Couplage numérique unidimensionnelle de l’écoulement vasculaire cérébrale et du liquide céphalo-rachidien dans l’enceinte cranio-spinale

Soutenance de thèse Marc Maher

Mardi 18 juin à 10 h 30 – Amphithéâtre Nougaro

Resumé :

Le liquide céphalo rachidien ou cérébro-spinal (LCS) s’écoule dans les ventricules cérébraux, les espaces sous arachnoidiens cérébraux et spinaux. Son écoulement est essentiel au fonctionnement normal du cerveau et sa perturbation est liée à des pathologies cérébrales. Un paramètre crucial directement lié à sa dynamique est la pression intracrânienne qui ne peut être mesurée que de manière invasive.
Dans cette thèse, en se basant sur la doctrine de Monroe-Kellie qui suppose un volume intracranien constant, nous modélisons numériquement le couplage entre l’écoulement sanguin dans la vascularisation cérébrale (VC), depuis les artères pénétrantes carotidiennes et vertébrales jusqu’au veines jugulaires, et l’écoulement du LCS dans les espaces sous arachnoidiens cérébraux (ESAC) et spinaux (ESAS). La modélisation de ces écoulements est basée sur les équations de Naviers-Stokes unidimensionnelles (1D) dans une configuration de tubes coaxiaux et souples. Dans le compartiment cérébral, le réseau des ESAC est coaxial à la VC tandis que dans le compartiment spinal, le réseau des ESAS est coaxial à la moelle épinière.
Nos conditions aux limites sont les signaux de pression des artères carotidiennes, vertébrales et des veines jugulaires. Dans un premier temps, nous utilisons un signal de pression sinusoïdal et par la suite un signal de pression physiologique admettant plusieurs harmoniques. Dans un premier temps, notre modèle a permis de reproduire le caractère pulsatile du CSF et de mettre en évidence les échanges de volume entre le compartiment crânien et spinal. Ainsi, lors d’une expansion vasculaire, nous avons pu reproduire la chasse du LCS crânien et son déplacement dans le canal spinal, décrivant ainsi son rôle de compensation volumique. Nous avons également pu retrouver des valeurs de débit de CSF cervical entre 0.5 et 3 mL/s et de pression de CSF crânien entre 2 et 8 mmHg en accord avec des données mesurés par IRM.
La prise en compte de le compliance spinal a permis également de mettre en évidence des valeurs de vitesse de propagtion du CSF spinal et d’attenuation de pression en accord avec des mesures IRM. Par la suite, nous avons procédé à une étude paramétrique dans laquelle nous sommes intéressés à l’influence de la variation du volume du LCS et la compliance des espaces sous arachnoidiens cérébraux et spinaux sur les pressions et débits dans la VC, les ESAC et les ESAS. Ces paramètres étant fortement liés aux pathologies canio-spinales. Les résultats montrent une influence non négligeable sur les maximums de débit, l’amplitude de pression et le stroke volume du LCS au niveau crânien de même que spinal. Un optimum de stroke volume du CSF spinal était atteint pour un volume global de LCS de 216 mL. Le modèle a permis de mettre en évidence qu’une diminution de la compliance cranio-spinale potentiellement dû à une malformation physiologique, un traumatisme ou post traitement chirurgicale peut augmenter la pression intracrânienne et altérer l’écoulement du LCS. Enfin, nous avons adapté notre modèle 1d à des données spécifiques de patients issus de mesures IRM (sains ou avec des symptômes pathologiques) et obtenus de bonnes corrélation entre les débits de CSF cervical calculés et mesurés. Par la suite, cette étude permettra d’explorer le mécanisme d’autorégulation cérébrale sous la forme d’un problème de contrôle optimal en boucle fermée (dit feedback ou rétroactif).

Jury