvelles techniques permettant de mesurer le métabolisme oxydatif au repos, ainsi que pendant l’exécution d’une tâche. Ces techniques représentent des extensions de méthodes d’IRMf calibrée existantes. La première méthode présentée est une généralisation des modèles existants pour l’estimation du métabolisme oxydatif évoqué par une tâche, permettant de prendre en compte tant des changements arbitraires en flux sanguin que des changements en concentrations sanguine d’O2. Des améliorations en terme de robustesse et de précisions sont démontrées dans la matière grise et le cortex visuel lorsque cette méthode est combinée à une manipulation respiratoire incluant une composante d’hypercapnie et d’hyperoxie. Le seconde technique présentée ici est une extension de la première et utilise une combinaison de manipulations respiratoires incluant l’hypercapnie, l’hyperoxie et l’administration simultanée des deux afin d’obtenir des valeurs expérimentales de la fraction d’extraction d’oxygène et du métabolisme oxydatif au repos. Dans la deuxième partie de cette thèse, les changements vasculaires et métaboliques liés à l’âge sont explorés dans un groupe de jeunes et aînés, grâce au cadre conceptuel de l’IRMf calibrée, combiné à une manipulation respiratoire d’hypercapnie et une tâche modifiée de Stroop. Des changements de flux sanguin au repos, de réactivité vasculaire au CO2 et de paramètre de calibration M ont été identifiés chez les aînés. Les biais affectant les mesures de signal BOLD obtenues chez les participants âgés découlant de ces changements physiologiques sont de plus discutés. Finalement, la relation entre ces changements cérébraux et la performance dans la tâche de Stroop, la santé vasculaire centrale et la condition cardiovasculaire est explorée. Les résultats présentés ici sont en accord avec l’hypothèse selon laquelle une meilleure condition cardiovasculaire est associée à une meilleure fonction vasculaire centrale, contribuant ainsi à l’amélioration de la santé vasculaire cérébrale et cognitive. / Functional MRI (fMRI) studies using the BOLD signal are done under the general assumption that the BOLD signal can be used as a direct index of neuronal activation. Studies of cognitive aging often compare BOLD signal amplitude and extent directly between younger and older groups, with the additional assumption that the relationship between neuronal activity and the hemodynamic response is unchanged across the lifespan. However, BOLD signal arises from an ambiguous mixture of changes in oxidative metabolism, blood flow and blood volume. Furthermore, previous studies have shown that several BOLD signal components may be changed during aging. More physiologically-specific information on blood flow and oxidative metabolism would allow a better understanding of these signal changes and of the physiological and cognitive changes seen with aging. The work presented here demonstrates techniques to estimate oxidative metabolism at rest and during performance of a task. These techniques are extensions of previous calibrated fMRI methods and the first method presented is based on a generalization of previous models to take into account both arbitrary changes in blood flow and blood O2 content. The improved robustness and accuracy of this method, when used with a combined hypercapnia and hyperoxia breathing manipulation, is demonstrated in visual cortex and grey matter. The second technique presented builds on the generalization of the model and uses a combination of breathing manipulations including hypercapnia, hyperoxia and both simultaneously, to obtain experimentally-determined values of resting oxygen extraction fraction and oxidative metabolism. In the second part of this thesis, age-related vascular and metabolic changes are explored in a group of younger and older adults using a calibrated fMRI framework with a hypercapnia breathing manipulation and a modified Stroop task. Changes in baseline blood flow, vascular reactivity to the CO2 challenge and calibration parameter M were identified in the older participants. Potential biases in BOLD signal measurements in older adults arising from these physiological changes are discussed. Finally, the relationship between these cerebral changes and performance on the modified Stroop task, central vascular health and cardiovascular fitness are explored. The results of this thesis support the hypothesis that greater cardiovascular fitness is associated with improvements in central vascular function, contributing in turn to improved brain vascular health and cognition.

La circulation collatérale non coronarienne (CCNC) perfuse le cœur en provenant d’artères bronchiques, médiastinales et péricardiques. L’éventualité que la CCNC puisse être artificiellement augmentée pour fournir un traitement alternatif pour les patients ischémiques représente une hypothèse intrigante sans réponse en raison de la nature difficile de ce champ de recherche. En se basant sur plusieurs aspects, tel que (1) l’existence des collatérales naturelles entre les artères coronaires et les artères thoraciques internes (ATIs), (2) les effets potentiels de la ligature des ATIs; (3) la capacité des ATIs de développer d’importantes branches collatérales ; (4) et la disponibilité actuelle des facteurs de croissance vasculaire, l’hypothèse ici décrite est que l’augmentation de la CCNC pourrait représenter une stratégie alternative d’apport sanguin au coeur.Ainsi, l’association d’occlusion des ATIs et de l’administration des facteurs de croissance pourrait représenter un moyen de poursuivre cet objectif. Pour le premier travail de recherche, nous avons établi un modèle canin. / Noncoronary collateral circulation (NCCC) comes to the heart from mediastinal, bronchial, and pericardial channels. Whether NCCC can somehow be augmented to provide an alternative therapy for ischemic patients is an intriguing hypothesis with no clear answer yet due to the challenging nature of this research field. Based on several aspects, such as (1) the occurrence of natural collaterals between coronary and the internal thoracic arteries (ITAs), (2) the potentialhemodynamic effects of ITAs ligation, (3) the potential of ITAs for developing important collateral branches, and (4) the current availability of angiogenic growth factors, the hypothesis herein is that enhancement of NCCC may represent an alternative myocardial blood supply strategy, and that combining ITAs occlusion with angiogenic growth factors may represent a way to achieve this objective. We established an ischemic canine model for first experiment.