Modèle électrique de collatéralité coronarienne : amélioration de l'outil de simulation d'élargissement du panel de patients

par Mazid Harmouche

Thèse de doctorat en Biologie et sciences de la santé

Sous la direction de Jean-Philippe Verhoye et de Agnès Drochon.

Soutenue le 05-06-2015

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Vie-Agro-Santé (Rennes) , en partenariat avec Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image (équipe de recherche) et de Université européenne de Bretagne (PRES) .


  • Résumé

    Les pontages aorto-coronaires sont réalisés afin d’assurer une reperfusion myocardique. Un modèle de circulation coronaire serait utile pour prédire les effets des interventions pharmacologiques et pathophysiologiques en particulier les pontages coronaires. Dans ce travail, nous étudions des patients avec des sténoses coronaires sévères. Nous avons créé un modèle basé sur l’analogie hydraulique/électrique qui décrit le système artériel coronaire mathématiquement. Les simulations permettant de calculer les pressions et les flux dans les artères natives sténosées, les branches collatérales et les capillaires. Dans notre modèle biomécanique, les capillaires sont représentés par leur résistance hydraulique ; la résolution des équations de mécanique des fluides dans un tel réseau est complexe raison pour laquelle nous avons utilisé un modèle électrique. Dans ce modèle, chaque segment d’artère coronaire est représenté par un modèle de circuit analogue avec une résistance R, une capacitance C et une inductance L. Notre système artériel coronaire a été modélisé en présence de pontages. Dans cette analogie hydraulique/électrique, les pressions et les flux correspondent au voltage électrique et au courant. L’imagerie diagnostique seule est insuffisante pour prédire les résultats d’un traitement donné pour un patient unique de par ses lésions. La notion de Pw (pression distale à la thrombose) est proportionnelle au flux collatéral dans cette région. Un index basé sur des mesures de pression a été proposé par Pijls afin de déterminer la significativité fonctionnelle de la collatéralité et de faciliter la prise de décision chez les patients avec une collatéralité équivoque. Cet index est nommé Collateral Flow Index (CFI). Toutefois, la relation entre le flux collatéral et la valeur de Pw n’est pas aussi simple en particulier lorsqu’il s’agit de vaisseaux multisténosés. Nous avons donc développé un CFI modifié et démontré que le nouvel index de pression du flux collatéral est plus sensible aux variations des pressions distales aux thromboses, Pw, pouvant ainsi décrire le rôle du flux collatéral plus précisément. De plus, ce nouvel index reflète la balance entre deux chutes de pression : (Pw-Pv) correspondant au flux distal à la thrombose et (Pao-Pw) correspondant au flux collatéral. Nous avons également analysé les facteurs les plus importants qui déterminent la perfusion du territoire droit. Sept nouveaux patients ont également été étudiés. Le caractère temps-dépendant des résistances capillaires a été introduit afin de prendre en compte le collapsus des vaisseaux coronaires en systole dû à la contraction ventriculaire. Une des conclusions majeures est que la revascularisation complète est totalement justifiée chez nos patients. Enfin, la dernière partie a été consacrée à l’étude du Fractional Flow Reserve (FFR). Notre modèle est maintenant utilisé afin d’évaluer la fonctionnalité de la circulation coronaire après revascularisation.

  • Titre traduit

    coronary collaterality electrical model : improvement of the simulating tool using a greater number of patients


  • Résumé

    Bypass grafting is performed to obtain myocardial reperfusion. Coronary artery diseases induce the development of a coronary collateral circulation. However, developed collaterals are a risk factor for restenosis. We study the case of severe coronary diseases. We proposed a model based on hydraulic/electric analogy. The simulations allow to know the pressures and flow rates with the hope that these computations will augment the surgeons experience. The reductions of the stenosed arteries were estimated from angiographic observations. Flow rates are measured with a flowmeter.In the biomechanical model of this coronary network, the capillaries are represented by their hydraulic resistances. Full resolution of the fluid mechanics equations in such a network is complicated, reason why we used an analog electrical model. In the electrical model, each segment of the coronary artery is simulated by an equivalent analog circuit model. Our coronary artery system was modeled in the presence of bypasses. In this hydraulic/electric analogy, pressure and flow rate correspond to electrical voltage and current. The so-called coronary wedge pressure Pw (pressure distal to the thrombosis) is proportional to collateral flow to this area. An index based on pressure measurements has been proposed. This index is called Collateral Flow Index (CFI). However, the relationship between the collateral flow and the Pw value is not simple. That’s why we developed another CFI and demonstrated that the proposed new pressure based index of collateral flow is more sensitive to the variations of the values of the pressure distal to the thrombosis and could thus describe the role of collateral flow. Moreover, this new index is likely to reflect the balance between the two pressure drops: (Pw- Pv) driving the flow distal to the thrombosis and (Pao- Pw), driving the collateral flow. We also studied the flow rate toward the right heart territory and demonstrated that the influence of capillary and collateral resistances cannot be analyzed separately. We also analysed the most important factors that determine the right territory perfusion using a mathematical analysis which confirmed that the CFI does not fully reflect the flow rate delivered to the occluded territory. In particular, the capillary and collateral resistances are demonstrated to have a major influence on the perfusion of the right occluded territory. Even if the CFI may be improved by a more appropriate combination of the measured pressure values, collateral flow and microvascular status determination in patients with three-vessel disease remains a challenge. Another part of this work integrated seven new patients. Simulated profiles of flow rates and pressures were obtained in case of fixed and variable resistances. The last part was dedicated to the study of the Fractional Flow Reserve. Our model is now used to evaluate the functionality of the coronary circulation after revascularization.


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