L’ablation partielle du foie est une chirurgie qui intervient dans le traitement des lésions du foie et lors d’une transplantation partielle de foie. Les relations entre l’hémodynamique du foie, son volume et ses fonctions restent à élucider pour mieux comprendre les causes des complications de ces chirurgies. Lors de la chirurgie, l’hémodynamique du foie est altérée suite à l’augmentation de la résistance au flux sanguin de l’organe. La régénération du foie semble dépendante des changements de débit et de pression dans la veine porte. D’autre part, comme le foie reçoit 25% du débit cardiaque, la chirurgie impacte la circulation sanguine globale.
 Dans ce contexte, le premier objectif est de mieux comprendre, grâce à des modèles mathématiques, l’influence de l’hépatectomie sur l’hémodynamique. Le second objectif est l’analyse de la perfusion et de la fonction du foie. Premièrement, la procédure chirurgicale, les conditions expérimentales ainsi que les mesures obtenues sont détaillées.
 Ensuite, les valeurs moyennes mesurées lors de douze chirurgies sont reproduites par un modèle de circulation entière, basé sur des équations différentielles ordinaires. Lors des différentes hépatectomies, des changements de forme de courbe sont observés. Un modèle de circulation entière, basée sur des équations 1D et 0D est proposé pour analyser ces changements. Ce travail pourrait permettre une meilleure compréhension des changements d’architecture du foie induits par l’hépatectomie.
 Puis, le transport dans le sang d’un composé ainsi que son traitement par le foie sont modélisés. Un modèle pharmacocinétique est développé et grâce aux mesures, les paramètres du modèle sont estimés. / Major liver resection is being performed to treat liver lesions or for adult-to-adult living donor liver transplantation. Complications of these surgeries are related to a poor liver function. The links between liver hemodynamics, liver volume and liver function remain unclear and are important to better understand these complications. The surgery increases the resistance to blood flow in the organ, therefore it modifies liver hemodynamics. Large modifications of the portal vein hemodynamics have been associated with poor liver regeneration. Moreover the liver receives 25% of the cardiac outflow, therefore liver surgery may impact the whole blood circulation. In this context, the first goal is to investigate with mathematical models the impact of liver surgery on liver hemodynamics. The second goal is to study the liver perfusion and function with mathematical models. The first part describes the experimental conditions and reports the measurements recorded. Then, the second part focuses on the liver hemodynamics during partial hepatectomy. On one hand, the hemodynamics during several surgeries is quantitatively reproduced and explained by a closed-loop model based on ODE. On the other hand, the change of waveforms observed after different levels of liver resection is reproduced with a model of the global circulation, including 0D and 1D equations. This may contribute to a better understanding of the change of liver architecture induced by hepatectomy. Next, the transport in blood of a compound is studied. And a pharmacokinetics model and its parameter identification are developed to quantitatively analyze indocyanine green fluorescence dynamics in the liver tissue.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Plusieurs études cliniques effectuées chez l’homme ont démontré une association entre l’hypertension, la résistance à l’insuline et la dysfonction endothéliale. Cette même association a aussi été démontrée dans plusieurs modèles animaux, dont le rat spontanément hypertendu (SHR), et le rat nourri avec un régime sucrosé. Par conséquent, nous avons voulu caractériser chez le SHR les effets de l’hypertension combinés à ceux d’une alimentation sucrosée, sur la sensibilité à l’insuline, les actions hémodynamiques et métaboliques de l’insuline, la fonction endothéliale et la réactivité vasculaire in vivo et in vitro comparativement à son contrôle normotendu, le rat Wistar-Kyoto (WKY). Nous avons observé dans les deux groupes SHR (ie avec régime standard et régime sucrosé), une altération de la réactivité vasculaire, ainsi qu’une variation de la réponse hémodynamique à l’insuline lors d’un clamp euglycémique/hyperinsulinémique. Nous avons aussi noté une réduction du transport du glucose et de l’expression de l’enzyme eNOS dans le muscle squelettique des groupes SHR. / Several clinical studies carried out in humans have demonstrated an association between hypertension, insulin resistance and endothelial dysfunction. The same association has also been shown in several animal models, including the spontaneously hypertensive rat (SHR), and the high sucrose-fed rat. Consequently, we undertook a series of experiments to characterize the effects of hypertension combined with those of a high sucrose diet on insulin sensitivity, insulin’s haemodynamic and metabolic actions, endothelial function and in vivo and in vitro vascular reactivity. Our results clearly indicate significant alterations in aortic vascular reactivity, as well as in insulin haemodynamic responses measured during a euglycemic/hyperinsulinemic clamp in the SHR rat. These effects were independent of diet. We also noted a decrease in skeletal muscle glucose transport activity and in eNOS protein expression.

Contexte: la survenue d’IRA chez les patients ayant subi un traumatisme est une problématique qui a été peu étudiée jusqu’à ce jour. La présence de cette atteinte rénale a été démontrée comme étant associée à un risque accru de morbidités et de mortalité chez les sujets atteints. Objectifs: identifier les facteurs prédictifs d’insuffisance rénale ou plus récemment appelée atteinte rénale dans cette population particulière et tenter de trouver des facteurs qui peuvent être mesurés dans les premières heures de la prise en charge du patient. Aussi, nous avons cherché à savoir si l’injection de produit de contraste est associée à un risque accru d’insuffisance rénale aiguë dans cette population. Méthodes et résultats: la recherche a eu lieu à l’Hôpital du Sacré-Coeur de Montréal, un centre de traumatologie tertiaire en milieu urbain. Nous avons utilisé le registre des patients hospitalisés en traumatologie dans notre centre hospitalier entre 2002 et mars 2007 de même que les banques de données de laboratoire et de radiologie pour obtenir les données sur la créatinine et les examens avec produits de contraste. Finalement, une revue de dossiers structurée fut conduite pour recueillir le reste de l’information requise. L’incidence d’IRA dans la population étudiée est estimée à environ 5 %. Une analyse cas témoins fut conduite pour identifier les facteurs prédictifs d’IRA. Quarante-neuf cas d’IRA diagnostiqués par le médecin traitant et 101 témoins sélectionnés au hasard ont été analysés. Les facteurs prédictifs suivants ont été identifiés à l’analyse univariée : la première valeur de créatinine obtenue (p<0,001), l’instabilité hémodynamique (p<0,001), les antécédents d’insuffisance rénale chronique tels que notés dans le dossier par le médecin traitant (p=0,009), une maladie cardiaque (p=0,007), une chirurgie dans les 48 premières heures suivant le traumatisme (p=0,053), le niveau de gravité du traumatisme (Injury Severity Score) (p=0,046) et l’injection de produit de contraste au cours des 48 heures suivant le trauma (p=0,077). Parmi ces facteurs, deux ont été identifiés comme prédicteurs indépendants d’IRA à l’analyse multivariée. Une des valeurs était la première valeur de créatinine obtenue RC = 6,17 (p<0,001, IC95 % 2,81 – 13,53) pour chaque augmentation de 0.5mg/dL de créatinine. L’autre facteur était la présence d’instabilité hémodynamique RC 11,61 (p<0,001, IC95 % 3,71 – 36,29). Conclusion: des informations obtenues tôt dans la prise en charge du patient permettent de prédire le risque d’IRA chez ces patients. L’administration de contraste (intraveineuse ou intra-artérielle) ne s’est pas avérée un facteur indépendant de prédiction d’insuffisance rénale aiguë dans cette population dans le modèle multivarié. / Background: acute kidney injury (AKI) has important mortality and morbidity complications. Few studies have looked at predictors of acute renal failure in a trauma patient population. Objectives: we sought to identify factors associated with AKI that can be assessed in the early hospital stay of trauma patients. We also specifically assessed if the administration of radiological contrast was a predictor of AKI. Methods: we conducted a nested case-control study from the trauma registry of an urban Level I trauma center which includes data on more than 6 000 subjects. The cases consisted of 49 patients with a diagnosis of AKI by their treating physician in the first 7 days following their trauma between 2002 and 2007 (March 2007). The controls were randomly selected for a 1:2 case to control ratio. Data were retrieved from the prospective trauma registry database. Additional data were also obtained via the hospital laboratory and radiology databases. Finally, a structured chart review was conducted to obtain the remaining information. Univariate analyses were conducted. Elements with a significance level of <0.1 were included in a multivariate logistic regression model. Results: predictors identified in the univariate analysis were: the first creatinine value obtained (p<0,001), hemodynamic instability (p<0,001), history of coronary artery disease (p=0,007), history of chronic renal insufficiency as per physician’s diagnosis in the chart (p=0,009), surgery in the 48 hours following the trauma (p=0,053), and, injection of contrast in the 48 hours following the trauma (p=0,077). In the final multivariate model, two factors were statistically significant. One factor was the first creatinine value p<0,001, OR 6,17 CI95 % (2,81 – 13,53) for each increase of creatinine by 0,5mg/dL. The other factor was the presence of hemodynamic instability p<0,001 OR 11,61 CI95 % (3,71 – 36,29). Conclusion: easily obtained information in the emergency department can aid in predicting the risk of AKI in a trauma population. Early administration of radiological contrast was not an independant predictor of AKI in this population.

L’optimisation hémodynamique péri-opératoire est une stratégie qui vise à maximaliser le transport artériel en oxygène et/ou le volume d’éjection systolique lors de chirurgie à risque. Ce concept a beaucoup évolué lors de ces trente dernières années, vers une approche plus simple, plus réalisable en pratique clinique et moins invasive. Les principales thérapeutiques utilisées dans les différents protocoles d’optimisation hémodynamique sont le remplissage vasculaire, l’administration d’agents inotropes et de vasopresseurs. Cependant, les conséquences physiopathologiques de l’agression chirurgicale peuvent impacter grandement les modalités d’administration et l’efficacité des thérapeutiques précitées. Dans la première étude, nous avons décrit l’impact de l’acidose respiratoire et métabolique (fréquemment rencontrées lors de chirurgie majeure et/ou de coeliochirurgie) sur l’efficacité des agents α et β-adrénergiques sur le myocarde sain de rat. Dans un deuxième travail nous avons mis en évidence que le remplissage vasculaire ne pouvait pas être guidé par des indices dynamiques de précharge dépendance lors du clampage chirurgicale de l’aorte abdominale sous-rénale, dans un modèle porcin. Enfin, dans la troisième étude, nous avons montré dans un modèle clinique, que le positionnement en décubitus ventral lors d’une chirurgie du rachis entrainait des modifications majeures des interactions cardiorespiratoires et que les indices dynamiques devaient être interprétés avec prudence pour guider le remplissage vasculaire dans ce contexte. Ces études translationnelles soulignent trois situations fréquentes impactant l’efficacité et/ou les modalités d’administration des thérapeutiques nécessaires à une optimisation hémodynamique peropératoire / The aim of perioperative haemodynamic optimization is to maximize oxygen delivery and/or stroke volume during high risk surgery. This concept has evolved during the last thirty years, to a simpler, more feasible and less invasive approach. Main treatments used in different hemodynamic optimization protocols are fluid loading, inotropes and vasopressors administration. However, pathophysiological consequences of surgical stress can greatly impact the mode of administration and the efficacy of the above therapeutics. In the first study, we described the impact of respiratory and metabolic acidosis (frequently encountered during major surgery and/or laparoscopic surgery) on the effectiveness of α and β-adrenergic agents in healthy rat myocardium. In a second work, we demonstrated that intravenous fluids cannot be guided by dynamic indices of preload dependency during surgical clamping of the infrarenal abdominal aorta in a porcine model. Finally, in the third study, we demonstrated in a clinical model, that positioning in prone position during spine surgery induced major changes in cardiorespiratory interactions and dynamic indices should be interpreted with caution to guide fluid therapy in this context. These translational studies highlight three common situations impacting the effectiveness and/or administration of therapeutic necessary for intraoperative hemodynamic optimization.

Depuis le milieu du XXème siècle, les techniques d’imagerie fonctionnelles ont un rôle grandissant dans notre compréhension sur les fonctions du cerveau en conditions physiologique et pathologique. Bien que l’IRMf fasse partie des techniques les plus communément utilisées pour l’imagerie du cerveau complet lors d’études préclinique et clinique, cette modalité souffre de sa résolution spatiotemporelle et sa sensibilité pour enregistrer finement les fonctions et activités cérébrales. Récemment l’imagerie fonctionnelle par ultrason (ifUS) a subi des développements permettant d’être complémentaires à l’IRMf ainsi qu’aux autres techniques d’imagerie cérébrales classiquement employées. Contrairement aux ultrasons focalisés conventionnels, l’imagerie hémodynamique proposé par l’ifUS repose sur une illumination ultrasonore plane permettant la détection des globules rouges en mouvement et la mesure de leur vitesse dans les micro-vaisseaux cérébraux. De ce fait, l’ifUS est indirectement lié à l’activité cérébrale d’où l’importance d’une meilleure compréhension des mécanismes du couplage neuro-vasculaire liant l’activité neuronale et les variations cérébrales d’apport en sang. De plus, cette technique a le potentiel pour fournir des informations précises sur les processus de certaines pathologies à la fois sur des modèles précliniques et chez l’homme. Dans un premier temps, j’exposerais mes travaux sur les récents développements techniques permettant l’ifUS in vivo (i) en condition chronique, (ii) sur l’animal éveillé, libre de mouvement et effectuant une tache comportementale et (iii) des vaisseaux capillaires chez le rongeur et l’homme. Dans un second temps, je démontrerais que l’ifUS in vivo peut fournir des informations nouvelles sur des pathologies telles que l’accident vasculaire cérébrale. / Since the middle of the 20th century, functional imaging technologies are making an increasing impact on our understanding on brain functions in both physiological and pathological conditions. Even if fMRI is nowadays one of the most used tool for whole brain imaging in pre-clinical and clinical studies, it lacks sufficient spatiotemporal resolution and sensitivity to assess fine brain function and activity. Functional ultrasound imaging (fUSi) has been recently developed and presents a potential to complement fMRI and other existing brain imaging modalities. Contrary to conventional ultrasound using focus beams, fUSi relies on hemodynamic imaging based on ultrasound plane-wave illumination to detect red blood cells movement and velocity in brain micro-vessels. Consequently, the fUSi signal is indirectly related to brain activity and it is therefore important to better understand the mechanisms of the neurovascular coupling linking neural activity and cerebral blood changes. Here again, fUSi may provide relevant information about disease processes in preclinical models but also in humans. First, I will present recent technical developments allowing in vivo fUSi (i) in chronic condition, (ii) in freely moving and behaving rats and (iii) in rodents and human brain capillaries. Second, I will demonstrate how fUSi could provide new insights in brain pathologies such as stroke.

La cartographie des réseaux épileptiques est cruciale lors des explorations fonctionnelles chez les patients pharmacorésistants (30%). Parmi les techniques récentes, l'acquisition simultanée en IRMf et EEG apparaît adaptée à l'exploration des épilepsies. L'IRMf/EEG est une méthode non invasive permettant de localiser les régions épileptiques et fonctionnelles.<br />L'objectif de cette thèse était la mise en place, au CHU de Grenoble, de protocoles d'acquisition et de traitement de l'IRMf/EEG afin de localiser les réseaux épileptiques lors des évaluations pré- et post-chirurgicales. Les bénéfices sont de maximiser les chances de guérison en identifiant le réseau épileptique et de limiter les effets secondaires en préservant les aires fonctionnelles.<br />L'acquisition de l'EEG en milieu magnétique produit des artefacts. Nous avons d'abord évalué la performance de plusieurs algorithmes de correction d'artefacts selon différentes configurations expérimentales. Nous avons ensuite évalué l'influence du couplage hémodynamique et proposé une méthode robuste estimant la réponse hémodynamique optimale pour chaque patient afin d'améliorer la sensibilité des examens.<br />Nos résultats montrent que (i) la plupart des algorithmes sont efficaces mais qu'un filtrage trop strict peut détériorer l'EEG ; (ii) l'estimation de la réponse hémodynamique est cruciale en IRMf/EEG. Ceci suggère que l'épilepsie peut induire une modification des propriétés hémodynamiques.<br />L'IRMf/EEG est une méthode prometteuse pour les investigations préchirurgicales. En raison de l'hétérogénéité du couplage neurovasculaire, l'interprétation des cartes d'activation reste délicate et nécessite l'emploi d'approches complémentaires.

Dans cette thèse, nous considérons des problèmes instationnaires en interaction fluide-structure. Nous nous plaçons en outre dans un cadre bidimensionnel. Dans un premier temps, nous nous attachons à étudier l'existence et l'unicité de solutions pour un problème d'élasticité en grands déplacements et petites perturbations. Nous introduisons ensuite ce modèle de structure dans un système de couplage avec un fluide visqueux: nous montrons l'existence de solutions pour ce problème. Par ailleurs, nous considérons des problèmes d'interaction fluide-structure en vue d'applications numériques. Ce travail est motivé par les écoulements sanguins dans un ventricule cardiaque artificiel. Nous effectuons deux approches distinctes: l'une à l'aide d'une méthode ALE simplifiée, et l'autre en utilisant la méthode de la frontière immergée. Concernant ce dernier point, nous abordons un problème de contrôle optimal par feedback.

Dans cette thèse nous nous intéressons a l'approximation numérique des équations incompressibles de Navier-Stokes évoluant dans un domaine en mouvement par la méthode des éléments spectraux et des intégrateurs en temps d'ordre élève. Dans une première phase, nous présentons la méthode des éléments spectraux et les outils de base pour effectuer des discrétisations spectrales du type Galerkin ou Galerkin avec intégration numérique (G-NI). Nous couvrons un large éventail de possibilités concernant les éléments de référence, fonctions de base, points d'interpolation et points de quadrature. Dans cette approche, l'intégration et la différentiation des fonctions polynomiales est faite numériquement grâce a l'aide d'ensembles de points convenables. En ce qui concerne la différenciation, nous présentons une étude numérique des points qui doivent être utilisés pour atteindre une meilleure stabilité numérique (parmi les choix que nous avons actuellement). Deuxièmement, nous introduisons les équations incompressibles stationnaires et non-stationnaires de Stokes et de Navier-Stokes et son approximation spectrale. Dans le cas non-stationnaire, nous introduisons une combinaison de la méthode Backward Différentiation Formula (BDF) et une formule d'extrapolation du même ordre pour l'intégration par rapport au temps. Une fois les équations discrétisées, un système linéaire doit être résolu pour obtenir la solution approchée. Dans ce contexte, nous resolvons ce système avec un préconditionneur par blocs. Nous montrons que le préconditionneur est optimal par rapport au nombre d'iterations utilisées par la méthode GMRES dans le cas stationnaire, mais pas dans le cas non-stationnaire. Une autre alternative est d'utiliser les méthodes de factorization algébrique de type Yosida et séparer le calcul de la vitesse et de la pression. Un cas test est présente pour déterminer les proprietes de convergence de ce type de méthodes dans notre contexte. Troisièmement, nous 'tendons les algorithmes développés dans le cas ou le domaine est fixe au cadre de la formulation Arbitraire Lagrange-Euler (ALE). La question de la définition d'une carte ALE d'ordre élevé est aborée. Cela permet de construire un domaine de calcul qui est d'ecrit avec des éléments courbes. Un cas test utilisant une méthode directe et les méthodes Yosida-q pour resoudre le système linéaire est présente pour montrer les ordres de convergence de la méthode proposée. Finalement, nous appliquons la méthode développée pour résoudre une un problème d'interaction fluide-structure pour un exemple simple bidimensionnel d'hémodynamique. Nous considérons deux approches: une implicite entièrement couplée et une semi-implicite.

Contexte: la survenue d’IRA chez les patients ayant subi un traumatisme est une problématique qui a été peu étudiée jusqu’à ce jour. La présence de cette atteinte rénale a été démontrée comme étant associée à un risque accru de morbidités et de mortalité chez les sujets atteints. Objectifs: identifier les facteurs prédictifs d’insuffisance rénale ou plus récemment appelée atteinte rénale dans cette population particulière et tenter de trouver des facteurs qui peuvent être mesurés dans les premières heures de la prise en charge du patient. Aussi, nous avons cherché à savoir si l’injection de produit de contraste est associée à un risque accru d’insuffisance rénale aiguë dans cette population. Méthodes et résultats: la recherche a eu lieu à l’Hôpital du Sacré-Coeur de Montréal, un centre de traumatologie tertiaire en milieu urbain. Nous avons utilisé le registre des patients hospitalisés en traumatologie dans notre centre hospitalier entre 2002 et mars 2007 de même que les banques de données de laboratoire et de radiologie pour obtenir les données sur la créatinine et les examens avec produits de contraste. Finalement, une revue de dossiers structurée fut conduite pour recueillir le reste de l’information requise. L’incidence d’IRA dans la population étudiée est estimée à environ 5 %. Une analyse cas témoins fut conduite pour identifier les facteurs prédictifs d’IRA. Quarante-neuf cas d’IRA diagnostiqués par le médecin traitant et 101 témoins sélectionnés au hasard ont été analysés. Les facteurs prédictifs suivants ont été identifiés à l’analyse univariée : la première valeur de créatinine obtenue (p<0,001), l’instabilité hémodynamique (p<0,001), les antécédents d’insuffisance rénale chronique tels que notés dans le dossier par le médecin traitant (p=0,009), une maladie cardiaque (p=0,007), une chirurgie dans les 48 premières heures suivant le traumatisme (p=0,053), le niveau de gravité du traumatisme (Injury Severity Score) (p=0,046) et l’injection de produit de contraste au cours des 48 heures suivant le trauma (p=0,077). Parmi ces facteurs, deux ont été identifiés comme prédicteurs indépendants d’IRA à l’analyse multivariée. Une des valeurs était la première valeur de créatinine obtenue RC = 6,17 (p<0,001, IC95 % 2,81 – 13,53) pour chaque augmentation de 0.5mg/dL de créatinine. L’autre facteur était la présence d’instabilité hémodynamique RC 11,61 (p<0,001, IC95 % 3,71 – 36,29). Conclusion: des informations obtenues tôt dans la prise en charge du patient permettent de prédire le risque d’IRA chez ces patients. L’administration de contraste (intraveineuse ou intra-artérielle) ne s’est pas avérée un facteur indépendant de prédiction d’insuffisance rénale aiguë dans cette population dans le modèle multivarié. / Background: acute kidney injury (AKI) has important mortality and morbidity complications. Few studies have looked at predictors of acute renal failure in a trauma patient population. Objectives: we sought to identify factors associated with AKI that can be assessed in the early hospital stay of trauma patients. We also specifically assessed if the administration of radiological contrast was a predictor of AKI. Methods: we conducted a nested case-control study from the trauma registry of an urban Level I trauma center which includes data on more than 6 000 subjects. The cases consisted of 49 patients with a diagnosis of AKI by their treating physician in the first 7 days following their trauma between 2002 and 2007 (March 2007). The controls were randomly selected for a 1:2 case to control ratio. Data were retrieved from the prospective trauma registry database. Additional data were also obtained via the hospital laboratory and radiology databases. Finally, a structured chart review was conducted to obtain the remaining information. Univariate analyses were conducted. Elements with a significance level of <0.1 were included in a multivariate logistic regression model. Results: predictors identified in the univariate analysis were: the first creatinine value obtained (p<0,001), hemodynamic instability (p<0,001), history of coronary artery disease (p=0,007), history of chronic renal insufficiency as per physician’s diagnosis in the chart (p=0,009), surgery in the 48 hours following the trauma (p=0,053), and, injection of contrast in the 48 hours following the trauma (p=0,077). In the final multivariate model, two factors were statistically significant. One factor was the first creatinine value p<0,001, OR 6,17 CI95 % (2,81 – 13,53) for each increase of creatinine by 0,5mg/dL. The other factor was the presence of hemodynamic instability p<0,001 OR 11,61 CI95 % (3,71 – 36,29). Conclusion: easily obtained information in the emergency department can aid in predicting the risk of AKI in a trauma population. Early administration of radiological contrast was not an independant predictor of AKI in this population.