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Illustration de l'intérieur d'une artère.
Modéliser la circulation sanguine n'est pas chose aisée. MattL_Images/Shutterstock

Mieux comprendre les maladies cardio-neurovasculaires avec l’hémodynamique

Première cause de décès dans le monde, les maladies cardio-neurovasculaires représentent l’ensemble des troubles affectant le cœur et les vaisseaux sanguins. En France, elles sont la deuxième cause de décès après les cancers, en étant responsables de plus de 140 000 morts chaque année.

Elles causent un nombre important de maladies et de décès précoces, d’hospitalisation, et de handicap acquis. Jusqu’à 50 000 personnes font un arrêt cardiaque soudain chaque année, dont environ 5 % survivent. En 2021, 5,3 millions de personnes étaient traitées pour une maladie cardio-neurovasculaire, dont plus de 443 000 pour maladie aiguë. Parmi ces maladies, la cardiopathie coronarienne désigne un dysfonctionnement du cœur provoqué par le rétrécissement ou l’obturation des artères qui le nourrissent (les artères coronaires, qui dessinent une couronne autour du muscle cardiaque).

La physique peut s’avérer forte utile pour comprendre les aspects physiologiques et cliniques (en complément de l’angiologie). L’hémodynamique (ou « dynamique du sang »), du grec haima, « le sang » et dunamis, dunamikos, « la force », est la science des propriétés physiques de la circulation sanguine en mouvement dans le système cardio-vasculaire.

Harvey, Bernoulli et Poiseuille. Wikimedia, CC BY

Les pionniers de cette discipline sont d’abord médecins avant d’être physiciens. Daniel Bernoulli, médecin de formation, a écrit son Traité Hydrodynamica après ses réflexions sur le mouvement du sang dans les veines et sur la pression artérielle. La double formation en médecine et en physique de Poiseuille lui fait écrire Le Mouvement des liquides dans les tubes de petits diamètres.

Dans l’ouvrage De Motu Cordis, Harvey fait la première description complète du système circulatoire. Il décrit notamment le sens de circulation et le rôle exact des valvules veineuses. On sait aujourd’hui que le système circulatoire est constitué de pompes de différentes natures (cardiaque, musculaire veineuse, abdomino-thoracique) et de conduits en forme de tubes (les vaisseaux sanguins). Les pompes font circuler le sang depuis les artères jusqu’à la microcirculation créant un système de circulation aller et retour à sens unique.

Au premier abord, la discipline sous-jacente de l’hémodynamique est la mécanique des fluides et plus précisément la rhéologie : la science qui étudie la déformation des écoulements sous l’effet d’une contrainte appliquée.

Le sang est une suspension liquide de « particules » (globules rouges, blancs, plasmocytes…) dans le plasma, c’est-à-dire un mélange hétérogène de particules solides dans un liquide. L’existence d’une phase « solide » et d’une phase « liquide » rend complexe la définition d’un modèle physique réaliste pour le décrire. Le sang est un fluide non newtonien c’est-à-dire que sa viscosité n’est pas indépendante de la contrainte. Dans les fluides non newtoniens, la viscosité peut changer lorsqu’elle est soumise à une force pour devenir plus liquide ou plus solide.

Mieux comprendre l’hypertension ou les anévrismes

L’hémodynamique permet une compréhension et caractérisation de maladies comme l’hypertension, l’athérosclérose, les anévrismes cérébraux et les anévrismes de l’aorte.

La modélisation hémodynamique permet la conception de dispositifs médicaux implantables utilisés dans le traitement de ces maladies (organes artificiels, tubes, et cathéters, implants vasculaires)

On peut réaliser des modèles numériques de biomécanique de la circulation sanguine. Citons par exemple des modèles physique et mathématique de valve aortique.

Des chercheurs de l’EPFL ont développé un modèle de « cœur » sur ordinateur susceptible un jour d’aider les médecins à mieux diagnostiquer ou prévenir les maladies cardiaques.

La simulation numérique pour les écoulements sanguins/Université de Montpellier.

En réalité, l’utilisation des paramètres hémodynamique est quotidienne en médecine : on surveille la pression artérielle, la fréquence cardiaque, ou, plus spécifiquement notamment en soins intensifs le débit cardiaque, les pressions de remplissage du cœur gauche. Concrètement, lorsqu’on mesure sa tension artérielle, on réalise en fait une expérience d’hémodynamique. Parmi les paramètres essentiels dont dépend l’hémodynamique, on peut mentionner l’énergie cardiaque, le volume sanguin, la respiration, le diamètre des vaisseaux et leur résistance, et la viscosité sanguine.

Le cœur, en jouant le rôle de pompe circulatoire de l’organisme doit assurer un débit cardiaque minimal pour le bon fonctionnement des organes. Il s’adapte également à tout effort physique ou situation de maladie. La fonction cardiaque est en harmonie avec les fonctions vasculaires, qui, plus que de simples tuyaux, régulent la pression sanguine via une réduction ou une augmentation de leur diamètre, phénomènes appelés vasoconstriction et vasorelaxation.

L’évaluation des paramètres hémodynamique est nécessaire au cours de l’évaluation d’un patient. C’est le quotidien du médecin vasculaire, qui doit évaluer la bonne perfusion des organes, la recherche de sténoses (rétrécissement du calibre artériel) ou d’occlusions d’artères. Un des principaux examens d’évaluation est l’échographie Doppler vasculaire. Cet examen permet de visualiser les artères en échographie et utilise l’écho Doppler pour évaluer les vitesses d’écoulement sanguin. Ces données combinées sont essentielles pour comprendre l’hémodynamique artérielle locale. Par exemple, une sténose va se caractériser par une accélération locale des vitesses circulatoires et un ralentissement en aval de la sténose.

Précisément, les contraintes de cisaillement pariétal dans le contexte des vaisseaux sanguins, tels que les artères, représentent les forces de frottement exercées par le sang sur la paroi interne des vaisseaux. Cette contrainte est générée par le flux sanguin qui circule à travers les vaisseaux. Elle est déterminée par la viscosité du sang et la vitesse du flux sanguin. Une des thématiques de recherche actuelle en imagerie menée dans le service de médecine vasculaire à l’hôpital européen Georges Pompidou (APHP, Paris) est de développer une mesure fiable de ces contraintes. Ces mesures pourraient nous aider à mieux caractériser le profil de risque des plaques d’athérosclérose car on sait que les contraintes de flux exercées sur ces plaques jouent un rôle dans le processus de rupture de plaque, à l’origine de la plupart des infarctus du myocarde et des accidents vasculaires cérébraux.

En conclusion, l’étude de l’hémodynamique est ancienne et toujours en amélioration via de nouvelles techniques d’exploration. Les avancées technologiques nous permettent un regard toujours renouvelé dans la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques de la circulation sanguine.

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