Soutenance mémoire
Les fonctions de la vessie
La vessie réalise deux fonctions distinctes, le stockage et l’évacuation de l’urine. Ce sont ces deux fonctions qui vont dicter les principales caractéristiques de l’organe.Le stockage l’urine explique la forme de réservoir de la vessie, les propriétés élastiques de sa paroi, ainsi que l’existence des sphincters fermant l’urètre pour empêcher qu’elle ne se vide. Elle peut se dilater pour accueillir 400ml à 700ml de liquide – chez l’adulte – à une pression basse. Ceci évite les risques de retours vers les reins ou de fuites au travers des sphincters. La paroi de la vessie comporte des mécano-récepteurs qui informent le système nerveux central (S.N.C.) sur l’état du remplissage, déclenchant l’envie d’uriner le cas échéant.L’évacuation de l’urine impose quant à elle les propriétés contractiles de la vessie, ainsi qu’une action synergique avec les sphincters. En effet, c’est la contraction de la paroi de la vessie qui entraîne l’augmentation de la pression permettant la miction– l’action d’uriner. Pour que celle-ci ait lieu, il faut en plus que les sphincters se relaxent pour permettre le passage de l’urine. Ces deux fonctions sont principalement gérées par des boucles réflexes. Les seules actions volontaires possibles sont de retarder la miction – se retenir – en maintenant clos un des deux sphincters, ou au contraire d’aider celle-ci en contractant les muscles abdominaux ce qui a pour conséquence d’augmenter la pression intra-vésicale.
Les muscles
Chez l’Homme, il existe trois types de muscles : les muscles striés — rapides et fatigables — utilisés principalement pour la motricité et le maintien de la posture, on parle aussi de muscles squelettiques ; les muscles lisses principalement localisés dans les parois d’organes creux (vaisseaux sanguins, voies respiratoires, systèmes digestif et urinaire) plus lents et insensibles à la fatigue ; et le muscle strié cardiaque qui forme les parois du cœur. Les muscles striés squelettiques sont contrôlés volontairement via le système nerveux somatique. Les muscles lisses et le muscle cardiaque sont eux gérés de façon inconsciente par le système nerveux autonome. On peut distinguer trois muscles composant le système vessie plus sphincters en fonction de leur type et de leur rôle : Le détrusor forme la paroi de la vessie. C’est un muscle lisse ; c’est-à-dire que l’on n’y observe pas les stries caractéristiques des muscles squelettiques. La structure et la chimie particulière des muscles lisses donnent au détrusor ses spécificités, notamment son insensibilité à la fatigue et sa dynamique beaucoup plus lente qu’un muscle strié [AA04]. Il est composé de cellules fusiformes de quelques dizaines de micromètres de long, disposées en trois couches superposées. Dans chacune des couches l’orientation des cellules est orthogonale à celle de la couche précédente (figure 1.2) [JGD89]. La fonction du détrusor est de contracter la vessie pour la miction. Seules ses caractéristiques passives interviennent dans le stockage. Il contient des mécano-récepteurs informant le S.N.C. sur l’état de la vessie. Le sphincter lisse est, comme son nom l’indique, lui aussi un muscle lisse. Les sphincters sont des muscles en anneau entourant un conduit. Le sphincter lisse est situé au niveau du col de la vessie, à l’ouverture de l’urètre. Son rôle est de garantir la continence en maintenant clos l’urètre, afin d’éviter les fuites d’urine. Il se relâche lors de la contraction du détrusor pour permettre la miction. Le sphincter strié est le seul muscle strié du système urinaire et un des rares en dehors des muscles squelettiques. Sa fonction est aussi de maintenir l’urètre clos mais uniquement pour retarder volontairement la miction. Il est situé plus loin sur l’urètre que son homologue lisse. Cependant, étant un muscle strié il est sensible à la fatigue.De plus, il semble difficile d’identifier une séparation anatomique nette entre les deux sphincters.
Troubles urinaires neurologiques
Dans le cas d’une lésion complète de la moelle épinière, les neurones sous-lésionnels restent fonctionnels ; les différents réflexes contrôlant la vessie sont généralement toujours présents. Cependant ils ne sont plus régulés par le cerveau. Il n’y a plus d’action volontaire possible – se retenir – ni d’information sensitive remontant au cerveau – l’envie d’uriner. Il faut donc pallier ces pertes, par exemple en effectuant la vidange de la vessie à intervalles réguliers et en apprenant au patient à reconnaitre des signes secondaires indiquant son remplissage. Le manque de régulation des réflexes peut entraîner plusieurs troubles distincts, combinés ou non selon les individus. Nous ne nous intéresserons ici qu’aux principaux troubles induits par une déficience du S.N.C. laissant le système urinaire intact. Il existe de nombreuses autres pathologies du système urinaire. Elles sortent cependant du cadre des travaux exposés ici et ne seront donc pas abordées. La suractivité de la vessie, ou plus précisément du réflexe mictionnel (Neurogenic Detrusor Overactivity), provoque le déclenchement de celle-ci de façon trop fréquente et pour des volumes d’urine faibles. Elle peut causer des fuites et limiter la capacité de la vessie, obligeant à augmenter la fréquence de la miction. Cela entraîne une perte d’autonomie et de confort de vie. La dysynergie entre le sphincter lisse et le détrusor : le sphincter ne se relâche plus lors de la contraction du détrusor ce qui contrarie la miction. La pression peut alors augmenter au-delà de la normale et peut entraîner un reflux d’urine vers les reins. En cas d’infection urinaire ce reflux peut propager l’infection aux reins et rapidement mettre en danger la vie du patient.
Traitements existants
Les travaux présentés ici se concentrent sur les moyens de pallier les troubles du système urinaire d’origine neurologique. Le sondage est la solution généralement adoptée pour obtenir la vidange de la vessie. On introduit une sonde par l’urètre jusque dans la vessie pour permettre l’écoulement de l’urine. L’auto-sondage est préféré pour des raisons d’autonomie et pour limiter les risques de contamination extérieure. Cependant le sondage peut être douloureux pour les patients ayant des sensations urétrales. Des passages en force répétés du sphincter clos peuvent entraîner des blessures rendant le sondage difficile et augmenter les risques d’infection. De plus, c’est une pratique contraignante et particulièrement complexe pour les femmes, une dérivation urinaire continente est souvent préférée. La médication : Pour la suractivité, les traitements sont souvent pharmacologiques, basés sur des molécules inhibant la contraction du détrusor. Il s’agit le plus souvent d’agents anti-muscariniques. La muscarine est un neurotransmetteur intermédiaire dans la contraction du détrusor. Une autre possibilité est l’injection de toxine botulique dans le détrusor qui paralyse celui-ci pour une durée prolongée. La muscarine joue aussi un rôle dans la production de salive et la fonction intestinale. Les agents l’inhibants influent donc aussi sur ces fonctions. Ces effets secondaires entraînent souvent l’arrêt des traitements. Les injections de toxine botulique doivent être renouvelées régulièrement pour être efficaces et éliminent toute contraction du détrusor, normale ou due à la suractivité. La chirurgie : Elle apporte d’autres solutions contre la suractivité [Rij04] :
– la radicotomie des racines sacrées dorsales. En sectionnant les racines dorsales aux niveau des vertèbres S3/S4, on interrompt les réflexes gérés à ce niveau en supprimant leur entrée.
– la myectomie du détrusor, qui consiste en l’ablation d’une partie du détrusor créant une zone acontractile sur la vessie. Cela limite l’effort pouvant être généré et donc la pression.
– l’augmentation de la capacité de la vessie par cystoplastie. Cette opération cible généralement la zone d’implantation des uretères ou du col vésical. En augmentant la capacité on espace les mictions et retarde les risques de surpression. Cependant toutes ces techniques sont irréversibles et constituent des procédures assez lourdes. De plus la radicotomie entraine généralement la perte des autres réflexes gérés au niveau sacré : érection, défécation, éjaculation. . . La Stimulation ÉlectroFonctionnelle (SÉF) : Le principe de la SÉF est d’appliquer un courant électrique de faible intensité au niveau des nerfs ou des muscles pour rétablir une fonction déficiente. Dans le cas de la stimulation nerveuse, une électrode est placée au contact du nerf. En traversant le nerf le courant électrique délivré par l’électrode entraine la génération de potentiels d’action sur les fibres nerveuses. Ces potentiels se propagent ensuite normalement amenant contractions musculaires ou sensations selon les fibres stimulées. Un autre principe de stimulation est la neuromodulation. Il s’agit ici de stimuler les voies afférentes pour agir sur les circuit neuronaux réflexes en interférant avec les afférences naturelles. Les neuroprothèses de SÉF peuvent apporter une solution complémentaire pour la miction ou la gestion de la suractivité de la vessie. La neuroprothèse vise à remplacer l’activation nerveuse défaillante, soit pour contracter le détrusor et permettre la miction ; soit pour inhiber les contractions réflexes de celui-ci et assurer la continence à basse pression. Cependant les neuroprothèses actuelles nécessitent souvent une radicotomie pour être pleinement efficaces, perdant alors un de leurs principaux avantages. De plus le gain fonctionnel pour le patient est variable suivant sa condition et le système utilisé
Neuromodulation et miction
Une évolution logique de ces systèmes serait de les regrouper pour traiter la suractivité de la vessie et induire la miction avec un seul et même implant, car dans de nombreux cas les deux problèmes coexistent. Un système combiné permettrait d’éviter la radicotomie en la remplaçant par la neuromodulation. Les travaux de Kirkham et al. [KKC+02] ont montré la possibilité de réaliser une neuromodulation efficace à la place de la radicotomie chez des patients utilisant un implant Finetech-Brindley. Appliquée de façon continue ou conditionnelle, elle permet de limiter la suractivité du détrusor tout en préservant les autres réflexes. Pour la miction le fonctionnement standard de l’implant a été utilisé. Il permet d’obtenir la pression intravésicale nécessaire à la miction. Cependant, chez certains patients la dyssynergie entre le détrusor et le sphincter externe ne permet pas la vidange complète de la vessie. Il faut donc aussi traiter cet aspect pour obtenir une miction artificielle de qualité.
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Table des matières
Remerciements
Liste des abbréviations
Introduction générale
1 Introduction
1.1 Un système biologique : le système urinaire
1.1.1 Les fonctions de la vessie
1.1.2 Anatomie de la vessie
1.2 Pathologies du contrôle de la vessie
1.2.1 Troubles urinaires neurologiques
1.2.2 Traitements existants
1.3 État de l’art des neuroprothèses dédiées à la vessie
1.3.1 Systèmes commercialisés
1.3.2 Évolutions
1.3.3 Systèmes en développement
1.4 Problématique
Références bibliographiques
2 Modélisation des muscles
2.1 Introduction
2.1.1 Les muscles squelettiques
2.1.2 Les muscles lisses
2.2 État de l’art des modèles de muscles lisses
2.2.1 Modèles de la dynamique du calcium
2.2.2 Modèles d’attachement/détachement
2.2.3 Modèles globaux du SUI
2.3 Contribution à la modélisation
2.3.1 Échelle microscopique
2.3.2 Intégration à l’échelle de la cellule
2.3.3 Echelle macroscopique
2.3.4 Système complet : vessie plus sphincters
2.4 Conclusion
3 Validation du modèle de vessie
3.1 Étude numérique
3.1.1 Mise en équations
3.1.2 Simulations de la vessie stimulée par un implant Finetech/Brindley
3.1.3 Étude de la sensibilité du modèle aux paramètres
3.1.4 Influence du rapport cyclique de la commande
3.2 Identification des paramètres du modèle
3.2.1 Principe des expérimentations
3.2.2 Protocole Expérimental
3.2.3 Traitement des données
3.2.4 Algorithme d’identification
3.2.5 Résultats
3.3 Conclusion
4 Modélisation du recrutement
4.1 Introduction
4.1.1 Le recrutement naturel des fibres nerveuses
4.1.2 Propagation des potentiels d’action
4.1.3 Le recrutement par stimulation neurale classique
4.2 Etat de l’art des méthodes de stimulation sélective
4.2.1 Sélectivité spatiale
4.2.2 Sélectivité de type
4.3 Modélisation
4.3.1 But de l’étude
4.3.2 OpenMEEG : Modélisation du contact électrode/nerf
4.3.3 Neuron : Modélisation des axones
4.3.4 Suite logicielle et implémentations
4.4 Simulation et Validation
4.4.1 Simulation
4.4.2 Proposition de protocole expérimental et résultats préliminaires
5 Conclusions
5.1 Synthèse des contributions
5.2 Perspectives
Bibiographie de l’auteur
Références bibliographiques
Annexes
A Tables des paramètres
B Guide de démarrage rapide de gom2n
C Résultats expérimentaux
Résumé
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