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Elastic compression of the leg is a widely used treatment in case of pathologies related to venous insufficiency. Its benefits are not to be proven, but still, for some patients, the therapeutic goal is not reached. One goal of this treatment is to reduce transmural pressure applied to veins in order to restore or increase blood return to the heart by the transmission of the external pressure through soft tissues. This is a complex mechanism that can be predicted by patient-specific finite element models. To be patient-specific, these models must take into account the geometry and the distribution of mechanical properties of each subject.In this study, two methodologies are developed to identify the mechanical properties of soft tissues. First, the elastic modulus distribution inside the superficial soft tissues is measured by shear wave ultrasound elastography. Second, the mechanical properties of deep soft tissues are identified through an inverse method combining the data acquired from an experimental localized compression of the leg to a bi-dimensional finite element model.These two methodologies allow to evaluate the mechanical properties heterogeneity from the skin to the fascia cruris and to characterize the non-linear behaviour of deep soft tissues. Finally, the results from both methodologies are brought together to generate a biomechanical model of the leg under elastic compression to predict pressure distribution inside soft tissues for four healthy subjects., La compression élastique de la jambe est le traitement de référence des pathologies liées à l’insuffisance veineuse. Bien que l’efficacité ne soit plus à prouver, les objectifs thérapeutiques restent non atteints pour certains patients. Un objectif de la compression élastique est la réduction de la pression pariétale des veines afin de rétablir ou d’augmenter le retour du sang vers le cœur par une transmission de pression au travers des tissus mous. Ce mécanisme est complexe et peut être prédit par des modèles éléments finis personnalisés. Pour être personnalisés, ces modèles doivent prendre en compte la géométrie et la carte des propriétés mécaniques du sujet.Dans cette étude, on développe deux méthodologies permettant d’identifier les propriétés mécaniques des tissus mous. Dans un premier temps, on mesure par élastographie ultrasonore par onde de cisaillement la distribution du module élastique au sein des tissus mous superficiels. Dans un deuxième temps, on identifie par une méthode inverse les propriétés mécaniques des tissus mous profonds. Cette méthode associe l’acquisition de données d’un essai expérimental de compression localisée de la jambe à un modèle éléments finis bidimensionnel. Ces deux méthodologies nous permettent d’évaluer l’hétérogénéité des propriétés mécaniques de la peau au fascia cruris et de caractériser le comportement non-linéaire des tissus mous profonds. Enfin, les résultats de ces deux méthodologies sont couplés afin de générer un modèle biomécanique de la jambe sous compression élastique pour prédire la distribution de pression au sein des tissus mous pour quatre sujets sains.

Objective To study of the microcirculatory effects of elastic compression stockings. Materials and methods In phlebology, laser Doppler techniques (flux or imaging) are widely used to investigate cutaneous microcirculation. It is a method used to explore microcirculation by detecting blood flow in skin capillaries. Flux and imaging instruments evaluate, non-invasively in real-time, the perfusion of cutaneous micro vessels. Such tools, well known by the vascular community, are not really suitable to our protocol which requires evaluation through the elastic compression stockings fabric. Therefore, we involve another instrument, called the Hematron (developed by Insa-Lyon, Biomedical Sensor Group, Nanotechnologies Institute of Lyon), to investigate the relationship between skin microcirculatory activities and external compression provided by elastic compression stockings. The Hematron measurement principle is based on the monitoring of the skin’s thermal conductivity. This clinical study examined a group of 30 female subjects, aged 42 years ±2 years, who suffer from minor symptoms of chronic venous disease, classified as C0s, and C1s (CEAP). Results The resulting figures show, subsequent to the pressure exerted by elastic compression stockings, an improvement of microcirculatory activities observed in 83% of the subjects, and a decreased effect was detected in the remaining 17%. Among the total population, the global average increase of the skin’s microcirculatory activities is evaluated at 7.63% ± 1.80% ( p Conclusion The results from this study show that the pressure effects of elastic compression stockings has a direct influence on the skin’s microcirculation within this female sample group having minor chronic venous insufficiency signs. Further investigations are required for a deeper understanding of the elastic compression stockings effects on the microcirculatory activity in venous diseases at other stages of pathology.

Compression therapy has precise technical characteristics but in vivo pressures exerted by bandages are still poorly understood.ObjectiveTo perform in vivo pressure measurements of different compression bandages bearing different technical characteristics with different application methods.MethodInterface pressure was measured on the lower limb of 20 healthy women at 3 different points (B1, C and F) using 6 compression techniques (stockings, non-elastic bandage, elastic bandages with 2 technical characteristics and 3 application methods), and in 3 positions.ResultsAll elastic compression bandages respected the principle of graduated pressure along the length of the limb (P

(Cf. corpus p. 27-28) This thesis work focuses on the cardiovascular responses consecutive to l/ various exercice modalities and 2/ various post-exercise recovery interventions. With regard to the exercise modalities, 3 experimental protocols were led. The first one aimed to compare the acute effects of constant and interval exercises on regional arterial stiffness and these determinants. Two others studies focused on the cardiac dysfunctions induced by exercises of longer durations (2-3h) and the underlying mechanisms. The second problematic of this thesis work led to 5 studies. The following questions were approached: the comparison of the effects of contrast water therapy and compression stockings on the subsequent performance; the knowledge of the factors at the origin of the benefits of these recovery interventions between repeated brief and exhaustive bouts of physical exercise (i.e. muscle blood flow, muscle oxygenation, removal of metabolic waste, etc.) ; the changes in leg muscle blood flow, caused by hydrostatic pressure alone [thermoneutral water immersion), and in addition to cooling (cold water immersion) or alternating of temperature (contrast water therapy); and finally the effects of elastic compression worn during and after a trail running race on the participants' recovery. Our results show that interval exercise decreases more regional arterial stiffness [central and peripheral) than constant exercise. This more pronounced decrease is associated with a higher concentration of vasodilator factors (NO, ANP, lactates, etc.). We also show that a prolonged exercise (2-3h) induce transient cardiac dysfunctions. Specifically, parameters of systolic function evaluated using 2D-speckle tracking echocardiography not only at rest, but also during incremental tests to adjust heart rate demonstrate that the 3h-period of prolonged and strenuous exercise induces left ventricular systolic dysfunction. Our results also demonstrate that depressed diastolic function is associated with delayed untwisting velocity. The studies focusing on post-exercise recovery interventions indicate that compared with passive recovery, contrast water therapy and compression stockings improve the subsequent 5-min maximal performance in cycling when this one is repeated during a brief elapsed time (i.e. 15 min). Moreover, contrast water therapy is more efficient than compression stockings to improve the subsequent performance. Theses recovery interventions accelerate the removal of lactates, and contrast water therapy more than compression stockings. The elastic compression increases muscle blood flow but also tissue oxygen saturation, before and after a physical exercise. Contrast water therapy also increases muscle blood flow after an exercise compared with a passive recovery, and more than elastic compression. (...); (Cf. corpus p. 25-26) Ce travail de thèse s'est articulé autour de deux problématiques : les réponses cardiovasculaires consécutives à l/ différents protocoles d'exercice et 2/ différents protocoles de récupération. Concernant la première, 3 protocoles de recherches ont été menés. L'un avait pour objectif de déterminer les effets aigus d'exercices de même durée proposant une quantité de travail totale équivalente distribuée de façon constante (CC) ou intermittente (IT), sur la rigidité artérielle multi-segmentaire et ses déterminants. Les deux autres se proposaient d'explorer les dysfonctions cardiaques induites par des exercices de durées plus longues (2 à 4 heures) et leurs mécanismes sous-jacents. La seconde problématique de ce travail de doctorat a conduit à la réalisation de 5 protocoles de recherche. L'immersion contrastée (alternance d'immersions d'une à deux minutes jusqu'à l'aine à ~ 12°C et à ~ 36°C), l'immersion en eau froide (~ 12°C) et la compression élastique ont été tout particulièrement étudiées. Les points suivants ont été abordés : la comparaison des effets de la compression élastique et de l'immersion contrastée sur la performance subséquente ; la connaissance des facteurs concourant aux bénéfices de ces dernières entre des efforts intenses et brefs (c.-à-d. étude du débit sanguin musculaire, de la saturation tissulaire en oxygène, de la clairance des métabolites, etc.) ; l'étude des effets de la pression hydrostatique seule (immersion à neutralité thermique ), et ceux de celle-ci associée au froid (immersion en eau froide ) ou à l'alternance de température (immersion contrastée) sur le débit sanguin musculaire; et enfin l'étude des effets sur certains paramètres de la récupération du port d'une compression élastique au cours et au décours d'un trail. Dans ce contexte, les résultats de nos études mettent en évidence qu'un exercice de type IT diminue davantage la rigidité artérielle multi-segmentaire qu'un exercice de type CC. Cette diminution plus prononcée est associée à un relargage plus important de substances vasodilatatrices (NO,ANP, lactates, etc.). Nous avons également montré qu'un exercice prolongé de durée modérée engendre des dysfonctions cardiaques transitoires. Plus particulièrement, certains indices de contractilité évalués par une technique échocardiographique de dernière génération (c.-à-d. le « Speckle Tracking Echocardiography ») nous ont permis de mettre en évidence que la baisse de la fonction systolique du ventricule gauche (VG) était associée à une atteinte contractile du myocarde dans des conditions standardisées de fréquence et de charge cardiaques. Nos résultats soulignent également le rôle clé de la torsion ventriculaire dans la diminution du remplissage du VG et par conséquent de la fonction diastolique à l'arrêt de l'effort. Les études expérimentales s'intéressant aux techniques de récupération post-exercice indiquent que l'immersion contrastée et la compression élastique par rapport à une récupération passive, lorsqu'elles sont appliquées immédiatement après un premier exercice fatiguant, améliorent la performance subséquente (exercice de pédalage de 5 min) lorsque celle-ci est répétée dans un laps de temps court (15 min). De plus, l'immersion contrastée est plus efficace que la compression élastique pour améliorer la performance subséquente. Ces techniques de récupération accélèrent la clairance du lactate, cette dernière étant accélérée davantage après l'immersion contractée. La compression élastique augmente le débit sanguin musculaire mais également la saturation tissulaire en oxygène, que ce soit avant et après l'effort. Par rapport à une récupération passive, l'immersion contrastée augmente également le débit sanguin musculaire après l'effort, et davantage que la compression élastique. (...)

Compression therapy is a highly effective modality for treating venous disorders of the lower leg and is considered as the “gold standard” for non-operative therapy. However the mechanisms by which Medical Compression Stockings (MCS) benefit the control and treatment of venous insufficiency are neither clearly understood nor have they been conclusively demonstrated. In the present study, the biomechanical response of the lower leg veins to elastic compression is modelled in order to address some of the issues relating to the mechanisms by which it achieves its medical function. First, a new methodology has been developed in order to predict the pressure transmitted to the superficial vein wall during external compression and to quantify the resulting variations of transmural pressure and of the vein cross sectional area. A parametric study was performed to study the influence of the model parameters on the response of the vein. The developed model was also used to simulate different scenarii related to the use of elastic compression after sclerotherapy. In a second step, a numerical approach was developed to model the biomechanical response of deep veins to elastic compression. A parametric study was performed to evaluate the relative influence of the muscular aponeurosis, muscular contraction and external compression applied by MCS. The obtained results bring a new insight on MCS mechanical action and its possible benefits. They also open up new perspectives, especially, regarding the development of new tools to assist MCS manufacturers in adapting the level of compression to the location of the deep vein, the morphology of the patient and the severity of the disease.; La compression élastique est la thérapeutique conservatrice la plus efficace pour la prise en charge de l'insuffisance veineuse et pour le traitement de la maladie veineuse chronique et de ses complications. Malheureusement, en pratique, les objectifs thérapeutiques ne sont pas toujours atteints ce qui souligne le manque de connaissance actuel concernant les mécanismes qui permettent aux Bas Médicaux de Compression (BMC) d'apporter les bienfaits thérapeutiques. Pour apporter des éléments de réponse, une étude numérique de l’action des BMC sur les veines a été réalisée. Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie a été développée pour prévoir les pressions transmises aux parois des veines superficielles et pour quantifier la diminution de la pression transmurale et du calibre que la compression engendre. Une étude de sensibilité réalisée à partir du modèle Eléments Finis développé a permis de mettre en évidence les principaux paramètres qui conditionnent l’action des BMC. Il a ensuite été utilisé pour simuler différents scénarios d’application en lien avec la compression en post-sclérothérapie pour répondre à des problématiques industrielles. Dans une deuxième phase de l’étude, une méthode de modélisation numérique de la réponse des veines profondes à la contraction musculaire lors du port d’un BMC a été développée. Une étude de sensibilité a permis d’apporter des éléments de réponse quant à l’influence relative des aponévroses musculaires, de la contraction musculaire et du port d’un BMC. Ces travaux ouvrent des perspectives d’études nouvelles sur le développement d’outils pour permettre aux fabricants de BMC d’adapter le niveau de compression à chaque patient.

Compression therapy is a highly effective modality for treating venous disorders of the lower leg and is considered as the “gold standard” for non-operative therapy. However the mechanisms by which Medical Compression Stockings (MCS) benefit the control and treatment of venous insufficiency are neither clearly understood nor have they been conclusively demonstrated. In the present study, the biomechanical response of the lower leg veins to elastic compression is modelled in order to address some of the issues relating to the mechanisms by which it achieves its medical function. First, a new methodology has been developed in order to predict the pressure transmitted to the superficial vein wall during external compression and to quantify the resulting variations of transmural pressure and of the vein cross sectional area. A parametric study was performed to study the influence of the model parameters on the response of the vein. The developed model was also used to simulate different scenarii related to the use of elastic compression after sclerotherapy. In a second step, a numerical approach was developed to model the biomechanical response of deep veins to elastic compression. A parametric study was performed to evaluate the relative influence of the muscular aponeurosis, muscular contraction and external compression applied by MCS. The obtained results bring a new insight on MCS mechanical action and its possible benefits. They also open up new perspectives, especially, regarding the development of new tools to assist MCS manufacturers in adapting the level of compression to the location of the deep vein, the morphology of the patient and the severity of the disease.; La compression élastique est la thérapeutique conservatrice la plus efficace pour la prise en charge de l'insuffisance veineuse et pour le traitement de la maladie veineuse chronique et de ses complications. Malheureusement, en pratique, les objectifs thérapeutiques ne sont pas toujours atteints ce qui souligne le manque de connaissance actuel concernant les mécanismes qui permettent aux Bas Médicaux de Compression (BMC) d'apporter les bienfaits thérapeutiques. Pour apporter des éléments de réponse, une étude numérique de l’action des BMC sur les veines a été réalisée. Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie a été développée pour prévoir les pressions transmises aux parois des veines superficielles et pour quantifier la diminution de la pression transmurale et du calibre que la compression engendre. Une étude de sensibilité réalisée à partir du modèle Eléments Finis développé a permis de mettre en évidence les principaux paramètres qui conditionnent l’action des BMC. Il a ensuite été utilisé pour simuler différents scénarios d’application en lien avec la compression en post-sclérothérapie pour répondre à des problématiques industrielles. Dans une deuxième phase de l’étude, une méthode de modélisation numérique de la réponse des veines profondes à la contraction musculaire lors du port d’un BMC a été développée. Une étude de sensibilité a permis d’apporter des éléments de réponse quant à l’influence relative des aponévroses musculaires, de la contraction musculaire et du port d’un BMC. Ces travaux ouvrent des perspectives d’études nouvelles sur le développement d’outils pour permettre aux fabricants de BMC d’adapter le niveau de compression à chaque patient.

International audience; Elastic compression (EC) is a medical treatment which relies on the use of socks to improve the venous return and, thereby, control or treat various vein-related diseases such as ulcers. The beneficial effects of EC have been known for centuries, but their mechanism of action is not totally understood. In order to validate and improve current treatments, it is necessary to determine how the pressure is transmitted from the sock to the vein walls. To address this issue, a patient-specific 3D FE model of the leg under EC was created for a group of six subjects. CT-scans of each patient we re segmented into three regions, namely the superficial soft tissues (mostly adipose and skin), the deep soft tissues (mostly muscles) and the bones, to create the geometry of each model. The local pressure applied by the sock on the skin was estimated using Laplace's law. The hard tissues, considered here as not deformable, were fixed in the model. Soft tissues, namely the adipose tissue and muscle, were defined as isotropic and hyper-elastic (Neo- Hookean strain energy function). The mechanical properties were identified in 3D by an inverse method to fit the FE models on the CT-scans of the legs under EC. The main result is that the mean pressure applied by the EC onto the skin is similar to the pressure applied by the compressed tissues onto the wall of the three main deep veins. This suggests that the mean pressure applied can be used as an indicator of the efficiency of the EC. In a similar way, the maximal hydrostatic pressure can be used to estimate the comfort. Indeed, the results showed that this pressure is inversely proportional to the adipose tissues thickness.

Elastic compression (EC) is a medical treatment prescribed in case of venous insufficiency. Recently, EC is also employed for recovery after efforts in sports. Nevertheless, despite the more and more common use of EC, its biomechanical action onto the lower limb remain partially unknown . To address this issue, a 3D biomechanical model of the soft tissues of the leg under EC has been developed and applied on a group of subjects. Each model is patient-specific: the geometry is reconstructed from the 3D CT-scan images of each subject’s legs and the boundary conditions are prescribed according to the local pressure applied by the EC onto the skin. Furthermore, the hyper-elastic properties of the soft tissues are identified for each subject using an inverse approach. The inverse approach is original: it consists in using the 3D CT-scan images of the deformed leg as experimental data for calibrating the model. The resulting model provides the pressure fields in the internal soft tissues induced by the EC. The main conclusions are that the pressure is not transmitted evenly and that significant inter-subject variability exists. Moreover, it is shown that the magnitude of the pressure undergone by the soft tissues is inversely proportional to the thickness of adipose tissues. The main perspectives of this work are to validate the conclusions on a significant number of subjects and to continue improving the treatments of venous insufficiency by EC., La compression élastique (CE) est un traitement médical qui est prescrit en cas d'insuffisance veineuse. Récemment, la CE rencontre aussi un certain succès auprès des sportifs pour la récupération. Cependant, malgré l’utilisation de plus en plus massive de la CE, son action biomécanique sur le membre inférieur n'est pas encore bien caractérisée. Pour contribuer à cette caractérisation, un modèle biomécanique 3D des tissus mous de la jambe sous CE a été développé et appliqué à un panel de sujets. Chaque modèle est personnalisé : la géométrie est reconstruite à partir des images tomographiques 3D de la jambe de chaque sujet et les conditions aux limites reproduisent fidèlement la pression localement appliquée par la CE sur la peau. De plus, les propriétés hyper-élastiques des tissus mous sont identifiées pour chaque sujet par recalage du modèle. Une méthode de recalage originale a été spécifiquement développée et mise en œuvre pour cette application : elle consiste à utiliser les images tomographiques 3D de la jambe déformée comme données expérimentales pour le recalage. Finalement, le modèle donne accès au champ de pression transmis par la CE aux tissus mous internes. Les principales conclusions sont que le champ de pression à l'intérieur de la jambe n'est pas transmis uniformément et qu'il y a de fortes variabilités inter-sujets. En outre, le modèle permet d'obtenir des indications sur le confort et l'efficacité de la CE. Il a ainsi été possible de montrer que l'intensité des pressions maximales subies par les tissus mous de la jambe est inversement proportionnelle à l’épaisseur du tissu adipeux. Les principales perspectives du travail concernent la validation clinique de ces conclusions sur un nombre significatif de sujets, puis leur exploitation en vue d’améliorer les traitements.

Elastic compression is the process of applying external compression forces onto the human leg with stockings or socks, for enhancing the venous flow. Sales of stockings have increased drastically for the past decade. Particularly, compression socks have been released by the BVSport Company for improving muscular recovering after efforts. These socks are based on the principle of progressive compression, which means that the largest pressures are applied onto the calf muscle and not at the ankle. The efficiency of this principle is about to be validated also for treating venous pathologies, which is very promising. The recent developments tend towards patient specific medical prescriptions: socks have to be adapted to the various level of venous insufficiency and to the patient internal morphology. However, no study has already been achieved for determining what the effective pressure applied onto a given patient by socks is, neither in the muscular tissues, nor in the deep venous system. The main contribution of this work lies in implementing a methodology addressing this issue. For that, the patient specific mechanical properties of the tissues in the leg have to be identified, in an atraumatical and non-invasive way. In vivo characterization of soft biological tissues is scarce in the literature (focused mainly on skin) because no atraumatic method has ever been validated for measuring the deformation of soft tissues. In this work, progressive compression socks are employed for loading the tissues in compression. MRI scans of the leg are acquired under several levels of compression. A FE model of the leg under compression has been developed in 2D, with the assumption of plane strains. The boundary conditions are applied as a non uniform pressure, depending on local curvature radii according to the Laplace's law. The applied pressure also depends on the tension of the socks, which is determined by specific tensile tests. The deformation of the leg which is derived from the 2D FE model is used for warping the images provided by the MRI scanner. The mechanical properties of the tissues are identified by optimizing the deviation between the original image of the compressed leg and the warped image, which depends on the mechanical properties input in the model. Finally, when the mechanical properties of the biological tissues are identified, the 2D numerical model is used for computing the pressure applied by the socks inside the leg. This computation can be considered as patient specific because the model has been calibrated against the images of the given patient. The pressure is eventually compared to the pressure prescribed by physicians. It has been shown that the action of socks strongly depends on the leg morphology (muscle properties, thickness of subcutaneous fat). The methodology developed in this study is now to be applied to a significant number of patients, through a clinical study, in order to analyze the effect of the patient morphology onto the efficiency of elastic compression., La contention, c'est-a-dire une action mécanique appliquée sur un membre humain dans le but d'aider le sang à refluer vers le coeur, est de plus en plus répandue et pénètre le marché du grand public. Notamment, la contention progressive telle que proposée par BVSport® pour les membres inférieurs est actuellement utilisée lors d'efforts musculaires prolongés ou lors de la récupération musculaire après l'effort. Des essais cliniques ont aussi montré son efficacité dans le cas d'insuffisances veineuses légères à modérées. Les développements récents vont maintenant vers une personnalisation de la prescription et une adaptation de la contention aux différents degrés d'insuffisance veineuse. Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques.Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques. Pour cela, il est d'abord nécessaire d'identifier de manière atraumatique et non-invasive les propriétés mécaniques in vivo des tissus biologiques de la jambe. Les caractérisations in vivo des tissus mous biologiques sont rares dans la littérature (elles concernent principalement la peau), car aucune méthode de mesure atraumatique de la déformation des tissus internes n'a été validée jusqu'à présent. Dans ce travail, la contention progressive est utilisée comme chargement mécanique. Des images IRM de la jambe sont prises sous différents niveaux de contention et un modèle EF 2D du mollet sous contention a été développé en déformations planes. Le modèle est soumis a une pression qui tient compte du rayon de courbure de la jambe (lot de Laplace) et cette pression est déduite de la réponse du tricot aux essais de traction spécifiques mis en place. L'identification des paramètres mécaniques du modèle est réalisée en optimisant la mesure de similarité entre les images de la jambe comprimée et les images déformées par le modèle. Finalement, une fois l'identification réalisée, le modèle numérique 2D permet alors un calcul biofidèle et personnalisé des pressions internes au mollet engendrées par le port d'un tricot de contention donné. Cela permet d'une part de déterminer la répartition spatiale des pressions à l'intérieur du mollet et d'autre part de comparer les pressions appliquées sur le mollet à celles prescrites. On montre ainsi que l'effet de la contention progressive dépend de manière non négligeable de la morphologie des tissus sous-jacents (muscles et graisse sous-cutanée). La méthodologie développée dans ce travail doit maintenant être appliquée sur un nombre de patients significatif pour pouvoir dégager les principales tendances de distributions des pressions internes en fonction des différents morphotypes.