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Thèse Année : 2017

Multiscale lung ventilation modeling in health and disease

Modélisation multi-échelle du poumon dans des cas sains et pathologiques

Nicolas Pozin
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1020512

Résumé

The lung is an organ of the respiratory system. It supplies the organism with oxygen, which is necessary to the metabolism, and ensures carbon dioxide release. Humans have two lungs. The latter contain a tree, referred to as tracheo-bronchial, through which the air flows. It supplies a porous region, the parenchyma, where gas exchanges with the blood take place. Some pathologies affect the tree structure or the parenchyma integrity. They can induce ventilation defects or increased respiratory efforts. In vivo-studies are complex and mathematical modeling can provide some insights on the lung behavior, the pathologies’ impacts or the efficiency of treatments. I n the first part of this thesis, we propose a ventilation model of the lung based on a mechanical description. A 0D model of the tracheo-bronchial tree is strongly coupled to a continuous 3D model of the parenchyma. An efficient implementation is proposed. We numerically show the influence of chosen boundary conditions as well as tree or parenchyma alterations on the ventilation distribution. Results are compared with those provided by a model, often used in the literature, in which the parenchyma is described as a set of mechanically independent compartments. Significant differences are obtained, in particular in pathological cases. In a second part, we use the 0D tree - 3D parenchyma coupled model to investigate how breathing gas mixtures less dense than air would reduce efforts and ensure a better ventilation. To that end, we build an asthmatic tree model based on a literature review. We propose lines of thoughts on why, as observed in clinical trials, helium-oxygen mixtures have varying efficiency. The broncho-constriction distribution, i.e. the position and severity of constrictions, is a major explaining factor. In the next part, we develop an approach to get insights on severe constrictions distribution based on the analysis of dynamic lung ventilation images. To do so, the 0D tree - 3D parenchyma coupled model is used along with a machine learning technique. Finally, two prospective works are presented. First, we propose extensions to the ventilation models introduced in the first part as a step towards spirometry modeling, a standard test to assess respiratory pathologies. The last study is part of a global perspective that aims at getting insights on the lung geometry based on simple measurements on the patient’s body. The final objective is to determine, in a simple way, with little effort, input data for the ventilation models.
Le poumon est un organe de l’appareil respiratoire. Il a pour fonction d’assurer l’approvisionnement de l’organisme en oxygène, nécessaire au métabolisme, et l’évacuation du dioxyde de carbone. L’homme possède deux poumons. Ils sont constitués d’un arbre dit trachéo- bronchique par lequel circule l’air et qui alimente le parenchyme où ont lieu les échanges gazeux avec le sang. Certaines pathologies affectent la structure de l’arbre ou l’intégrité du parenchyme induisant notamment des défauts dans l’approvisionnement en air ou des efforts respiratoires accrus. Etudier l’organe in-vivo est complexe. Dans ce cadre, la modélisation mathématique peut apporter un éclairage utile sur le fonctionnement du poumon, les effets associés aux pathologies qui le touchent, et la pertinence des traitements proposés. Dans la première partie de cette thèse, nous proposons un modèle mécanique de ventilation pulmonaire. Un arbre 0D des bronches est couplé de manière forte à un modèle continu de parenchyme 3D. Une implémentation efficace est mise en œuvre. On met numériquement en évidence l’impact sur la distribution de ventilation des conditions aux limites appliquées et d’altérations de l’arbre ou du parenchyme. Le comportement de ce modèle est comparé à celui d’un modèle plus simple, couramment utilisé dans la littérature, dans lequel le parenchyme est décrit comme un ensemble de compartiments mécaniquement indépendants. Des différences significatives sont obtenues dans des cas pathologiques. Dans une deuxième partie, on utilise le modèle couplé arbre 0D - parenchyme3D pour étudier dans quelle mesure respirer un gaz moins dense que l’air permet de diminuer les efforts et de réduire les défauts de ventilation observés chez des patients asthmatiques. A cette fin, on propose un modèle d’arbre asthmatique construit à partir d’une revue bibliographique. On conclut sur des pistes d’explication à l’efficacité variable observée pour les traitements à base de mixtures peu denses d’hélium et d’oxygène. La distribution des constrictions dans l’arbre respiratoire, i.e. leur position et sévérité, est un facteur primordial. Dans la partie suivante, on propose une approche permettant de déterminer la distribution des constrictions bronchiques les plus sévères à partir de données d’imagerie dynamique de ventilation. Notre démarche s’appuie sur l’utilisation du modèle couplé arbre 0D - parenchyme 3D présenté dans la première partie, enrichie par une technique d’apprentissage statistique. On présente finalement deux études prospectives. La première étend les modèles de ventilation introduits précédemment avec pour objectif final de modéliser la spirométrie; un test usuel de diagnostique de pathologies respiratoires. La deuxième s’inscrit dans une perspective visant à déterminer la géométrie du poumon à partir de mesures simples prises sur le corps du patient. L’objectif final étant de déterminer par des moyens simples et non coûteux les données d’entrées des modèles de ventilation.
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  • HAL Id : tel-01684990 , version 1

Citer

Nicolas Pozin. Multiscale lung ventilation modeling in health and disease. Modeling and Simulation. Paris 6, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01684990v1⟩
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