A one dimensional numerical coupling of the cerebral vasculature and the cerebrospinal fluid flow in the cardio-spinal compartment - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

A one dimensional numerical coupling of the cerebral vasculature and the cerebrospinal fluid flow in the cardio-spinal compartment

Couplage numérique unidimensionnel de l'écoulement vasculaire cérébral et du liquide céphalo-rachidien dans l'enceinte cranio-spinale

Résumé

The cerebrospinal fluid (CSF) fills the ventricles, the cranial and spinal subarachnoid spaces. CSF exhibits a pulsatile motion essential to normal brain function and its flow dynamics disturbance is linked to several CSF diseases. A relevant hemodynamic parameter, the intracranial pressure, which can be acquired only invasively is closely related to CSF flow dynamics. The main goal of this study is to build, based on the hypothesis that the CSF displacement is mainly driven by the cerebral arterial pulsation, a one-dimensional model of the fluid mechanics coupling between the entire cerebral vasculature (CV) and the CSF. The CV is composed of 34 vessels depicting the arterial network, the microcirculation and the venous network. It starts from the carotid and vertebral arteries to the jugular veins and is surrounded by the cranial subarachnoid spaces. This cranial vault is then coupled to a spinal vault which consists of the spinal cord enclosed by the spinal subarachnoid spaces. Blood and CSF are considered viscous. The blood vessels and the dura mater are assumed compliants. The boundary conditions of the blood-CSF 1D model consist of an arterial pressure signal at the inlet of the carotid and vertebral arteries and a venous steady pressure at the jugular veins. First, a sinusoidal waveform of the arterial pressure signal is employed followed by a physiological waveform signal. The study evaluates the effect of the dura mater elastance, the CSF volume and the lumbar cistern compliance on blood and CSF dynamics as their contributions are closely related to CSF disorders. First, the model was able to reproduce the CSF flow pulsatility and fluids volume exchange between the cranial and spinal compartment. We found cervical CSF peak flow between 0.5 and 3 mL/s and cranial CSF pressure between 2 and 8 mmHg which is in agreement with MRI studies. Moreover, due to the compliant spinal subarachnoid spaces, pulse wave velocity and pulse pressure attenuation were find decreasing under increasing spinal compliance. A parametric analysis was conducted to quantify the effect of CSF volume and overall cranio-spinal compliance. Our results provide evidence of an optimal spinal CSF stroke volumefor a CSF volume of 216 mL. Moreover, cranial CSF pressure was found increasing under decreasing the overall cranio spinal compliance. Finally, the model was confronted to PC-MRI measurements and we found good agreement between computed and measured cervical CSF flow. This work constitutes the object of future studies regarding the modeling of the cerebral autoregulation mechanism as a retroactive optimal process.
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 l'hypothèse suivant laquelle le mouvement du LCS est principalement dû à la pulsation artérielle cérébrale, nous modélisons numériquement le couplage entre l'écoulement sanguin dans la vascularisation cérébrale (VC), depuis les voies d'apports carotidiennes et vertébrales jusqu'aux 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 Navier-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. Notre modèle a permis de reproduire le caractère pulsatile du LCS 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, mettant en évidence son rôle de compensation volumique. Nous avons également pu retrouver des valeurs d'amplitude de débits de LCS cervical entre 0.5 et 3 mL/s en accord avec des données mesurés par IRM et de pression moyenne de CSF crânien entre 2 et 8 mmHg. La prise en compte de la compliance spinale a permis également de mettre en évidence des valeurs de vitesse de propagtion du CSF spinal et d'atténuation de pression en accord avec des mesures IRM. Par la suite, nous avons procédé à une étude paramétrique dans laquelle nous nous sommes intéressés à l'influence de la variation du volume du LCS et de 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 crânio-spinales. Les résultats montrent une influence non négligeable de ces paramètres sur les maxima 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 peut augmenter la pression intracrânienne et altérer l'écoulement du LCS. Enfin, nous avons adapté notre modèle 1D à des données spécifiques issues de mesures IRM d'une population de personnes saines ou avec des symptômes pathologiques et obtenu de bonnes corrélations entre les débits de LCS 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 rétro-actif).
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-03253799 , version 1

Citer

Marc Maher. A one dimensional numerical coupling of the cerebral vasculature and the cerebrospinal fluid flow in the cardio-spinal compartment. Fluids mechanics [physics.class-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2019. English. ⟨NNT : 2019TOU30330⟩. ⟨tel-03253799⟩
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