The cardiovascular system in microgravity: Wearable monitoring, countermeasures, and numerical models

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 occu
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 d
Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie
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