The purpose of this thesis is to design a physical microchannel model for micro-Couette blood flow that provides constant and controlled conditions to study and analyze Red Blood Cell (RBC) aggregation. The innovation of this work is that the Couette blood flow is created by the motion of a second fluid with different properties, thereby entraining the blood. The experimental work is coupled with three-dimensional numerical simulations performed using a research Computational Fluid Dynamic (CFD) Solver, Nek5000, based on the spectral element method, while the experiments are conducted using a micro Particle Image Velocimetry (μPIV) system with a double frame CCD camera and an inverted laser imaging microscope. The design of the channel (150 × 33 μm and 170 × 64 μm microchannels) is based on several parameters determined numerically, such as the velocity and viscosity ratios and the degree of miscibility between the fluids, and the resulting configurations are fabricated in the laboratory using standard photolithography methods. The microchannel designed numerically is then tested experimentally, first, with a Newtonian fluid (glycerol), then with RBC suspensions to be compared to the simulations results. It was found that, numerically, using a velocity ratio of 4 between the two fluids, a third of the channel thickness corresponds to the blood layer. Within that range, it can be concluded, that the velocity profile of the blood layer is approximately linear as confirmed by experimental tests, resulting in the desired profile to study RBC aggregation in controlled conditions. The effect of several parameters, such as the hematocrit and the shear rate, on the RBC aggregates and the velocity profile is investigated, through experiments on the RBC suspensions. The final goal of this research is to ensure the compatibility of the results between the experiments and the Newtonian numerical model for several ranges of shear rate with the future intention of finding an accurate method to be able to quantitatively analyze aggregates and determine the number of RBC in each aggregate depending on the flow conditions (the shear rate).

The purpose of this thesis is to design a physical microchannel model for micro-Couette blood flow that provides constant and controlled conditions to study and analyze Red Blood Cell (RBC) aggregation. The innovation of this work is that the Couette blood flow is created by the motion of a second fluid with different properties, thereby entraining the blood. The experimental work is coupled with three-dimensional numerical simulations performed using a research Computational Fluid Dynamic (CFD) Solver, Nek5000, based on the spectral element method, while the experiments are conducted using a micro Particle Image Velocimetry (μPIV) system with a double frame CCD camera and an inverted laser imaging microscope. The design of the channel (150 × 33 μm and 170 × 64 μm microchannels) is based on several parameters determined numerically, such as the velocity and viscosity ratios and the degree of miscibility between the fluids, and the resulting configurations are fabricated in the laboratory using standard photolithography methods. The microchannel designed numerically is then tested experimentally, first, with a Newtonian fluid (glycerol), then with RBC suspensions to be compared to the simulations results. It was found that, numerically, using a velocity ratio of 4 between the two fluids, a third of the channel thickness corresponds to the blood layer. Within that range, it can be concluded, that the velocity profile of the blood layer is approximately linear as confirmed by experimental tests, resulting in the desired profile to study RBC aggregation in controlled conditions. The effect of several parameters, such as the hematocrit and the shear rate, on the RBC aggregates and the velocity profile is investigated, through experiments on the RBC suspensions. The final goal of this research is to ensure the compatibility of the results between the experiments and the Newtonian numerical model for several ranges of shear rate with the future intention of finding an accurate method to be able to quantitatively analyze aggregates and determine the number of RBC in each aggregate depending on the flow conditions (the shear rate).

The purpose of this thesis is to design a physical microchannel model for micro-Couette blood flow that provides constant and controlled conditions to study and analyze Red Blood Cell (RBC) aggregation. The innovation of this work is that the Couette blood flow is created by the motion of a second fluid with different properties, thereby entraining the blood. The experimental work is coupled with three-dimensional numerical simulations performed using a research Computational Fluid Dynamic (CFD) Solver, Nek5000, based on the spectral element method, while the experiments are conducted using a micro Particle Image Velocimetry (μPIV) system with a double frame CCD camera and an inverted laser imaging microscope. The design of the channel (150 × 33 μm and 170 × 64 μm microchannels) is based on several parameters determined numerically, such as the velocity and viscosity ratios and the degree of miscibility between the fluids, and the resulting configurations are fabricated in the laboratory using standard photolithography methods. The microchannel designed numerically is then tested experimentally, first, with a Newtonian fluid (glycerol), then with RBC suspensions to be compared to the simulations results. It was found that, numerically, using a velocity ratio of 4 between the two fluids, a third of the channel thickness corresponds to the blood layer. Within that range, it can be concluded, that the velocity profile of the blood layer is approximately linear as confirmed by experimental tests, resulting in the desired profile to study RBC aggregation in controlled conditions. The effect of several parameters, such as the hematocrit and the shear rate, on the RBC aggregates and the velocity profile is investigated, through experiments on the RBC suspensions. The final goal of this research is to ensure the compatibility of the results between the experiments and the Newtonian numerical model for several ranges of shear rate with the future intention of finding an accurate method to be able to quantitatively analyze aggregates and determine the number of RBC in each aggregate depending on the flow conditions (the shear rate).

Red blood cells (RBCs) are the most abundant cells in human blood, representing 40 to 45% of the blood volume (hematocrit). These cells have the particular ability to deform and bridge together to form aggregates under very low shear rates. The theory and mechanics behind aggregation are, however, not yet completely understood. The purpose of this work is to provide a novel method to analyze, understand and mimic blood behaviour in microcirculation. The main objective is to develop a methodology to quantify and characterize RBC aggregates and hence enhance the current understanding of the non-Newtonian behaviour of blood at the microscale. For this purpose, suspensions of porcine blood and human blood are tested in vitro in a Poly-di-methylsiloxane (PDMS) microchannel to characterize RBC aggregates within these two types of blood. These microchannels are fabricated using standard photolithography methods. Experiments are performed using a micro Particle Image Velocimetry ( PIV) system for shear rate measurements coupled with a high speed camera for the flow visualization. Corresponding numerical simulations are conducted using a research Computational Fluid Dynamic (CFD) solver, Nek5000, based on the spectral element method solution to the incompressible non-Newtonian Navier-Stokes equations. RBC aggregate sizes are quantified in controlled and measurable shear rate environments for 5, 10 and 15% hematocrit. Aggregate sizes are determined using image processing techniques. Velocity fields of the blood flow are measured experimentally and compared to numerical simulations using simple non-Newtonian models (Power law and Carreau models). This work establishes for the first time a relationship between RBC aggregate sizes and corresponding shear rates in a microfluidic environment as well as one between RBC aggregate sizes and apparent blood viscosity at body temperature in a microfluidic controlled environment. The results of the investigation can be used to help develop new numerical models for non-Newtonian blood flow, provide a better understanding of the mechanics of RBC aggregation and help determine aggregate behaviour in clinical settings such as for degenerative diseases like diabetes and heart disease.

L'athérosclérose est une maladie cardiovasculaire complexe affectant la paroi artérielle où le développement et la progression de la plaque sont fortement favorisés par une inflammation chronique. L'instabilité de la plaque carotidienne peut conduire à de potentiels évènements ischémiques majeurs tels que l'accident vasculaire cérébral (AVC) dont le caractère imprévisible rend la prévention primaire très compliquée. Ainsi, il n'existe pas à l'heure actuelle de biomarqueurs prédictifs efficaces de la rupture de plaque. Néanmoins, il est maintenant clairement établi que l'hémorragie intraplaque (IPH), la néovascularisation et l'accumulation excessive de macrophages sont les principaux facteurs d'instabilité de la plaque. Sur la base de travaux précédents, l'objectif de cette thèse était d'évaluer de manière indépendante les effets de l'activité physique (AP) et de la sédentarité, premièrement sur les paramètres histologiques d'instabilité de plaque, et deuxièmement, sur les facteurs de risque secondaires de l'athérosclérose, que sont l'inflammation, le stress oxydant et le profil hémorhéologique de patients asymptomatiques à risque d'AVC traités chirurgicalement. La 1ère étude a montré que l'AP régulière était associée à une prévalence d'IPH diminuée, et était l'unique facteur protecteur de l'IPH. Cette étude a également suggéré un effet bénéfique de l'AP sur le stress oxydant, ainsi que sur l'accumulation de macrophages. Dans une 2ème étude, nous avons caractérisé l'état fonctionnel de protéines potentiellement impliquées dans les dysfonctions du système immunitaire, et l'implication des cellules inflammatoires dans ces mécanismes. Nous avons alors identifié une cytokine pro-inflammatoire jouant un rôle déterminant dans les processus inflammatoires de déstabilisation de plaque. L'étude 3 nous a permis de caractériser l'effet du niveau d'AP sur la réponse monocytaire chez des patients avec plaque d'athérosclérose, et d'identifier une chimiokine qui pourrait avoir un rôle dans la modulation de la réponse monocytaire par l'AP. Enfin, la 4ème étude démontre l'altération de paramètres hémorhéologiques chez des patients atteints de maladie carotidienne sévère, et comment l'AP permet de limiter cette altération via la diminution de l'agrégation érythrocytaire. Ce travail de thèse apporte des informations quant à la pratique de l'AP dans la prévention primaire de l'athérosclérose. Des études complémentaires seront toutefois nécessaires afin de confirmer ces résultats, en proposant notamment une approche interventionnelle en activité physique / Atherosclerosis is a complex cardiovascular disease that affects the arterial wall where plaque development and progression are severely promoted by chronic inflammation. Carotid plaque destabilization could lead to potential major ischemic events such stroke which is still unpredictable, making primary prevention very complex. Thus, there is still currently no suitable predictive biomarker of plaque rupture. Nevertheless, it is now clearly established that intraplaque hemorrhage (IPH), neovascularization and excessive macrophage accumulation are the three main risk factors of plaque instability. Based on previous studies, the aim of this work was to evaluate independently the impact of physical activity (PA) and sedentary behavior, first on histological parameters of plaque instability, and secondly on secondary risk factors of atherosclerosis, such as inflammation, oxidative stress and hemorheological profile of asymptomatic patients at high-risk of stroke who underwent endarterectomy surgery. The first study shows that regular PA was associated to a decreased occurrence of IPH, and was the only protective factor for IPH. This study also suggested a beneficial effect of PA on macrophage accumulation as well as on oxidative stress. Then, in the 2nd study, we have characterized the functional state of proteins potentially implicated in immune system dysfunctions, and the implication of inflammatory cells in these mechanisms. We have identified a pro-inflammatory cytokine as a key driver of disrupting inflammatory process of plaque. In the same way, we have characterized in the 3rd study, the effect of PA on the monocytic response in atherosclerosis patients, and identified a chemokine associated that could explain the modulation of this monocytic response by PA. Finally, the 4th study demonstrates the hemorheological parameters alteration in carotid artery disease patients, and how PA could limit this alteration via red blood cell aggregation. This PhD thesis provided information regarding regular PA in primary prevention of atherosclerosis. However, additional studies are required to confirm these results, using in particular PA interventional approach

Nous avons étudié les marqueurs hémorhéologiques, hématologiques et biochimiques chez des sujets drépanocytaires homozygotes SS (HbS/HbS) et hétérozygotes composites SC (HbS/HbC) dans deux cohortes, pédiatriques et adultes, de patients drépanocytaires, et ce, à travers 7 complications récurrentes de la drépanocytose : 2 appartenant au profil hémolytique (l’ulcère de jambes et la glomérulopathie) et 5 appartenant au phénotype visqueux/vaso-occlusif (l’hypertension artérielle, le syndrome thoracique aigu (STA), la crise vaso-occlusive (CVO), la rétinopathie et l’ostéonécrose). Nous avons montré que : 1) une viscosité sanguine et une déformabilité érythrocytaire élevées sont des facteurs de risques de CVO chez les enfants homozygotes ; 2) Une viscosité sanguine élevée est associée à une hypertension artérielle systémique relative chez des adultes SS ; 3) les enfants SC présente une fonction vasculaire mieux préservée que les enfants SS pour faire face à une augmentation de la viscosité sanguine ; 4) les patients adultes SS avec une ostéonécrose présentent une déformabilité érythrocytaire plus élevée que les patients sans ostéonécrose ; 5) une viscosité sanguine élevée est associée à la présence d’une rétinopathie chez les adultes SC mais pas chez les SS ; 6) les patients adultes SS présentant une glomérulopathie ont un taux d’hémolyse élevé, une déformabilité érythrocytaire réduite et des agrégats érythrocytaires très robustes ; 7) les patients adultes SS avec des ulcères de jambes récurrents ont un taux d’hémolyse accru et une déformabilité érythrocytaire réduite. De plus, nos travaux confirment que l’-thalassémie module les propriétés de déformabilité érythrocytaire, mais montrent pour la première fois qu’elle module aussi les propriétés d’agrégation érythrocytaire, et notamment la force des agrégats érythrocytaires. En conclusion, ces travaux permettent de préciser le rôle de la rhéologie sanguine dans un certain nombre de complications de la drépanocytose et d’enrichir le modèle préexistant divisant les complications de la drépanocytose selon 2 phénotypes : hémolytique versus visqueux/vaso-occlusif. Nous montrons pour la première fois que le phénotype hémolytique est caractérisé aussi par des anomalies de la rhéologie du globule rouge : rigidité accrue et agrégats érythrocytaire robustes. / Hemorheological, hemathological, and biochemical marquers of patients with sickle cell anemia (SS) and patients with sickle cell SC disease (SC) were studied in 2 cohorts: children and adults. We focused on 7 recurrent complications: 5 belonging to the viscosity/vaso-occlusion phenotype (systemic hypertension, acute chest syndrome (ACS), vaso-occlusive crisis (VOC), retinopathy and osteonecrosis) and 2 belonging to the hemolytic phenotype (leg ulcer and glomerulopathy). Our results show that 1) high viscosity is associated with increased risk for VOC in SS children; 2) blood viscosity is increased in SS adults with systemic relative hypertension; 3) SC children have preserved vascular function compared to SS children; 4) SS adults with osteonecrosis are characterized by higher red blood cell (RBC) deformability than SS adults without osteonecrosis; 5) high blood viscosity is associated with retinopathy in SC adults but not in SS adults; 6) SS adults affected by glomerulopathy have high hemolytic rate, low RBC deformability and increased RBC aggregates strenght; 7) SS adults with recurrent leg ulcers have high hemolytic rate and reduced RBC deformability. Moreover, our studies shows that alpha-thalassemia modulate RBC deformability and RBC aggregation properties. In conclusion, this work shows for the first time that the hemolytic phenotype is characterized by an abnormal RBC rheology which may play a role in several sickle cell complications.

Ce travail de thèse a pour objectif de développer et de valider expérimentalement un modèle de diffusion adapté au sang agrégeant, prenant en compte une forte fraction volumique de globules rouges (hématocrite de 40%) et des structures d’agrégats polydisperses. Un modèle développé récemment pour l’estimation de la microstructure du sang est la théorie de milieu effectif combinée à un modèle de facteur de structure monodisperse. Pour augmenter le domaine de validité de ce modèle en hautes fréquences, nous proposons une théorie de milieu effectif prenant en compte la composante incohérente de la diffusion par des agrégats de globules rouges. A l’aide de simulation numériques tridimensionnelles, nous montrons que la nouvelle modélisation permet de prédire les coefficients de rétrodiffusion de façon satisfaisante pour un produit $kR<2$ ($k$ étant le nombre d’ondes et $R$ le rayon d’un agrégat). Par ailleurs, nous proposons une théorie de milieu effectif combinée à un facteur de structure polydisperse afin d’estimer, à partir de la mesure expérimentale du coefficient de rétrodiffusion, des paramètres de structure des agrégats : le rayon moyen de la distribution de tailles, son étalement, et la compacité des agrégats. Des expériences réalisées sur du sang de porc cisaillé dans un dispositif de Couette couplé à une sonde ultrasonore montrent que le modèle polydisperse permet d’obtenir de meilleures courbes d’ajustement des coefficients de rétrodiffusion en comparaison des modèles monodisperses classiques. Les tailles d’agrégats estimées par ultrasons sont corrélées de façon satisfaisante (r$^2$ $\approx$ 0.92) avec les tailles estimées par ailleurs dans un dispositif optique. / This thesis aims to develop and evaluate a scattering model for aggregating blood, taking into account the high volume fraction of red blood cells in blood (40%) and the polydispersity in terms of aggregate size. The effective medium theory combined with the monodisperse structure factor model was recently developed to estimate blood microstructure. In order to improve the modeling at high frequency range, we proposed an effective medium theory that takes into account the incoherent component of the scattering by aggregates of RBCs. Three dimensional simulations were performed and showed that the consideration of the incoherent component allows to approximate the simulation satisfactorily for a product of the wavenumber times the aggregates radius $kR$ up to 2. Besides, we proposed an effective medium theory combined with a polydisperse structure factor. From the measured BSC, this model allows to estimate three structural parameters: the mean radius of the aggregate size distribution, the width of the distribution, and the compactness of the aggregates. Experiments were performed on pig blood shared in a Couette device coupled with an ultrasonic probe, and showed that the polydisperse modeling provides better fitting to the experimental BSC data, when compared to the classical monodisperse models. Satisfactory correlation is obtained (r$^2$ $\approx$ 0.92) between the aggregate sizes estimated with ultrasound and the aggregate sizes estimated on the same sample in an optical device.

Lors du phénomène d’hémostase primaire ou de thrombose vasculaire, les plaquettes sanguines doivent adhérer aux parois afin de remplir leur fonction réparatrice ou pathologique. Pour ce faire, certains facteurs rhéologiques et hémodynamiques tels que l’hématocrite, le taux de cisaillement local et les contraintes de cisaillement pariétal, entrent en jeu afin d’exclure les plaquettes sanguines de l’écoulement principal et de les transporter vers le site endommagé ou enflammé. Cette exclusion pourrait aussi être influencée par l’agrégation de globules rouges qui est un phénomène naturel présent dans tout le système cardiovasculaire selon les conditions d’écoulement. La dérive de ces agrégats de globules rouges vers le centre des vaisseaux provoque la formation de réseaux d’agrégats dont la taille et la complexité varient en fonction de l’hématocrite et des conditions de cisaillement présentes. Il en résulte un écoulement bi-phasique avec un écoulement central composé d’agrégats de globules rouges avoisinés par une région moins dense en particules où l’on peut trouver des globules rouges singuliers, des petits rouleaux de globules rouges et une importante concentration en plaquettes et globules blancs. De ce fait, il est raisonnable de penser que plus la taille des agrégats qui occupent le centre du vaisseau augmente, plus il y aura de plaquettes expulsées vers les parois vasculaires. L'objectif du projet est de quantifier, in vitro, la migration des plaquettes sanguines en fonction du niveau d’agrégation érythrocytaire présent, en faisant varier l’hématocrite, le taux de cisaillement et en promouvant l’agrégation par l’ajout d’agents tels que le dextran à poids moléculaire élevé. Cependant, le comportement non Newtonien du sang dans un écoulement tubulaire peut être vu comme un facteur confondant à cause de son impact sur l’organisation spatiale des agrégats de globules rouges. De ce fait, les études ont été réalisées dans un appareil permettant de moduler, de façon homogène, la taille et la structure de ces agrégats et de quantifier ainsi leur effet sur la migration axiale des plaquettes. Du sang de porc anti coagulé a été ajusté à différents taux d’hématocrite et insérer dans un appareil à écoulement de Couette, à température ambiante. Les plaquettes sanguines, difficilement isolables in vitro sans en activer certains ligands membranaires, ont été remplacées par des fantômes en polystyrène ayant un revêtement de biotine. La quantification de la migration de ces fantômes de plaquettes a été réalisée grâce à l’utilisation de membranes biologiques fixées sur les parois internes de l’entrefer du rhéomètre de Couette. Ces membranes ont un revêtement de streptavidine assurant une très forte affinité d’adhésion avec les microparticules biotynilées. À 40% d’hématocrite, à un cisaillement de 2 s-1, 566 ± 53 microparticules ont été comptées pour un protocole préétabli avec du sang non agrégeant, comparativement à 1077 ± 229 pour du sang normal et 1568 ± 131 pour du sang hyper agrégeant. Les résultats obtenus suggèrent une nette participation de l’agrégation érythrocytaire sur le transport des fantômes de plaquettes puisque l’adhésion de ces derniers à la paroi du rhéomètre de Couette augmente de façon quasi exponentielle selon le niveau d’agrégation présent. / During the primary hemostatis or thrombosis phenomenon, the human blood platelets must adhere to the vascular wall in order for them to perform their repairing or pathological function. To do so, certain rheological and hemodynamic factors such as the hematocrit, local shear rate and the wall shear stress, must come into play to exclude blood platelets from the main blood stream and transport them to the vicinity of the damaged or inflamed site. This exclusion could also be influenced by red blood cell aggregation which is a natural process present throughout the entire cardiovascular system under certain flow conditions. The displacement of these rouleaux of red blood cells towards the centre of the vessel induces the formation of 3D networks of aggregates whose size and complexity vary as a function of the hematocrit and the shearing conditions present. It results in a two phase flow with an inner core composed of red blood cell aggregates surrounded by single red blood cells or small aggregates and large numbers of white blood cells and platelets. It is therefore reasonable to believe that the larger the inner core becomes, the more platelets will be expulsed towards the vascular wall. The objective of the study was to quantify, in vitro, the lateral migration of blood platelets as a function of the level of red blood cell aggregation present, by changing the hematocrit, the shear rate and by promoting red blood cell aggregation with the use of agents such as high molecular weight dextran. However, the non Newtonian behavior of blood in tube flow can be seen as a confounding factor to the understanding of the spatial organization of the red blood cell aggregates. In this study, whole blood was circulated in a simple shear flow apparatus, which allowed to homogeneously modulate the red blood cell aggregate sizes and structure, and quantify their effect on the axial migration of blood platelets. Anticoagulated porcine bloods were adjusted to different hematocrits and inserted into a Couette flow apparatus, at room temperature. Blood platelets, difficult to isolate in vitro without activating in a non reproducible manner specific membrane ligands, were replaced with biotin coated fluorescent polystyrene beads. The quantification of the migration of these platelet ghosts was conducted with the use of biological membranes fixed on the interior walls of the Couette apparatus. These streptavidin coated membranes ensure a strong adhesive affinity with the biotynilated beads. At 40% hematocrit and at a shear of 2 s-1, 566 ± 53 micro particles were counted for non aggregated erythrocytes, 1077 ± 229 for aggregating red blood cells and 1568 ± 131 for hyper aggregating blood. The results obtained suggest a strong participation of the red blood cell aggregation on the transport of platelet ghosts since the number of ghost cells fixed on the wall of the Couette rheometer increases almost exponentially with the level of aggregation present.

L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique. / The aggregation of erythrocytes is the main determinant of blood non Newtonian behaviour under low shearing flow conditions. When red blood cells (RBCs) aggregate, they form « rouleaux » and complex tridimensional structures that increase blood viscosity from a few mPa.s to a hundred mPa.s. The reversible RBC aggregation phenomenon is attributed to weak adhesive links between erythrocytes that are readily broken by increasing flow shearing. Blood bulk rheological properties have been comprehensively studied. However, the in vivo physiological impacts of abnormal clustering of RBCs are more difficult to assess. Clinical studies have identified altered hemorheology as a risk factor for thrombosis, but a clear etiological relationship between abnormal aggregation and thrombosis has not yet been established, in part because clinical conclusions were derived from correlative findings. It is to note that cardiovascular diseases such as deep venous thrombosis generally occur at specific locations within the vascular bed, suggesting a hemodynamic contribution to the development of this disease. Consequently, it is postulated that in vivo hemorheological characterization may help shed some light on the role of RBC hyper-aggregation on cardiovascular disorders. Ultrasound imaging, a non-invasive method relying on the propagation of mechanical waves within biological tissues, is sensitive to RBC aggregation. Indeed, the study of backscattered waves allows characterizing blood microstructure in vivo and in situ under physiological flow conditions. The work described in this thesis is based on prior simulation studies, performed at the Laboratory of Biorheology and Medical Ultrasonics of the University of Montreal Hospital Research Center, in which the backscattering of ultrasound from aggregating RBCs was modeled by considering a particle scattering strategy. In this approach, each RBC is a weak ultrasound scatterer (Born assumption) and the backscattering coefficient is modeled as the product of the RBC number density, the RBC backscattering cross section and a structure factor. This model relates variations in the backscattering coefficient to the RBC spatial organisation through the structure factor, which is the only parameter that changes during the aggregation process. A second order expansion in frequency of the structure factor was used to describe blood microstructure in terms of a packing factor W and an ensemble averaged aggregate diameter D. The model was first presented and validated by considering a homogenous shear flow condition using three broadband mono-element transducers. It was then extended in 2D to allow computation of parametric images in tube flow. An extrapolation based on the assumption that viscosity is related to the level of aggregation was used to compute local viscosity maps. Finally, a last contribution was the demonstration that a sudden increase in aggregation tendency directly promoted the formation of venous thrombosis in an experimental animal model. In that study, RBC aggregation, thrombus formation and flow variations were monitored longitudinally for two weeks using ultrasound. The results reported in this thesis suggest that rheological parameters on RBC clustering, ideally assessed in vivo and in situ, should be included in thrombosis risk profiling.

Lors du phénomène d’hémostase primaire ou de thrombose vasculaire, les plaquettes sanguines doivent adhérer aux parois afin de remplir leur fonction réparatrice ou pathologique. Pour ce faire, certains facteurs rhéologiques et hémodynamiques tels que l’hématocrite, le taux de cisaillement local et les contraintes de cisaillement pariétal, entrent en jeu afin d’exclure les plaquettes sanguines de l’écoulement principal et de les transporter vers le site endommagé ou enflammé. Cette exclusion pourrait aussi être influencée par l’agrégation de globules rouges qui est un phénomène naturel présent dans tout le système cardiovasculaire selon les conditions d’écoulement. La dérive de ces agrégats de globules rouges vers le centre des vaisseaux provoque la formation de réseaux d’agrégats dont la taille et la complexité varient en fonction de l’hématocrite et des conditions de cisaillement présentes. Il en résulte un écoulement bi-phasique avec un écoulement central composé d’agrégats de globules rouges avoisinés par une région moins dense en particules où l’on peut trouver des globules rouges singuliers, des petits rouleaux de globules rouges et une importante concentration en plaquettes et globules blancs. De ce fait, il est raisonnable de penser que plus la taille des agrégats qui occupent le centre du vaisseau augmente, plus il y aura de plaquettes expulsées vers les parois vasculaires. L'objectif du projet est de quantifier, in vitro, la migration des plaquettes sanguines en fonction du niveau d’agrégation érythrocytaire présent, en faisant varier l’hématocrite, le taux de cisaillement et en promouvant l’agrégation par l’ajout d’agents tels que le dextran à poids moléculaire élevé. Cependant, le comportement non Newtonien du sang dans un écoulement tubulaire peut être vu comme un facteur confondant à cause de son impact sur l’organisation spatiale des agrégats de globules rouges. De ce fait, les études ont été réalisées dans un appareil permettant de moduler, de façon homogène, la taille et la structure de ces agrégats et de quantifier ainsi leur effet sur la migration axiale des plaquettes. Du sang de porc anti coagulé a été ajusté à différents taux d’hématocrite et insérer dans un appareil à écoulement de Couette, à température ambiante. Les plaquettes sanguines, difficilement isolables in vitro sans en activer certains ligands membranaires, ont été remplacées par des fantômes en polystyrène ayant un revêtement de biotine. La quantification de la migration de ces fantômes de plaquettes a été réalisée grâce à l’utilisation de membranes biologiques fixées sur les parois internes de l’entrefer du rhéomètre de Couette. Ces membranes ont un revêtement de streptavidine assurant une très forte affinité d’adhésion avec les microparticules biotynilées. À 40% d’hématocrite, à un cisaillement de 2 s-1, 566 ± 53 microparticules ont été comptées pour un protocole préétabli avec du sang non agrégeant, comparativement à 1077 ± 229 pour du sang normal et 1568 ± 131 pour du sang hyper agrégeant. Les résultats obtenus suggèrent une nette participation de l’agrégation érythrocytaire sur le transport des fantômes de plaquettes puisque l’adhésion de ces derniers à la paroi du rhéomètre de Couette augmente de façon quasi exponentielle selon le niveau d’agrégation présent. / During the primary hemostatis or thrombosis phenomenon, the human blood platelets must adhere to the vascular wall in order for them to perform their repairing or pathological function. To do so, certain rheological and hemodynamic factors such as the hematocrit, local shear rate and the wall shear stress, must come into play to exclude blood platelets from the main blood stream and transport them to the vicinity of the damaged or inflamed site. This exclusion could also be influenced by red blood cell aggregation which is a natural process present throughout the entire cardiovascular system under certain flow conditions. The displacement of these rouleaux of red blood cells towards the centre of the vessel induces the formation of 3D networks of aggregates whose size and complexity vary as a function of the hematocrit and the shearing conditions present. It results in a two phase flow with an inner core composed of red blood cell aggregates surrounded by single red blood cells or small aggregates and large numbers of white blood cells and platelets. It is therefore reasonable to believe that the larger the inner core becomes, the more platelets will be expulsed towards the vascular wall. The objective of the study was to quantify, in vitro, the lateral migration of blood platelets as a function of the level of red blood cell aggregation present, by changing the hematocrit, the shear rate and by promoting red blood cell aggregation with the use of agents such as high molecular weight dextran. However, the non Newtonian behavior of blood in tube flow can be seen as a confounding factor to the understanding of the spatial organization of the red blood cell aggregates. In this study, whole blood was circulated in a simple shear flow apparatus, which allowed to homogeneously modulate the red blood cell aggregate sizes and structure, and quantify their effect on the axial migration of blood platelets. Anticoagulated porcine bloods were adjusted to different hematocrits and inserted into a Couette flow apparatus, at room temperature. Blood platelets, difficult to isolate in vitro without activating in a non reproducible manner specific membrane ligands, were replaced with biotin coated fluorescent polystyrene beads. The quantification of the migration of these platelet ghosts was conducted with the use of biological membranes fixed on the interior walls of the Couette apparatus. These streptavidin coated membranes ensure a strong adhesive affinity with the biotynilated beads. At 40% hematocrit and at a shear of 2 s-1, 566 ± 53 micro particles were counted for non aggregated erythrocytes, 1077 ± 229 for aggregating red blood cells and 1568 ± 131 for hyper aggregating blood. The results obtained suggest a strong participation of the red blood cell aggregation on the transport of platelet ghosts since the number of ghost cells fixed on the wall of the Couette rheometer increases almost exponentially with the level of aggregation present.