Doppler vortography : detection and quantification of the vortices in the left ventricle

Nous proposons une nouvelle méthode pour quantifier la vorticité intracardiaque (vortographie Doppler), basée sur l’imagerie Doppler conventionnelle. Afin de caractériser les vortex, nous utilisons un indice dénommé « Blood Vortex Signature (BVS) » (Signature Tourbillonnaire Sanguine) obtenu par l’application d’un filtre par noyau basé sur la covariance. La validation de l’indice BVS mesuré par vortographie Doppler a été réalisée à partir de champs Doppler issus de simulations et d’expériences in vitro. Des résultats préliminaires obtenus chez des sujets sains et des patients atteints de complications cardiaques sont également présentés dans ce mémoire. Des corrélations significatives ont été observées entre la vorticité estimée par vortographie Doppler et la méthode de référence (in silico: r2 = 0.98, in vitro: r2 = 0.86). Nos résultats suggèrent que la vortographie Doppler est une technique d’échographie cardiaque prometteuse pour quantifier les vortex intracardiaques. Cet outil d’évaluation pourrait être aisément appliqué en routine clinique pour détecter la présence d’une insuffisance ventriculaire et évaluer la fonction diastolique par échocardiographie Doppler.

Évaluation in silico des pompes d’assistance ventriculaire de type écoulement mixte

L'insuffisance cardiaque est une maladie à grande incidence dont le traitement définitif est difficile. Les pompes d'assistance ventriculaire ont été proposées comme thérapie alternative à long terme, mais la technologie est relativement jeune et selon son design, axial ou centrifuge, le dispositif favorise soit l'hémolyse, soit la stagnation de l'écoulement sanguin. Les pompes à écoulement mixte, combinant certaines propriétés des deux types, ont été proposées comme solution intermédiaire. Pour évaluer leurs performances, nous avons effectué des comparaisons numériques entre huit pompes, deux axiales, deux centrifuges, et quatre mixtes, en employant un modèle Windkessel du système cardiovasculaire avec paramètres optimisés pour l'insuffisance cardiaque résolu avec une méthode Radau IIA3, une méthode de résolution de système d'équations différentielles ordinaires L-stable appartenant à la famille des méthodes Runge-Kutta implicites. Nos résultats semblent suggérer que les pompes d'assistance mixtes ne démontrent qu'un léger avantage comparativement aux autres types en terme de performance optimale dans le cas de l'insuffisance cardiaque, mais il faudrait effectuer plus d'essais numériques avec un modèle plus complet, entre autres avec contrôles nerveux implémentés.

Effect of hypoxia on cerebral blood flow regulation during rest and exercise : role of cerebral oxygen delivery on performance

Adequate supply of oxygen to the brain is critical for maintaining normal brain function. Severe hypoxia, such as that experienced during high altitude ascent, presents a unique challenge to brain oxygen (O2) supply. During high-intensity exercise, hyperventilation-induced hypocapnia leads to cerebral vasoconstriction, followed by reductions in cerebral blood flow (CBF), oxygen delivery (DO2), and tissue oxygenation. This reduced O2 supply to the brain could potentially account for the reduced performance typically observed during exercise in severe hypoxic conditions. The aims of this thesis were to document the effect of acute and chronic exposure to hypoxia on CBF control, and to determine the role of cerebral DO2 and tissue oxygenation in limiting performance during exercise in severe hypoxia. We assessed CBF, arterial O2 content (CaO2), haemoglobin concentration ([Hb]), partial pressure of arterial O2 (PaO2), cerebrovascular CO2 reactivity, ventilatory response to CO2, cerebral autoregulation (CA), and estimated cerebral DO2 (CBF ⨉ CaO2) at sea level (SL), upon ascent to 5,260 m (ALT1), and following 16 days of acclimatisation to 5,260 m (ALT16). We found an increase in CBF despite an elevated cerebrovascular CO2 reactivity at ALT1, which coincided with a reduced CA. Meanwhile, PaO2 was greatly decreased despite increased ventilatory drive at ALT1, resulting in a concomitant decrease in CaO2. At ALT16, CBF decreased towards SL values, while cerebrovascular CO2 reactivity and ventilatory drive were further elevated. Acclimatisation increased PaO2, [Hb], and therefore CaO2 at ALT16, but these changes did not improve CA compared to ALT1. No differences were observed in cerebral DO2 across SL, ALT1, and ALT16. Our findings demonstrate that cerebral DO2 is maintained during both acute and chronic exposure to 5,260 m, due to the reciprocal changes in CBF and CaO2. We measured middle cerebral artery velocity (MCAv: index of CBF), cerebral DO2, ventilation (VE), and performance during incremental cycling to exhaustion and 15km time trial cycling in both normoxia and severe hypoxia (11% O2, normobaric), with and without added CO2 to the inspirate (CO2 breathing). We found MCAv was higher during exercise in severe hypoxia compared in normoxia, while cerebral tissue oxygenation and DO2 were reduced. CO2 breathing was effective in preventing the development of hyperventilation-induced hypocapnia during intense exercise in both normoxia and hypoxia. As a result, we were able to increase both MCAv and cerebral DO2 during exercise in hypoxia with our CO2 breathing setup. However, we concomitantly increased VE and PaO2 (and presumably respiratory work) due to the increased hypercapnic stimuli with CO2 breathing, which subsequently contributed to the cerebral DO2 increase during hypoxic exercise. While we effectively restored cerebral DO2 during exercise in hypoxia to normoxic values with CO2 breathing, we did not observe any improvement in cerebral tissue oxygenation or exercise performance. Accordingly, our findings do not support the role of reduced cerebral DO2 in limiting exercise performance in severe hypoxia. -- Un apport adéquat en oxygène au niveau du cerveau est primordial pour le maintien des fonctions cérébrales normales. L'hypoxie sévère, telle qu'expérimentée au cours d'ascensions en haute altitude, présente un défi unique pour l'apport cérébral en oxygène (O2). Lors d'exercices à haute intensité, l'hypocapnie induite par l'hyperventilation entraîne une vasoconstriction cérébrale suivie par une réduction du flux sanguin cérébral (CBF), de l'apport en oxygène (DO2), ainsi que de l'oxygénation tissulaire. Cette réduction de l'apport en O2 au cerveau pourrait potentiellement être responsable de la diminution de performance observée au cours d'exercices en condition d'hypoxie sévère. Les buts de cette thèse étaient de documenter l'effet de l'exposition aiguë et chronique à l'hypoxie sur le contrôle du CBF, ainsi que de déterminer le rôle du DO2 cérébral et de l'oxygénation tissulaire comme facteurs limitant la performance lors d'exercices en hypoxie sévère. Nous avons mesuré CBF, le contenu artériel en oxygène (CaO2), la concentration en hémoglobine ([Hb]), la pression partielle artérielle en O2 (PaO2), la réactivité cérébrovasculaire au CO2, la réponse ventilatoire au CO2, et l'autorégulation cérébrale sanguine (CA), et estimé DO2 cérébral (CBF x CaO2), au niveau de la mer (SL), au premier jour à 5.260 m (ALT1) et après seize jours d'acclimatation à 5.260 m (ALT16). Nous avons trouvé des augmentations du CBF et de la réactivité cérébrovasculaire au CO2 après une ascension à 5.260 m. Ces augmentations coïncidaient avec une réduction de l'autorégulation cérébrale. Simultanément, la PaO2 était grandement réduite, malgré l'augmentation de la ventilation (VE), résultant en une diminution de la CaO2. Après seize jours d'acclimatation à 5.260 m, le CBF revenait autour des valeurs observées au niveau de la mer, alors que la réactivité cérébrovasculaire au CO2 et la VE augmentaient par rapport à ALT1. L'acclimatation augmentait la PaO2, la concentration en hémoglobine, et donc la CaO2, mais n'améliorait pas l'autorégulation cérébrale, comparé à ALT1. Aucune différence n'était observée au niveau du DO2 cérébral entre SL, ALT1 et ALT16. Nos résultats montrent que le DO2 cérébral est maintenu constant lors d'expositions aiguë et chronique à 5.260m, ce qui s'explique par la réciprocité des variations du CBF et de la CaO2. Nous avons mesuré la vitesse d'écoulement du sang dans l'artère cérébrale moyenne (MCAv : un indice du CBF), le DO2 cérébral, la VE et la performance lors d'exercice incrémentaux jusqu'à épuisement sur cycloergomètre, ainsi que des contre-la-montres de 15 km en normoxie et en hypoxie sévère (11% O2, normobarique) ; avec ajout ou non de CO2 dans le mélange gazeux inspiré. Nous avons trouvé que MCAv était plus haute pendant l'exercice hypoxique, comparé à la normoxie alors que le DO2 cérébral était réduit. L'ajout de CO2 dans le gaz inspiré était efficace pour prévenir l'hypocapnie induite par l'hyperventilation, qui se développe à l'exercice intense, à la fois en normoxie et en hypoxie. Nous avons pu augmenter MCAv et le DO2 cérébral pendant l'exercice hypoxique, grâce à l'ajout de CO2. Cependant, nous avons augmenté la VE et la PaO2 (et probablement le travail respiratoire) à cause de l'augmentation du stimulus hypercapnique. Alors que nous avons, grâce à l'ajout de CO2, efficacement restauré le DO2 cérébral au cours de l'exercice en hypoxie à des valeurs obtenues en normoxie, nous n'avons observé aucune amélioration dans l'oxygénation du tissu cérébral ou de la performance. En conséquence, nos résultats ne soutiennent pas le rôle d'un DO2 cérébral réduit comme facteur limitant de la performance en hypoxie sévère.

Évaluation du lactate sanguin chez les chiens atteints de cancer

Malgré le manque d’études sur ce sujet, le cancer est considéré comme une des principales causes d’hyperlactatémie de type B chez le chien. Les cellules malignes ont une production accrue de lactates secondaire à une glycolyse aérobie accrue, via l’effet Warburg. Les mécanismes ne sont pas encore clairement établis mais certains auteurs suggèrent que le cancer pourrait causer une hyperlactatémie via l’effet Warburg. Cette étude a pour objectif de déterminer si les tumeurs malignes peuvent être associées à une hyperlactatémie cliniquement significative (≥2,5 mmol/L) chez le chien. Trente-sept chiens atteints de tumeurs malignes ont été recrutés (22 atteints de tumeurs hématopoïétiques et 15 de tumeurs non hématopoïétiques). Le diagnostic était confirmé par analyse histologique, ou cytologique en cas de lymphome. Les autres causes possibles d’hyperlactatémie étaient écartées puis la mesure des lactates sanguins était réalisée sur sang veineux jugulaire immédiatement analysé avec le LactatePro®. Aucun chien n’était hyperlactatémique. La concentration moyenne en lactates sanguins était de 1,09 mmol/L. La concentration moyenne en lactates sanguins pour les chiens atteints de tumeurs non hématopoïétiques et hématopoïétiques était respectivement de 0,95 mmol/L et de 1,19 mmol/L. Les chiens atteints de lymphome (n=18) avaient une concentration moyenne en lactates sanguins de 1,15 mmol/L. Les tumeurs malignes ne sont pas associées à une hyperlactatémie de type B cliniquement significative chez le chien. L’hyperlactatémie tumorale est donc une complication rare chez le chien. Son diagnostic devrait conduire à une investigation minutieuse des autres causes d’hyperlactatémie.

Pharmacologie des variations de débit sanguin oculaires chez le rat au moyen de la débitmétrie au laser par effet Doppler

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.

Impacts de l'écoulement souterrain sur la dégradation du pergélisol

Les changements climatiques mesurés dans le Nord-ouest canadien au cours du XXIe siècle entraînent une dégradation du pergélisol. Certaines des principales conséquences physiques sont la fonte de la glace interstitielle lors du dégel du pergélisol, l’affaissement du sol et la réorganisation des réseaux de drainage. L’effet est particulièrement marqué pour les routes bâties sur le pergélisol, où des dépressions et des fentes se créent de façon récurrente, rendant la conduite dangereuse. Des observations et mesures de terrain effectuées à Beaver Creek (Yukon) entre 2008 et 2011 ont démontré qu’un autre processus très peu étudié et quantifié dégradait le pergélisol de façon rapide, soit la chaleur transmise au pergélisol par l’écoulement souterrain. Suite aux mesures de terrain effectuées (relevé topographique, étude géotechnique du sol, détermination de la hauteur de la nappe phréatique et des chenaux d’écoulement préférentiels, température de l’eau et du sol, profondeur du pergélisol et de la couche active), des modèles de transfert de chaleur par conduction et par advection ont été produits. Les résultats démontrent que l’écoulement souterrain dans la couche active et les zones de talik contribue à la détérioration du pergélisol via différents processus de transfert de chaleur conducto-convectifs. L’écoulement souterrain devrait être pris en considération dans tous les modèles et scénarios de dégradation du pergélisol. Avec une bonne caractérisation de l’environnement, le modèle de transfert de chaleur élaboré au cours de la présente recherche est applicable dans d’autres zones de pergélisol discontinu.