Background and aims: Lung recruitment maneuvers (brief episodes of high airway pressure) are a modern treatment alternative to achieve open lung conditions under mechanical ventilation of patients with acute lung injury. It is well known that positive pressure ventilation with high airway pressures cause negative circulatory effects, and that the effects on regional vascular beds can be even more pronounced than the systemic effects. Hypoperfusion of the mesenteric vascular bed can lead to tissue ischemia and local inflammation. This intestinal inflammation has been associated with subsequent development of multiple organ dysfunction syndrome, a syndrome that still carries a high mortality and is a leading cause of death for intensive care patients. The aim of this thesis was therefore to investigate whether lung recruitment maneuvers would cause negative effects on mesenteric circulation, oxygenation or metabolism. Methods and results: In an initial study on ten patients with acute lung injury, we could demonstrate a trend towards a decreased gastric mucosal perfusion during three repeated lung recruitment maneuvers. To more closely examine this finding, we set up an oleic acid lung injury model in pigs, and in our second study we established that this model was devoid of inherent intestinal effects and was adequate for subsequent studies of intestinal effects of lung recrutiment maneuvers. In the acute lung injury model, we also tested the effect of an infusion of a vasodilating agent concurrent with the recruitment maneuvers, the hypothesis being that a vasodilating agent would prevent intestinal vasoconstriction and hypoperfusion. We could show that three repeated lung recruitment maneuvers induced short term negative effects on mesenteric oxygenation and metabolism, but that these findings were transient and short lasting. Further, the effects of prostacyclin were minor and opposing. These findings of relative little impact on the intestines of lung recruitment maneuvers, lead us to investigate the hypothesis that repeated recruitment maneuvers maybe could elicite a protective intestinal preconditioning response, a phenomenon previously described both in the rat and in the dog. However, in our fourth study, using both classical ischemic preconditioning with brief periods of intestinal ischemia or repeated lung recrutiment maneuvers, we could not demonstrate the phenomenon of intestinal preconditioning in the pig. Conclusions: We conclude, that from a mesenteric point of view, lung recruitment maneuvers are safe, and only induce transient and short lasting negative effects. We also conclude that the cause of the minor effects of lung recruitment maneuvers is not dependent on intestinal preconditioning.

Calcific aortic valve disease is highly prevalent, especially in the elderly. Currently, the exact mechanism of the calcification process is not completely understood, limiting our ability to prevent or cure the disease. Ex vivo investigations, however, have provided evidence that the aortic valve's biological response is sensitive to mechanical forces, including fluid shear stresses, leading to the hypothesis that adverse fluid shear stress environment play a role in leading to valve calcification. This thesis seeks to investigate this hypothesis. A method for performing experimental measurement of time-varying shear stress on aortic valve leaflets under physiologic flow conditions was first developed, based on the Laser Doppler Velocimetry technique, and was systematically validated. This method was then applied to both the aortic surface and the ventricular surface of a normal tricuspid the aortic valve, and then on a congenital bicuspid aortic valve, using suitable in vitro valve models and an in vitro pulsatile flow loop. It was found that in the tricuspid valve, the peak shear stress on the aortic surface under adult resting condition was approximately 15-19 dyn/cm². Aortic surface shear stresses were elevated during mid- to late-systole, with the development of the sinus vortex, and were low during all other instances. Aortic surface shear stresses were observed to increase with increasing stroke volume and with decreasing heart rate. On the ventricular surface, shear stresses had a systolic peak of approximately 64-71 dyn/cm² under adult resting conditions. During late systole, due to the Womersley effect, shear stresses were observed to reverse in direction to a substantial magnitude for a substantial period of time. Further, it was found that a moderately stenotic bicuspid aortic valve can experience excessive unsteadiness in shear stress experienced by its leaflets, most likely due to the turbulent forward flow resulting from the stenosis, and due to the skewed forward flow. To demonstrate that the measured shear stresses can have an effect on the aortic valve biology, ex vivo experiments were performed in specific to determine the effects of these various shear stress characteristics on the biological response of porcine aortic valve leaflets, using the cone and plate bioreactor. It was found that unsteady shear stress measured in the bicuspid valve resulted in increased calcium accumulation. Further, it was found that low shear stresses and high frequency shear stresses resulted in increased calcium accumulation. Thus, shear stress was found to affect aortic valve pathology, and low and unsteady fluid shear stresses can enhance pathology.

Ce document d'HDR a pour but de démontrer ma capacité à diriger des recherches et à encadrer de jeunes chercheurs. On y trouve une synthèse de mes travaux situés à l'interface de la physique et des sciences de l'information : - les effts de résonance stochastique où le bruit joue un rôle utile dans le traitement non linéaire de l'information. Un point de vue original est en particulier développé en direction d'effets de bruit utile utilisant les nonlinéarités naturelles des capteurs de signaux ou d'images donnant lieu à des réalisations expérimentales sur des systèmes optiques; - l'analyse de signaux et d'images à travers les échelles par des outils d'analyse fractale et multifractale; - le projet de recherche que je développe actuellement en direction du traitement du signal et de l'imagerie appliqués aux sciences du vivant (biomédicale et végétale). Ce faisant, le document présente la démarche suivie à travers ces thématiques de recherche tour à tour guidées par le développement de paradigmes informationnels, le déploiement d'outils transversaux issus de la théorie de l'information, le lien avec mes activités d'enseignement également situées à l'interface de la physique et des sciences de l'information ou encore les richesses, contraintes et opportunités liées à mon environnement actuel de recherche.

La débitmétrie au laser à effet Doppler (LDF) constitue une méthode prometteuse et non-invasive pour l'étude du débit sanguin local dans l'œil. Cette technique est basée sur un changement de fréquence subi par la lumière lors du mouvement des globules rouges dans les vaisseaux. Une nouvelle sonde LDF a été testée pour sa sensibilité à évaluer la circulation rétinienne/choroïdienne sous des conditions hypercapniques et en présence de diverses substances vasoactives ou suivant la photocoagulation des artères rétiniennes chez le rat. Après dilatation pupillaire, la sonde LDF a été placée en contact avec la cornée de rats anesthésiés et parallèle à l'axe optique. L'hypercapnie a été provoquée par inhalation de CO2 (8% dans de l'air médical), alors que les agents pharmacologiques ont été injectés de façon intravitréenne. La contribution relative à la circulation choroïdienne a été évaluée à la suite de la photocoagulation des artères rétiniennes. Le débit sanguin s'est trouvé significativement augmenté à la suite de l'hypercanie (19%), de l'adénosine (14%) ou du nitroprusside de sodium (16%) comparativement au niveau de base, alors que l'endothéline-1 a provoqué une baisse du débit sanguin (11%). La photocoagulation des artères rétiniennes a significativement diminué le débit sanguin (33%). Des mesures en conditions pathologiques ont ensuite été obtenues après l'injection intravitréenne d'un agoniste sélectif du récepteur B1 (RB1). Ce récepteur des kinines est surexprimé dans la rétine des rats rendus diabétiques avec la streptozotocine (STZ) en réponse à l'hyperglycémie et au stress oxydatif. Les résultats ont montré que le RB1 est surexprimé dans la rétine chez les rats diabétiques-STZ à 4 jours et 6 semaines. À ces moments, le débit sanguin rétinien/choroïdien a été significativement augmenté (15 et 18 %) après l'injection de l'agoniste, suggérant un effet vasodilatateur des RB1 dans l'œil diabétique. Bien que la circulation choroïdienne contribue probablement au signal LDF, les résultats démontrent que le LDF représente une technique efficace et non-invasive pour l'étude de la microcirculation rétinienne in-vivo en continu. Cette méthode peut donc être utilisée pour évaluer de façon répétée les réponses du débit sanguin pendant des modifications métaboliques ou pharmacologiques dans des modèles animaux de maladies oculaires. / Laser Doppler Flowmetry (LDF) is a promising, non-invasive technique to assess local ocular blood flow. This technique is based on a Doppler frequency shift of the backscattered light due to the movement of the red blood cells in the vessels. A new LDF probe was tested for its sensitivity to assess the retinal/choroidal blood flow variations in response to hypercapnia, diverse vasoactive agents and following retinal arteries photocoagulation in the rat. After pupil dilation, a LDF probe was placed in contact to the cornea of anesthetised rats in the optic axis. Hypercapnia was induced by inhalation of CO2 (8% in medical air) while pharmacological agents were injected intravitreously. The relative contribution of the choroidal circulation to the LDF signal was determined after retinal artery occlusion by photocoagulation. Blood flow was significantly increased by hypercapnia (19%), adenosine (14%) and sodium nitroprusside (16%) as compared to baseline values while endothelin-1 decreased blood flow (11%). Photocoagulation of retinal arteries significantly decreased blood flow level (33%). Measurements in pathological conditions were then obtained after intravitreal injections of a B1R agonist. This kinin receptor is overexpressed in the retina of streptozotocin (STZ) diabetic rats in response to hyperglycaemia and oxidative stress. Data showed that B1R was upregulated in the STZ-diabetic retina at 4 days and 6 weeks. At these time points, retinal/choroidal blood flow was significantly increased (15 and 18 %) upon injection of the agonist, suggesting a vasodilatory effect of B1R in the diabetic eye. Although choroidal circulation most likely contributes to the LDF signal in this setting, the results demonstrate that LDF represents a suitable in vivo non-invasive technique to monitor online relative changes of retinal microcirculation. This technique could be used for repeatedly assessing blood flow reactivity to metabolic or pharmacologic challenges in rodent models of ocular diseases.

Afin d'alléger les moteurs d'avions et diminuer la consommation de carburant, les industriels tendent à rendre plus compact le système de compression de leurs moteurs, qui représente environ 40% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d'étages implique une charge aérodynamique plus élevée par étage. Cela augmente d'autant les risques de décollements sur les aubes et la dégradation des performances. L'aspiration de la couche limite sur les aubages s'est révélée très prometteuse pour supprimer ces décollements néfastes et satisfaire aux besoins de charge aérodynamique élevée. Cependant, l'aspiration modifie fortement la distribution de pression statique à la paroi des aubes, rendant les approches de conception traditionnelles inadaptées. L'objectif de ce travail de thèse est donc de proposer une nouvelle méthode et de nouveaux critères de conception d'aubages fortement chargés, intégrant l'aspiration de la couche limite. Cette méthode repose sur une stratégie d'aspiration en deux étapes. Dans un premier temps, un contrôle passif, par courbure et diffusion, de la position du point de décollement est effectué dans le but de la rendre insensible aux conditions de fonctionnement. Dans un second temps, un contrôle actif par aspiration vise à placer la fente d'aspiration par rapport au point de décollement de manière à minimiser le taux d'aspiration nécessaire au recollement de la couche limite. Afin de mettre en pratique cette stratégie, une technique de dessin d'aubages par prescription de la distribution de courbure de l'extrados et de la variation de section du canal inter-aubes, est ainsi développée. Associée à un outil de pré-dimensionnement rapide ainsi qu'une évaluation des pertes de pression totale incluant la présence d'aspiration, cette méthode permet ainsi de concevoir une grille de stator aspirée subsonique réalisant une déflexion fluide de 60 degrés, pour un nombre de Mach amont de 0,5, correspondant à un facteur de diffusion de 0,73. Cette performance au point nominal est obtenue avec un coefficient de pertes de pression totale de 2,5%, en aspirant 1,1% du débit entrant dans la grille. Ces valeurs peuvent néanmoins être réduites respectivement à 2,1% et 0,8% par l'emploi d'une fente d'aspiration à bords arrondis. Cette étude numérique bidimensionnelle est effectuée à l'aide du code de calcul elsA de l'ONERA. Afin de valider expérimentalement cette méthode de conception ainsi que les outils numériques associés, une grille d'aubes plane est construite et testée à basse vitesse au laboratoire de Mécanique de Fluides et d'Acoustique de l'Ecole Centrale de Lyon. A mi-envergure, les résultats issus de l'expérience et de simulations numériques 3D confirment la pertinence de la stratégie d'aspiration et la démarche de conception adoptée. Cette confrontation met alors en évidence l'impact de la distribution du taux d'aspiration suivant l'envergure sur l'efficacité de l'aspiration. Etant donné l'importance des écoulements tridimensionnels rencontrés, une généralisation en trois dimensions de la stratégie d'aspiration est proposée et est appliquée numériquement sur cette même grille d'aubes. En contrôlant simultanément les couches limites se développant sur l'aube et sur les parois latérales du canal de compression, il est alors possible de supprimer presque totalement les décollements de coins présents dans celui-ci. En contrepartie, le taux d'aspiration voit sa valeur augmenter très fortement, tempérant ce bénéfice. L'épaisseur des couches limites entrantes se révèle alors également être un facteur déterminant pour le succès du contrôle des couches limites par aspiration, dans un cadre tridimensionnel.

Les troubles du sommeil sont associés à une augmentation de l'activité du système nerveux sympathique, de la pression artérielle (PA) et une inflammation qui peuvent induire une dysfonction endothéliale. Les mécanismes impliqués dans cette dysfonction et les effets de la privation aiguë et totale de sommeil (PTS) ne sont pas encore élucidés. L'objectif de ce travail est d'évaluer l'effet de la PTS sur la vasomotricité et les liens avec des modifications de la PA et de la réponse immuno-inflammatoire. Dans une première partie, chez l'homme sain, nous observons au cours de 40 heures de PTS, une diminution de la vasodilatation cutanée induite par l'acétylcholine et une augmentation des concentrations plasmatiques de marqueurs de l'activation endothéliale. Cette dysfonction apparait avant les modifications de la PA et est associée à une augmentation de la concentration plasmatique de TNF-α et de la production d'ARNm du TNF-α par les cellules de la lignée blanche. Nous montrons également au cours d'un test d'immersion de la main dans l'eau froide (30 minutes, 5°C) et la récupération, une diminution de la température digitale et de la conductance vasculaire cutanée, associées à l'augmentation de la concentration plasmatique d'endothéline-1. Dans une deuxième partie, réalisée chez des rats sympathectomisés (réserpine), nous démontrons que la diminution des vasodilatations dépendante de l'endothélium, après 24 heures de PTS, est indépendante des modifications de la PA. Cette altération est liée à une diminution de l'activité des voies de production du NO et des prostacyclines (PGI2) et est associé à une augmentation des concentrations plasmatiques de TNF-α et d'IL-6. En conclusion, l'ensemble des résultats suggère que la PTS est un stress suffisant pour induire une dysfonction endothéliale, responsable d'une altération de la vasomotricité. Celle-ci semble être est initialement la conséquence de la réponse immuno-inflammatoire.

This thesis describes experiments that were carried out using focused wave groups in the UK Coastal Research Facility (UKCRF). Considerable effort was put into calibrating the UKCRF to determine the relationship between the input signals sent to the paddles and the waves generated in the facility. Focused wave groups of various sizes and phases, based on NewWave theory were generated, and measurements were made of the resulting surface elevation data, water particle kinematics, wave runup and overtopping volumes. NewWave theory models the profile of extreme waves in a Gaussian (random) sea. The thesis describes the first time this model has been applied in the context of coastal wave transformation. A method for the separation of the underlying harmonic structure of a focused wave group is described and results presented. This technique has been used in relatively deep water but is shown to work successfully in the coastal zone until wave overturning. A method has been devised to provide a theoretical Stokes-like expansion of the free and bound waves to model the surface elevation and water particle kinematics of the focused wave groups. Satisfactory agreement is achieved between the theoretical predictions of UKCRF measurements. Suggestions are made for an improved model. The underlying harmonic structure of the focused wave groups is presented as stacked time histories that give insight into the wave transformation process from deep to shallow water. Particular attention is paid to the low frequency wave generated as the wave group interacts with the beach. This is compared to the low frequency wave that is generated by a solitary wave in the UKCRF. Runup and overtopping measurements are in reasonable agreement with predictions based on certain empirical formulae, but not others. These comparisons are useful in identifying those formulae able to predict runup and overtopping of extreme waves in the coastal zone.

This thesis deals with the near-field of confluent jets, which can be of interest in many engineering applications such as design of a ventilation supply device. The physical effect of interaction between multiple closely spaced jets is studied using experimental and numerical methods. The primary aim of this study is to explore a better understanding of flow and turbulence behavior of multiple interacting jets. The main goal is to gain an insight into the confluence of jets occurring in the near-field of multiple interacting jets. The array of multiple interacting jets is studied when they are placed on a flat and a curved surface. To obtain the boundary conditions at the nozzle exits of the confluent jets on a curved surface, the results of numerical prediction of a cylindrical air supply device using two turbulence models (realizable 𝑘 − 𝜖 and Reynolds stress model) are validated with hot-wire anemometry (HWA) near different nozzles discharge in the array. A single round jet is then studied to find the appropriate turbulence models for the prediction of the three-dimensional flow field and to gain an understanding of the effect of the boundary conditions predicted at the nozzle inlet. In comparison with HWA measurements, the turbulence models with low Reynolds correction (𝑘 − 𝜖 and shear stress transport [SST] 𝑘 − 𝜔) give reasonable flow predictions for the single round jet with the prescribed inlet boundary conditions, while the transition models (𝑘 − 𝑘l − 𝜔𝜔 and transition SST 𝑘 − 𝜔) are unable to predict the flow in the turbulent region. The results of numerical prediction (low Reynolds SST 𝑘 − 𝜔 model) using the prescribed inlet boundary conditions agree well with the HWA measurement in the nearfield of confluent jets on a curved surface, except in the merging region. Instantaneous velocity measurements are performed by laser Doppler anemometry (LDA) and particle image velocimetry (PIV) in two different configurations, a single row of parallel coplanar jets and an inline array of jets on a flat surface. The results of LDA and PIV are compared, which exhibit good agreement except near the nozzle exits. The streamwise velocity profile of the jets in the initial region shows a saddle back shape with attenuated turbulence in the core region and two off-centered narrow peaks. When confluent jets issue from an array of closely spaced nozzles, they may converge, merge, and combine after a certain distance downstream of the nozzle edge. The deflection plays a salient role for the multiple interacting jets (except in the single row configuration), where all the jets are converged towards the center of the array. The jet position, such as central, side and corner jets, significantly influences the development features of the jets, such as velocity decay and lateral displacement. The flow field of confluent jets exhibits asymmetrical distributions of Reynolds stresses around the axis of the jets and highly anisotropic turbulence. The velocity decays slower in the combined regio  of confluent jets than a single jet. Using the response surface methodology, the correlations between characteristic points (merging and combined points) and the statistically significant terms of the three design factors (inlet velocity, spacing between the nozzles and diameter of the nozzles) are determined for the single row of coplanar parallel jets. The computational parametric study of the single row configuration shows that spacing has the greatest impact on the near-field characteristics.

La pandémie de maladies cardiovasculaires, actuellement en hausse, pose un problème majeur de santé publique. Malgré les progrès remarquables de la médecine au cours des précédentes décennies, les maladies cardiovasculaires constituent à l’heure actuelle la première cause de mortalité et de morbidité dans le monde. Parmi ces maladies, l’insuffisance cardiaque occupe une place assez importante. Les recherches réalisées au cours de ces dernières années ont permis d’établir que de nombreux facteurs de risque cardiovasculaire comme l’hypertension artérielle, le diabète, l’hyperlipidémie, l’obésité et le tabagisme s’accompagnent d’une dysfonction endothéliale précoce, caractérisée par la diminution de la biodisponibilité du monoxyde d’azote, et d’une rigidité artérielle. La DE semble être le dénominateur commun aux lésions microvasculaires, résultant d’une augmentation du stress oxydatif et d’une activation des voies de l’inflammation. Les conséquences fonctionnelles de ces lésions sont une altération de la capacité de la vasodilatation en réponse aux stimuli physiologiques, une augmentation de la rigidité artérielle et une ischémie tissulaire relative.Pour ce faire, nous avons étudié l’effet des différents facteurs affectant la fonction endothéliale microvasculaire et la biodisponibilité endothéliale du NO chez le sujet sain et pathologique, à l’aide d’une technique non invasive et reproductible appelée « laser Doppler imaging ».Nous avons dès lors démontré que le jeûne intermittent améliore la fonction endothéliale microvasculaire, produit une augmentation de la biodisponibilité du NO chez des sujets masculins en surcharge pondérale par rapport au groupe contrôle, de même qu’il exerce un effet favorable sur la tension artérielle et les paramètres biologiques.Dans un deuxième temps, nous avons examiné les effets des assistances ventriculaires à flux continu centrifuge sur les patients insuffisants cardiaques au stade terminal. Ainsi, nous avons pu montré que ces pompes, n’altèrent pas la dysfonction endothéliale existante chez les patients non assistés, et qu’elles sont respectueuses de la production du vWF, et permettent ainsi de diminuer l’incidence des hémorragies sans pour autant induire de thromboses. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Experimental vibration analysis of mechanical structures is a well established field.Plenty of literature exists on macro scale structures in the fields of civil, mechanical and aerospace engineering, but the study of vibrations of micro scale structures such as MEMS, liquid droplets, and biological cells is relatively new. For such structures, the amplitudes of vibration are typically in nanometeror sub-nanometer range and the frequencies are in KHz to MHz range depending upon the dimensions of the structure. In our study, we use a scanningLaser Doppler Vibrometer (LDV) to measure the vibrations of micro-scale objects such as MEMS structures, micro droplets and cells. The vibrometercan capture frequency response up to 24 MHz withpicometer displacement resolution. First, we present the study of dynamics of a 2-D micromechanical structure—a MEMSelectrothermal actuator. The structure is realized using SOI MUMPs process from MEMSCAP. The fabricated device is tested for its dynamic performance characteristics using the LDV. In our experiments, we could capture up to 50 out-of-plane modes of vibration—an unprecedented capture—with a single excitation. Subsequent FEM based numerical simulations confirmed that the captured modes were indeed what the experiments indicated, and the measured frequencies werefound to be within 5% of theoretically predicted. Next, we study the dynamics of a 3-D micro droplet and show how the substrate adhesion modulates the natural frequency of the droplet. Adhesion properties of droplets are decided by the degree of wettability that is generally measured by the contact angle between the substrate and the droplet. In this work, we were able to capture 14 modes of vibration of a mercury droplet on different substrates and measure the correspondingfrequencies experimentally. We verify these frequencies with analytical calculations and find that all the measured frequencies are within 6% of theoretically predicted values. We also show that considering any two pairs of natural frequencies, we can calculate the surface tension and the contact angle, thus providing a new method for measuring adhesion of a droplet on an unknown surface. Lastly, we present a study of vibrations of biological cells.Our first study is that of single muscle fibers taken from drosophila.Muscle fibers with different pathological conditions were held in two structural configurations—asa fixed-fixed beam and a cantilever beam—and their vibration signatures analysed.We found that there was significant reduction in natural frequency of diseased fibers. Among the diseased fibers, we could confidently classify the myopathies into nemaline and cardiac types based on the natural frequency of single fibers. We have noticed that the elastic modulus of the muscle which decides the natural frequency is dictated by the myosin expression levels. Our last example isa study of the vibration signatures of cancer cells. Here we measure the natural frequencies of normal and certain cancerous cells, and show that we can distinguish the two based on their natural frequencies. We find that the natural frequency of cancerous cells is approximately half of that of normal cells. Within the cancerous cells, we are able to distinguished epithelial cancer cells and mesenchymal cancer cells based on their natural frequency values. For Epithelial cells,we activate the signaling pathways to induce EMT and notice the reduction in the natural frequency. This mechanical assay based on vibration response corroborates results from the biochemical assays such as Western blots and PCR, thus opening a new technique of mechano-diagnostics.