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EnglishRÉSUMÉ
Les maladies cardiovasculaires représentent l'une des premières causes de mortalité. Cet article s'intéresse aux avancées majeures dans le domaine de la biomécanique cardiovasculaire, circulatoire et pariétale, et des biomatériaux implantables dans ce domaine. L'objectif est de comprendre les enjeux futurs de la biomécanique dans la prédiction individualisée des risques d'accidents cardiovasculaires ou dans la mise en place de nouvelles thérapies régénératrices.
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Stéphane AVRIL : Professeur à l'École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
INTRODUCTION
Les maladies cardiovasculaires représentent l'une des premières causes de mortalité dans les pays industrialisés. Cependant les avancées de ces dernières années en imagerie médicale, en simulation numérique, en biomatériaux et en biomécanique ouvrent la voie à de remarquables améliorations dans le dépistage et le traitement des patients, plaçant l'ingénierie dans la prise de décision en médecine et en chirurgie vasculaires et cardiaques.
On s'intéresse dans cet article aux avancées majeures dans le domaine de la biomécanique cardiovasculaire et des biomatériaux implantables dans ce domaine. L'article traite aussi bien de biomécanique circulatoire (science de l'écoulement du sang dans les vaisseaux en utilisant les outils et le formalisme de la mécanique des fluides) que de biomécanique pariétale (science des déformations et des contraintes mécaniques dans les vaisseaux sanguins et le cœur en utilisant les outils et le formalisme de la mécanique des solides déformables). L'article présente aussi succinctement les dispositifs médicaux et les biomatériaux utilisés lors du traitement de certaines maladies cardiovasculaires qui se manifestent par des défaillances biomécaniques. Le marché de ces dispositifs médicaux est gigantesque, il représente plusieurs milliards de dollars dans le monde pour la seule pathologie des anévrismes aortiques.
Cet article est organisé en quatre parties. La première partie est dédiée à la biomécanique circulatoire et à l'hémodynamique, abordant successivement l'organisation de la circulation sanguine et son rôle, la régulation de la pression sanguine, l'onde de pouls, la rhéologie du sang et les modèles numériques en hémodynamique. La seconde partie concerne la biomécanique pariétale, notamment la structure et les caractéristiques fonctionnelles des vaisseaux sanguins et du cœur, les propriétés élastiques des vaisseaux, leur résistance mécanique, et les évolutions de ces propriétés lors de la croissance et du remodelage. La troisième partie présente quatre principales pathologies cardiovasculaires faisant l'objet d'études biomécaniques pour améliorer leur prise en charge médicale : l'hypertension, l'athérosclérose, les anévrismes cérébraux et les anévrismes aortiques. La quatrième partie est consacrée aux dispositifs médicaux implantables en contact avec le sang.
Cet article fait la synthèse de plusieurs ouvrages de référence couvrant différents sujets qui sont habituellement traités de manière séparée, mais qui sont regroupés ici, comme la biomécanique circulatoire, l'hémodynamique veineuse, la biomécanique de la paroi artérielle, la biomécanique cardiaque et les dispositifs médicaux implantables. La présentation n'est pas exhaustive mais couvre les domaines où l'effort de recherche est le plus important actuellement.
Le principal objectif de cet article est de présenter les bases scientifiques qui permettent de comprendre les enjeux de demain de la biomécanique cardiovasculaire : prédiction individualisée des risques d'accidents cardiovasculaires, outils numériques d'aide à la décision chirurgicale, nouvelles thérapies régénératrices… L'article est accessible à un large lectorat. Des approfondissements sur les notions de mécanique des fluides, de mécanique des solides ou de biologie seront nécessaires pour le lecteur non initié.
Un glossaire est présenté en fin d'article.
MOTS-CLÉS
biomatériau biomécanique médecine chirurgie cardiovasculaire biomécanique pariétale hémodynamique simulation numérique patient-spécifique
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Présentation
1. Hémodynamique et biomécanique circulatoire
1.1 Circulation sanguine
La circulation sanguine a pour fonction primaire la distribution du dioxygène et des nutriments aux organes et l'élimination des déchets. Elle assure aussi certaines fonctions secondaires importantes comme le transport des molécules chimiques informatives (médiateurs) mais aussi des cellules spécialisées dans les communications entre populations cellulaires, la défense de l'organisme, la thermorégulation. La circulation se produit dans trois types de vaisseaux sanguins : les artères, les veines et les capillaires.
Les artères acheminent le sang du cœur vers les organes (figure 1). Les veines conduisent le sang des organes vers le cœur. Seuls les capillaires sont en contact étroit avec les cellules et permettent les échanges entre le sang et le liquide interstitiel qui baigne les cellules. La circulation se répartit en deux circuits, tous deux commençant et se terminant au cœur :
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la circulation systémique commence au ventricule gauche, qui par l'aorte envoie le sang hématosé vers les organes. Puis le sang revient au cœur droit (oreillette droite) par les veines caves ;
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la circulation pulmonaire débute au ventricule droit, d'où l'artère pulmonaire envoie du sang non oxygéné vers un seul organe, le poumon. Le sang est alors oxygéné et revient au cœur gauche (oreillette gauche) par les veines pulmonaires.
La mise en mouvement du sang est principalement due au cœur qui fonctionne comme deux pompes en série (figure 2). Chaque pompe est elle-même subdivisée en deux cavités qui s'apparentent à des étages haute et basse pressions.
Les différentes phases du cycle cardiaque sont décrites comme suit :
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pendant la systole ventriculaire, les oreillettes se remplissent de sang et se distendent comme un sac. Les valves aurico- ventriculaires sont fermées ;
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quand la pression ventriculaire chute au-dessous de la pression auriculaire, les valves aurico-ventriculaires s'ouvrent, un remplissage rapide du ventricule s'accomplit ;
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à la fin de la diastole, la contraction auriculaire permet de remplir chaque ventricule d'une quantité de sang supplémentaire.
Ainsi, l'étage haute pression de la première pompe, le ventricule gauche, fournit au sang l'énergie mécanique nécessaire à sa circulation. L'étage basse pression de la deuxième pompe fixe la pression moyenne à...
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Hémodynamique et biomécanique circulatoire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FUNG (Y.C.) - Biomechanics: mechanical properties of living tissues. - Springer, New York (1993).
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(2) - HUMPHREY (J.D.) - Cardiovascular solid mechanics: cells, tissues and organs. - Springer, New York (2002).
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(3) - SACKS (M.S.), CHUONG (C.J.) - Biaxial mechanical properties of passive right ventricular free wall myocardium. - J. Biomech. Eng., 115, p. 202-205 (1993).
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(4) - HOLZAPFEL (G.A.), GASSER (T.C.), OGDEN (R.W.) - A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models. - J. Elast., 61, p. 1-48 (2000).
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(5) - RACHEV (A.), STERGIOPOULOS (N.), MEISTER (J.J.) - A model for geometric and mechanical adaptation of arteries to sustained hypertension. - J. Biomech. Eng., 120, p. 9-17 (1998).
-
(6) - BAEK (S.), RAJAGOPAL (K.R.), HUMPHREY (J.D.) - A...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
• Cours en science et vie de la terre http://www.pst.chez-alice.fr
• Groupe de cardiologie interventionnelle http://www.gci-cardio.fr
• Projet Thrombus VPH http://www.thrombus-vph.eu
• CV Path http://www.cvpath.org
• Vascops http://www.vascops.com
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