A fluid mechanical view on abdominal aortic aneurysms

Abdominal aortic aneurysms are a dilatation of the aorta, localized preferentially above the bifurcation of the iliac arteries, which increases in time. Understanding their localization and growth rate remain two open questions that can have either a biological or a physical origin. In order to identify the respective role of biological and physical processes, we address in this article these questions of the localization and growth using a simplified physical experiment in which water (blood) is pumped periodically (amplitude a, pulsation ω) in an elastic membrane (aorta) (length L, cross-section A0 and elastic wave speed c0) and study the deformation of this membrane while decharging in a rigid tube (iliac artery; hydraulic loss K). We first show that this pulsed flow either leads to a homogenous deformation or inhomogenous deformation depending on the value of the non-dimensional parameter c02/(aLω2K). These different regimes can be related to the aneurysm locations. In the second part, we study the growth of aneurysms and show that they only develop above a critical flow rate which scales as A0c

Occlusions pulmonaires, entropion oculaire et anévrismes : une approche physique en physiologie

This thesis deals with three physiological issues involving liquid flows and, for two of them, fluid-structure interactions. Each problem is reduced to an experimental set-up respecting its main mechanical and physical properties.Liquid plugs can resist the air flow in the lungs. Those occlusions result sometimes from the capillary instability. We show that this instability is affected, and sometimes suppressed, by gravity, even at low Bond number : only the smallest airways develop plugs across their lumen. The final stage of the growing of the plugs leads to a singularity specific to the tubular geometry. We develop scaling laws in order to understand it. The entropion is the turning inward of the border of the eyelid against the eyeball. Previous modelings of the eyelid assumed it was rigid. We study the importance of its elasticity on the coating of the cornea by a tear film. A Landau-Levich-type model is considered. We then look at the possible inversion of the eyelid.An abdominal aortic aneurysm (AAA) is a locally swollen region of the main artery of the human body. We study experimentally, numerically and theoretically the response of an elastic tube submitted to a pulsatile heart-like flow. On the timescale of one cardiac cycle, we distinguish between two different modes of deformation : the tube can either dilate in a synchronous way on each cycle, or propagate deformation waves. We explain this transition both with a model of elastic waves and by considering the time required to reach equilibrium in the membrane. On very long timescales compared to the cardiac cycle, a windkessel model show a critical flowrate above which the tube grows and develops an "aneurysm". The numerical simulations allow us to couple both the waves and this aneurysm development : they show very interesting issues concerning the preferential location of an aneurysm.Ce manuscrit traite de trois problématiques physiologiques qui mettent en jeu des écoulements de liquide, et parfois des interactions fluide-structure. Nous épurons chaque situation pour en extraire un montage expérimental modèle conservant ses composantes physiques et mécaniques.Les occlusions pulmonaires sont des lentilles de liquides qui peuvent être formées grâce à l'instabilité capillaire dans des tubes. Nous montrons que cette instabilité est affectée, et parfois supprimée, par la gravité, même aux faibles nombres de Bond : seules les plus petites bronchioles sont susceptibles de développer l'instabilité de Plateau-Rayleigh. Les étapes finales de la formation de la lentille liquide font intervenir une singularité spécifique à la géométrie tubulaire, que nous traitons par des modèles en loi d'échelle.L'entropion est un enroulement de la paupière qui provoque un contact indésirable entre les cils et le globe oculaire. Nous étudions l'influence de l'élasticité de la paupière sur l'étalement du fluide lacrymal, grâce à un modèle de type Landau-Levich. Nous examinons ensuite la possibilité du retournement de la paupière lors de la fermeture de l'œil. Un anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) est une zone localement dilatée de la plus grosse artère du corps humain. Nous étudions expérimentalement, numériquement et théoriquement la réponse d'un tuyau élastique à un écoulement pulsé comme l'est celui du cœur. Sur l'échelle de temps du cycle cardiaque, nous mettons en lumière deux régimes possibles de déformation en fonction de la sollicitation : la membrane peut soit se dilater de façon synchrone à chaque cycle, soit propager des ondes de déformation. Le seuil de transition est explicité d'une part grâce à un modèle d'ondes élastiques, et d'autre part en considérant le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre. Sur des échelles de temps très longues en comparaison du cycle cardiaque, un modèle moyen de type windkessel permet de rendre compte d'un débit critique au delà duquel le tube se dilate et forme un anévrisme . Les expériences numériques permettent de coupler les ondes avec le développement d'un anévrisme, ouvrant des pistes prometteuses en ce qui concerne la localisation préférentielle d'un anévrisme

Occlusions pulmonaires, entropion oculaire et anévrismes (une approche physique en physiologie)

Ce manuscrit traite de trois probl ematiques physiologiques qui mettent en jeu des ecoulements de liquide, et parfois des interactions fluide-structure. Nous epurons chaque situation pour en extraire un montage exp erimental modele conservant ses composantes physiques et m ecaniques. Les occlusions pulmonaires sont des lentilles de liquides qui peuvent etre form ees gr ace a l instabilit e capillaire dans des tubes. Nous montrons que cette instabilit e est affect ee, et parfois supprim ee, par la gravit e, m eme aux faibles nombres de Bond : seules les plus petites bronchioles sont susceptibles de d evelopper l instabilit e de Plateau-Rayleigh. Les etapes finales de la formation de la lentille liquide font intervenir une singularit e sp ecifique a la g eom etrie tubulaire, que nous traitons par des modeles en loi d echelle. L entropion est un enroulement de la paupiere qui provoque un contact ind esirable entre les cils et le globe oculaire. Nous etudions l influence de l elasticit e de la paupiere sur l etalement du fluide lacrymal, gr ace a un modele de type Landau-Levich. Nous examinons ensuite la possibilit e du retournement de la paupiere lors de la fermeture de l oeil. Un an evrisme de l aorte abdominale (AAA) est une zone localement dilat ee de la plus grosse artere du corps humain. Nous etudions exp erimentalement, num eriquement et th eoriquement la r eponse d un tuyau elastique a un ecoulement puls e comme l est celui du coeur. Sur l echelle de temps du cycle cardiaque, nous mettons en lumiere deux r egimes possibles de d eformation en fonction de la sollicitation : la membrane peut soit se dilater de fa con synchrone a chaque cycle, soit propager des ondes de d eformation. Le seuil de transition est explicit e d une part gr ace a un modele d ondes elastiques, et d autre part en consid erant le temps n ecessaire pour atteindre l equilibre. Sur des echelles de temps tres longues en comparaison du cycle cardiaque, un modele moyen de type windkessel permet de rendre compte d un d ebit critique au dela duquel le tube se dilate et forme un an evrisme . Les exp eriences num eriques permettent de coupler les ondes avec le d eveloppement d un an evrisme, ouvrant des pistes prometteuses en ce qui concerne la localisation pr ef erentielle d un an evrisme.This thesis deals with three physiological issues involving liquid flows and, for two of them, fluid-structure interactions. Each problem is reduced to an experimental set-up respecting its main mechanical and physical properties. Liquid plugs can resist the air flow in the lungs. Those occlusions result sometimes from the capillary instability. We show that this instability is affected, and sometimes suppressed, by gravity, even at low Bond number : only the smallest airways develop plugs across their lumen. The final stage of the growing of the plugs leads to a singularity specific to the tubular geometry. We develop scaling laws in order to understand it. The entropion is the turning inward of the border of the eyelid against the eyeball. Previous modelings of the eyelid assumed it was rigid. We study the importance of its elasticity on the coating of the cornea by a tear film. A Landau-Levich-type model is considered. We then look at the possible inversion of the eyelid. An abdominal aortic aneurysm (AAA) is a locally swollen region of the main artery of the human body. We study experimentally, numerically and theoretically the response of an elastic tube submitted to a pulsatile heart-like flow. On the timescale of one cardiac cycle, we distinguish between two different modes of deformation : the tube can either dilate in a synchronous way on each cycle, or propagate deformation waves. We explain this transition both with a model of elastic waves and by considering the time required to reach equilibrium in the membrane. On very long timescales compared to the cardiac cycle, a windkessel model show a critical flowrate above which the tube grows and develops an aneurysm . The numerical simulations allow us to couple both the waves and this aneurysm development : they show very interesting issues concerning the preferential location of an aneurysm.AIX-MARSEILLE1-Inst.Médit.tech (130552107) / SudocSudocFranceF

The effects of gravity on the capillary instability in tubes

We study the capillary instability of a liquid film (thickness $h_0$) coating a horizontal cylindrical tube (radius $R_0$). We show experimentally that the instability only occurs if $h_0/R_0>0.3(R_0/a)^2$, where $a$ is the capillary length. If this criterion is not fulfilled, the liquid film does not destabilize into an array of drops, owing to the gravitational drainage

Plouf

Plouf is the noise made by the impact of a solid sphere into a pool when air is entrained. In fact, this impact does not always entrained air and our first point is to address the criterion of entrainement. When air is entrained, a cavity is created the dynamics of which can be described by a Rayleigh-Plesset approach. We show that an algebric equation exists to describe the dynamic of this cavity up to the pinching

Aortic aneurysms : a mechanical instability ?

We study experimentally a system composed of an elastic membrane in which water is periodically flushed from a heart-like pump. Our first interest is the occurrence of waves as opposed to an homogeneous mode of deformation of our membrane. These modes may explain differences in the localization of aneurysms in the body. Then we show the case of an inhomogeneous membrane (in terms of Young's modulus) submitted to our flow. In a certain range of parameters, our fake artery is able to gradually develop a swollen region that we call aneurysm, and whose cause is mechanical

Dynamics of transient cavities

International audienc