La plupart des gens connaissent les turbulences dans l'aviation :certaines conditions de vent provoquent un vol de passagers cahoteux. Mais même dans les vaisseaux sanguins humains, le flux sanguin peut être turbulent. Des turbulences peuvent apparaître lorsque le sang coule le long des coudes ou des bords des vaisseaux, provoquant un changement brutal de la vitesse d'écoulement. Le flux sanguin turbulent génère des forces supplémentaires qui augmentent les chances de formation de caillots sanguins. Ces caillots se développent lentement jusqu'à ce qu'ils puissent être transportés par la circulation sanguine et provoquer un accident vasculaire cérébral en bloquant une artère dans le cerveau.

Les valves cardiaques mécaniques produisent des flux sanguins turbulents

Les patients porteurs de valves cardiaques artificielles présentent un risque plus élevé de formation de caillots. Le risque élevé est connu à partir de l'observation des patients après l'implantation d'une valve artificielle. Le facteur de risque de coagulation est particulièrement sévère pour les receveurs de valves cardiaques mécaniques, où les patients doivent recevoir quotidiennement des anticoagulants pour lutter contre le risque d'accident vasculaire cérébral. Jusque là, on ne sait pas pourquoi les valves cardiaques mécaniques favorisent la formation de caillots bien plus que les autres types de valves, par exemple. valves cardiaques biologiques.

Une équipe d'ingénieurs du Cardiovascular Engineering Group du Centre ARTORG de recherche en génie biomédical de l'Université de Berne a maintenant identifié avec succès un mécanisme qui peut contribuer de manière significative à la formation de caillots. Ils ont utilisé des méthodes mathématiques complexes de la théorie de la stabilité hydrodynamique, un sous-domaine de la mécanique des fluides, qui a été utilisé avec succès pendant de nombreuses décennies pour développer des avions économes en carburant. C'est la première traduction de ces méthodes, qui combinent physique et mathématiques appliquées, en médecine.

À l'aide de simulations informatiques complexes sur des supercalculateurs phares du Centro Svizzero di Calcolo Scientifico de Lugano, l'équipe de recherche a pu montrer que la forme actuelle des volets régulateurs de débit de la valve cardiaque entraîne de fortes turbulences dans le flux sanguin. "En naviguant dans les données de simulation, nous avons trouvé comment le sang empiète sur le bord avant des volets de valve, et comment le flux sanguin devient rapidement instable et forme des tourbillons turbulents, " explique Hadi Zolfaghari, premier auteur de l'étude. "Les forces puissantes générées dans ce processus pourraient activer la coagulation du sang et provoquer la formation de caillots immédiatement derrière la valve. Les superordinateurs nous ont aidés à capturer l'une des causes profondes de la turbulence dans ces valves, et la théorie de la stabilité hydrodynamique nous a aidés à trouver une solution technique pour cela."

Les valves cardiaques mécaniques qui ont été utilisées dans l'étude se composent d'un anneau métallique et de deux volets tournant sur charnières; les rabats s'ouvrent et se ferment à chaque battement cardiaque pour permettre au sang de sortir du cœur mais pas de revenir. Dans l'étude, l'équipe a également étudié comment la valve cardiaque pourrait être améliorée. Il a montré que même une conception légèrement modifiée des clapets de valve permettait au sang de circuler sans générer d'instabilités entraînant des turbulences, comme un cœur en bonne santé. Un tel flux sanguin sans turbulence réduirait considérablement le risque de formation de caillots et d'accident vasculaire cérébral.

Une vie sans anticoagulants ?

Plus de 100, 000 personnes par an reçoivent une valve cardiaque mécanique. En raison du risque élevé de coagulation, tous ces gens doivent prendre des anticoagulants, tous les jours, et pour le reste de leur vie. Si la conception des valves cardiaques est améliorée du point de vue de la mécanique des fluides, il est concevable que les receveurs de ces valves n'aient plus besoin d'anticoagulants. Cela pourrait mener à une vie normale, sans le fardeau durable de recevoir des médicaments anticoagulants. "La conception des valves cardiaques mécaniques n'a guère été adaptée depuis leur développement dans les années 1970, " dit Dominik Obrist, chef du groupe de recherche au Centre ARTORG. "Par contre, beaucoup de recherche et de développement ont été menés dans d'autres domaines d'ingénierie, comme la conception d'avions. Compte tenu du nombre de personnes qui ont une valve cardiaque artificielle, il est temps de parler d'optimisations de conception également dans ce domaine afin de donner à ces personnes une vie meilleure."

Groupe de recherche Génie cardiovasculaire

Le groupe d'ingénierie cardiovasculaire (CVE) d'ARTORG étudie les flux et les maladies cardiovasculaires, telles que les valvulopathies et les crises cardiaques. Ses recherches visent à améliorer la durabilité et la biocompatibilité à long terme des dispositifs thérapeutiques et des implants et à développer de nouveaux outils de diagnostic pour la pratique clinique. Les projets de recherche translationnelle CVE répondent à des besoins cliniques immédiats qui ont été identifiés avec des partenaires cliniques en angiologie, Cardiologie et Chirurgie Cardiovasculaire à l'Inselspital, qui sont étroitement intégrés dans les équipes projet du début à la fin. L'équipe exploite un laboratoire de débit expérimental doté d'une technologie de mesure moderne et un laboratoire de calcul pour modéliser les débits dans le cœur et les vaisseaux sanguins. Ses installations expérimentales comprennent des caméras à grande vitesse et des méthodes laser pour la quantification des flux en trois dimensions. Le groupe développe et utilise des modèles informatiques et des superordinateurs sur mesure pour étudier les systèmes de flux biomédicaux avec interaction fluide-structure.