La pression pulsatile dans les artères cérébrales crée une charge cyclique sur les parois et le tissu environnant. Les mesures par IRM montrent que le cerveau se déplace de fractions de millimètre à chaque battement de cœur, mais les images seules ne suffisent pas à séparer la contribution de la géométrie du vaisseau, des propriétés de la paroi et des caractéristiques du tissu. La plupart des travaux numériques considèrent soit l'écoulement à l'intérieur du vaisseau, soit la mécanique cérébrale dans son ensemble, et un modèle entièrement couplé avec une anatomie réaliste n'avait pas encore été construit. Ce travail comble cette lacune en utilisant une géométrie issue d'IRM à haut champ et un calcul couplé.
À partir d'IRM 5 teslas d'une femme en bonne santé d'environ 30 ans, quatre segments ont été segmentés : l'artère cérébrale moyenne (M1), sa bifurcation, l'artère basilaire et l'artère carotide interne. Pour chacun, on a construit un modèle tridimensionnel de la lumière, une paroi d'épaisseur variable et le tissu environnant sous forme d'un cube à trois couches concentriques autour du vaisseau. Le sang était décrit par le modèle de Carreau pour l'amincissement au cisaillement, la paroi par un modèle hyperélastique d'Ogden, le tissu par un modèle hyperviscoélastique de Storakers à plusieurs temps de relaxation. L'interaction sang-paroi-tissu était résolue par la méthode des éléments finis dans COMSOL avec un couplage bidirectionnel et un maillage mobile. En entrée, on imposait des profils physiologiques pulsés de débit et de pression, et les résultats étaient comparés aux données IRM de la littérature sur la déformation volumique de la substance grise.
Les simulations ont reproduit l'évolution temporelle de la déformation volumique : croissance pendant la systole, pic autour de 30 % du cycle et décroissance pendant la diastole. La déformation est maximale dans la paroi et s'atténue rapidement avec la distance au vaisseau, tout en restant dans les limites des valeurs mesurées expérimentalement pour la substance grise. L'artère carotide interne a donné la plus forte déformation en raison de la combinaison d'une vitesse d'écoulement élevée et d'une sinuosité marquée, tandis que l'artère basilaire présentait une image plus symétrique et plus locale. L'épaisseur de la paroi agit de façon inversement proportionnelle : à épaisseur minimale, la déformation volumique dans la première couche de tissu atteignait 7,75×10⁻³, à épaisseur maximale, 1,68×10⁻³. Les indices hémodynamiques pariétaux (TAWSS, OSI, RRT) se sont révélés hétérogènes : des valeurs élevées apparaissaient aux bifurcations, aux courbures et aux rétrécissements, mais globalement l'écoulement restait unidirectionnel.
Ce travail réunit pour la première fois une géométrie réaliste des artères cérébrales, une rhéologie sanguine non linéaire, des parois hyperélastiques et un tissu viscoélastique dans un même modèle couplé, validé par des données d'IRM. Cela permet de distinguer la contribution de la forme du vaisseau de celle des propriétés du tissu et de la paroi, ce que ne fournissent ni les modèles purement hémodynamiques, ni les modèles purement tissulaires. Les résultats soulignent que la déformation et les perturbations hémodynamiques sont gouvernées différemment par la géométrie : l'évaluation de l'état d'un vaisseau exige donc une analyse conjointe des indices mécaniques et pariétaux.
Le modèle peut être étendu à une anatomie réaliste incluant le liquide céphalorachidien, les méninges et les espaces périvasculaires, ainsi qu'à des géométries propres à chaque patient en cas d'anévrismes, de sténoses ou de modifications de la rigidité liées à l'âge. L'ajout des processus de transport permettra d'étudier comment la déformation pulsatile module la diffusion des médicaments dans l'espace intercellulaire et périvasculaire.
Les résultats seront utiles en neurochirurgie et en neuroradiologie pour évaluer le risque d'anévrismes et de sténoses, ainsi qu'en pharmacocinétique pour prévoir la distribution des médicaments dans le cerveau.
L'étape suivante consiste à valider sur un plus grand nombre de sujets et à comparer avec des données DENSE MRI en coïncidence spatiale. On pourra ensuite passer à la modélisation des altérations pathologiques de la géométrie et des propriétés du tissu.
En mécanique du tissu cérébral, la question reste ouverte de savoir comment les charges pulsatiles se répartissent entre le réseau vasculaire, le liquide céphalorachidien et le parenchyme, et comment cela influence le transport et les lésions en situation pathologique. Ce modèle rapproche de la réponse, mais ne tient pas compte du liquide céphalorachidien ni de l'anisotropie du tissu.
À chaque battement de cœur, le cerveau se déplace d'environ 0,1–0,3 mm, ce qui est comparable à l'épaisseur d'un cheveu humain, mais cette déformation suffit à influencer le transport des substances dans les espaces périvasculaires.
Non publié sur arXiv. Voici sa page, le PDF et la formalisation : vous pouvez vérifier vous-même, pas seulement lire notre analyse.