par Rabineau, Jérémy 
Président du jury Faoro, Vitalie
Promoteur Haut, Benoît
Co-Promoteur Van De Borne, Philippe
Publication Non publié, 2022-11-07
Président du jury Faoro, Vitalie
Promoteur Haut, Benoît
Co-Promoteur Van De Borne, Philippe
Publication Non publié, 2022-11-07
Thèse de doctorat
| Résumé : | Microgravity is a hostile environment for the cardiovascular system. It triggers a cascade of adaptations that lead to problems on return to gravity. With the relatively low number of astronauts and the current duration of their spaceflights, some unknowns remain regarding the exact risks of future interplanetary missions. In addition, the current countermeasures are suboptimal and there is a high inter-subject variability that is still poorly understood. It will thus be necessary to closely monitor the cardiovascular health of the future interplanetary crews with the constraints of such expeditions, i.e., limited mass and volume, absence of resupply, delay in the communications, etc. Accordingly, the main objective of this research is to evaluate the possibility to use wearable devices based on the micro-vibrations generated by the cardiovascular activity – measured on the chest (SCG) or at the center of mass (BCG) – to bring information about the cardiovascular status of astronauts.Firstly, the results from a study simulating microgravity by 60-day exposure to head-down tilt bed rest are reported. In particular, the fine adaptations of the cardiovascular system and the impact of a countermeasure based on artificial gravity are studied using 4D flow cardiac MRI. No significant effect of this countermeasure is found in the tested setup. During the head-down tilt phase, the cardiac output decreased because of a smaller blood flow towards the lower body. In parallel, the aortic pulse wave velocity increased. However, all these changes were reversible and seemed to indicate only functional adaptations. It is noteworthy that BCG and SCG have the potential to follow the trends in cardiac output and pulse wave velocity, which will soon be tested using these MRI data as a reference.Secondly, the results from another 60-day head-down tilt bed rest study are reported. The aim is to evaluate the possibility for SCG and BCG to report the longitudinal cardiovascular changes occurring during such a study, as well as the efficacy of a countermeasure based on physical exercise. Several features related to the integral of kinetic energy measured on BCG and SCG decreased during the head-down tilt phase. In the case of systolic BCG, these changes were progressive and correlated with the changes in stroke volume and maximal oxygen uptake. These three parameters also demonstrated the positive impact of regular physical exercise. This further highlights the potential of a monitoring system based on SCG and BCG to evaluate the efficacy of countermeasures inflight.Thirdly, a numerical model of the circulatory system, allowing the generation of artificial BCG signals, is presented. The impact of some parameters, such as the simulated age, on the generated signals are also studied. It confirms the fact that the aorta is the major contributor to the BCG signals and allows the association of physiological events to some BCG waves. The timings and amplitudes of these waves are impacted by simulated aging, and some scaling laws successfully estimate the aortic pulse wave velocity based on features from the acceleration BCG signal. Other scaling laws are also suggested to estimate the stroke volume based on BCG. These applications of BCG, but also additional new findings in the fields of SCG and BCG, will soon be tested in vivo, based on the data from the two previously cited head-down tilt bed rest studies, as well as data from spaceflights.Overall, this work demonstrates interesting elements in favor of the possibility to monitor the cardiovascular status of astronauts with devices based on cardiac-induced vibrations such as BCG and SCG. Interesting and realistic perspectives include the investigation of these techniques in the monitoring of the cardiorespiratory fitness, the blood volume status, and the central arterial stiffness. In particular, the two latter applications may provide critical information regarding orthostatic tolerance. In a nutshell, there are good prospects for the use of such techniques to evaluate the efficacy of an inflight countermeasure regime or to check that it is safe for a crewmember to perform some critical operations on the surface of another celestial body. |
| La micropesanteur représente un environnement hostile pour le système cardiovasculaire. Elle entraîne une cascade d’adaptations menant à des problèmes lors du retour à la pesanteur. Étant donnés le nombre relativement faible d’astronautes et la durée actuelle de leurs vols, certaines inconnues demeurent en ce qui concerne les risques exacts des futures missions interplanétaires. Par ailleurs, les contremesures actuellement employées sont sous-optimales et l’on observe une forte variabilité inter-sujet qui est encore mal comprise. Il sera donc nécessaire de suivre de près la santé cardiovasculaire des futures équipages interplanétaires, avec toutes les contraintes de telles expéditions, c’est-à-dire une masse et un volume limités, une absence de ravitaillement, un délai dans les communications, etc. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette recherche est d’évaluer la possibilité d’utiliser un système portable basé sur les micro-vibrations générées par l’activité cardiovasculaire – mesurées au niveau de la poitrine (SCG) ou bien du centre de masse (BCG) – afin d’apporter des informations sur l’état cardiovasculaire des astronautes.Premièrement, les résultats d’une étude de simulation de la micropesanteur de 60 jours par alitement tête-en-bas sont rapportés. En particulier, les adaptations fines du système cardiovasculaire, ainsi que l’impact d’une contremesure basée sur la gravité artificielle, sont étudiés en utilisant des protocoles d’IRM cardiaque avec flux 4D. Aucun effet significatif de cette contremesure n’a été identifié dans la configuration testée. Au cours de la phase tête-en-bas, le débit cardiaque a diminué en raison d’une baisse du flux vers le bas du corps. En parallèle la vitesse d’onde de pouls a augmenté. Néanmoins, ces changements se sont avérés réversibles et semblaient n’indiquer que des adaptations fonctionnelles. Il est intéressant de noter que le BCG et le SCG ont le potentiel de suivre ce type de tendance en termes de débit cardiaque et de vitesse d’onde de pouls, ce qui sera bientôt testé en utilisant ces données IRM comme référence.Deuxièmement, les résultats d’une autre étude de 60 jours d’alitement tête-en-bas sont rapportés. Le but est d’évaluer la possibilité pour le SCG et le BCG de mettre en évidence les modifications cardiovasculaires longitudinales qui ont lieu au cours d’une telle étude, ainsi que l’efficacité d’une contremesure basée sur de l’exercice physique. On note que des paramètres liés à l’intégrale de l’énergie cinétique mesurée par BCG et SCG ont diminué pendant la phase tête-en-bas. Dans le cas du BCG systolique, ces changements ont été progressifs et corrélés à ceux du volume d’éjection systolique et de la capacité maximale d’absorption d’oxygène. Ces trois paramètres ont également démontré l’impact positif du programme d’activité physique. Ceci renforce encore le potentiel d’un système de suivi basé sur le SCG et le BCG pour évaluer l’efficacité des contremesures en vol.Troisièmement, un modèle numérique du système circulatoire, permettant la génération de signaux BCG artificiels, est présenté. L’impact de certains paramètres, tel que l’âge simulé, sur les signaux générés est également étudié. Ce modèle confirme le fait que l’aorte est le contributeur majoritaire aux signaux BCG et permet l’association de certains événements physiologiques à des ondes BCG spécifiques. La position et l’amplitude de ces ondes sont impactées par le vieillissement simulé, et des transformations permettent d’estimer la vitesse d’onde de pouls dans l’aorte, en se basant sur des éléments du BCG d’accélération. D’autres formules sont également suggérées afin d’estimer le volume d’éjection systolique en se basant sur le BCG. Ces applications du BCG, ainsi que d'autres nouvelles découvertes dans le domaine du SCG et du BCG, seront bientôt testées in vivo à partir des données issues des deux études d’alitement tête-en-bas déjà citées, ainsi que des données issues de vols spatiaux.De manière générale, ce travail met en avant des éléments intéressants en faveur de la possibilité de suivre le statut cardiovasculaire des astronautes, en utilisant des instruments basés sur la mesure des vibrations cardiaques, tels que le BCG et le SCG. Parmi les perspectives intéressantes et réalistes, on peut citer l’étude de ces techniques dans le suivi de la santé cardiorespiratoire, de la volémie, ainsi que de la rigidité des artères centrales. En particulier, ces deux dernières applications pourraient apporter des informations critique au sujet de la tolérance orthostatique. En résumé, de belles perspectives existent en ce qui concerne l’utilisation de telles techniques pour évaluer l’efficacité du régime de contremesures utilisé en vol, ou bien pour vérifier qu’un membre d’équipage peut réaliser des opérations critiques en toute sécurité à la surface d’un autre corps céleste. |
