Dissertations / Theses on the topic 'Appareil respiratoire – Modèles mathématiques'

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution de problèmes inverses provenant d'une modélisation multi-échelle de l'écoulement de l'air dans les poumons. Dans un premier temps, nous considérons une version simplifiée du modèle de l'écoulement de l'air dans les poumons : l'écoulement est modélisé par les équations de Stokes incompressibles avec des conditions aux limites de type Robin sur une partie du bord. Nous cherchons à identifier le coefficient de Robin défini sur une partie non accessible du bord à partir de mesures de la vitesse et de la pression disponibles sur une autre partie du bord. Après avoir quantifié des résultats de continuation unique pour le système de Stokes, nous établissons deux inégalités de stabilité logarithmiques, l'une valable en dimension 2 et l'autre valable en toute dimension. Toutes deux sont basées sur des inégalités de Carleman, globale dans le premier cas et locales dans le second. Les inégalités de stabilité sont d'abord montrées sur le problème stationnaire puis la théorie des semi-groupes permet de passer au problème non stationnaire. De plus, sous l'hypothèse a priori que le coefficient de Robin est constant par morceaux, nous prouvons une inégalité de stabilité Lipschitzienne pour le problème stationnaire. Nous concluons cette thèse en revenant au problème initial pour lequel nous imposons des conditions au bord non-standard faisant intervenir le flux. En particulier, nous obtenons des premiers résultats numériques encourageants concernant l'identification de certains paramètres du modèle
In this work, we are interested in the resolution of some inverse problems arising from a multi-scale modeling of the airflow in the lungs. As a first step, we focus on a simplified model of the airflow in the lungs: we consider the incompressible Stokes equations with Robin boundary conditions on a part of the boundary. We want to identify the Robin coefficient defined on this non accessible part of the boundary from measurements of the velocity and the pressure available on another part of the boundary. We first prove quantification results for the unique continuation property for the Stokes system, then we establish two logarithmic stability inequalities, one valid in dimension 2 and the other one valid in any dimension. Both are based on Carleman estimates, global in the first case and local in the second one. Our stability estimates are first established for the stationary problem and the semigroup theory allows to deduce from the stationary case stability estimates for the non-stationary problem. Moreover, under the a priori assumption that the Robin coefficient is piecewise constant, we provide a Lipschitz stability estimate for the stationary problem. We conclude by coming back to the initial model which involves non-standard boundary conditions with the flux. In particular, we obtain encouraging first numerical results concerning the identification of some parameters of the model

Cette thèse est consacrée à l’étude de quatre problèmes issus de la biologie. Le premier concerne la modélisation d’une population de métastases. Le modèle abouti a une équation de McKendrick-Von Foerster : une équation de conservation munie d’un terme au bord non–local. Nous montrons l’existence d’une unique solution et étudions son comportement asymptotique à l’aide de la notion d’entropie relative généralisée. L’étude numérique utilise le schéma WENO. Le deuxième concerne la modélisation de la respiration. Nous étudions la simulation des flux d’air dans l’appareil respiratoire à l’aide d’un modèle multi–échelle. Le système obtenu possède des conditions aux bords dissipatives non–usuelles. La méthode numérique employée est une méthode de décomposition qui permet de réduire le problème à la résolution de problèmes de Stokes avec conditions aux bords de type Dirichlet–Neumann classiques. Puis nous proposons un modèle pour les échanges gazeux montrant l’hétérogénéité de l’absorption de l’oxygène le long de l’arbre bronchique. La troisième partie concerne la cascade MAPK dans des ovocytes de Xénopes. La modélisation amène à une équation de type KPP. Après une étude mathématique montrant l’existence d’un front d’onde, nous réalisons une étude numérique fine du système. Enfin, nous étudions le système de Patlak–Keller–Segel 1D après explosion. Après une étude mathématique permettant de décrire le système après explosion à l’aide d’une mesure de défaut, nous donnons un schéma numérique adoptant le point de vue du transport optimal et permettant de simuler le système après explosion
We investigate four models coming from biological contexts. The first one concerns a model describing the growth of a population of tumors. This model leads to a McKendrick–Von Foerster equation : a conservation law with a non–local boundary condition. We prove the existence and unicity of a solution, then we study, using the general relative entropy, its asymptotic behavior. We provide numerical simulations using WENO scheme. The second part concerns the modelisation of the respiration. First we study the air flux in the bronchial tree using a mulstiscale model. The system present non–usual dissipative boundary conditions. The numerical scheme we use is based on a decomposition idea that reduce the system to the resolution of Stokes problems with standard Dirichlet–Neumann conditions. Then, we propose a model concerning the gas exchanges bringing to light the heterogeneity of the absorption of oxygen along the bronchial tree. The third part concerns the MAPK cascade in Xenopus oocytes. The modelisation leads to an equation of KPP type. A mathematical study shows the existence of travelling waves. Then we provide a detailed numerical study of the system. Finally, the last part, concerns the system of Patlak–Keller–Segel 1D after blow–up. The mathematical study provide a description of the system after blow–up, based on the notion of default meausure. Then we propose a numerical scheme, adopting the optimal transport viewpoint and allowing to simulate the system after blow–up

Ce travail s'inscrit dans un programme de recherche sur le dépôt des particules fibreuses dans un modèle pulmonaire à plusieurs embranchements. La première étape a consisté en une mise au point d'une méthode de fabrication d'un modèle bronchique suivant celui de WEIBEL. Pour l'étude aéraulique, nous avons entrepris d'examiner en détail les caractéristiques de l'écoulement en phase inspiratoire et expiratoire pour les débits instantanés rencontrés couramment en ventilation pulmonaire ; une chaîne anémométrique DISA nous a permis de tracer non seulement les profils de vitesse, mais encore les cartes des taux de turbulence. Dans l'étape suivante, nous avons mis au point la méthodologie pour la mesure du dépôt des particules compactes. Les mesures de dépôt ont permis de vérifier et d'affiner les lois de dépôt par sédimentation et par impact proposées dans la littérature. Du point de vue dépôt local, nous avons montré que ces mécanismes d'arrêt des particules généralement utilisés en physique des aérosols ne sont pas suffisants. Ce problème a été solutionné en partant de la description quantitative de l'écoulement et d'associer à ces mécanismes une contribution due à la turbulence locale de l'écoulement. Dans le cas des fibres, les mesures de rendements pondéraux et fractionnels montrent que le dépôt est favorisé pour les faibles débits contrairement aux particules sphériques. De plus, la probabilité de dépôt est une fonction complexe des caractéristiques géométriques de la fibre
This work fits into a research program on the deposit of fibrous particles in a pulmonary pattern with several branching. The first step consisted in elaborating a manufacturing method of a bronchial pattern according to WEIBEL's one. For the aeraulic study, we undertook to carefully study the characteristics of the outflow in inspiratory and expiratory phases for the instantaneous flows usually used in pulmonary ventilation. A DISA anemometric line allowed us to draw not only the speed profiles but also cards of turbulence rates. In the following step, we elaborated a method of measurement of compact particles deposit. The measures of deposit permitted to check and improve the laws of deposit by sedimentation and impact proposed in the literature. From a local deposit point of view, we have shown that these mechanisms of particles stops usually used in aerosol physics are not sufficient. This problem was settled starting from the quantitative description of the outflow and communing these mechanisms with a contribution due to the local turbulence of the outflow. In case of fibres, the measures of weight and fractional outputs show that the deposit is favoured for the weak flows, contrarily to speric particles. Moreover, the deposit probability is a complex function of the geometrical characteristics of the fibre

La culture du ble d'hiver etant tres souvent soumise dans nos regions a l'exces d'eau, qui entraine une asphyxie racinaire, cette etude a precise un certain nombre de point sur les relations entre l'aeration du sol et le comportement du ble. En milieu artificiel, ce travail a permis de degager l'importance de l'activite respiratoire au cours des stades precoces, et de definir des outils de caracterisation des conditions d'aeration des racines (presence d'ethanol dans les feuilles et augmentation de l'activite reductrice dans les feuilles). Une asphyxie racinaire, selon le stade d'intervention, entraine un decalage plus ou moins important avec l'absorption minerale, la croissance et le developpement de plantes aerees. Cependant, certains mecanismes temperant les effets de l'anoxie sont apparus tels qu'un developpement plus important de racines adventives avec un accroissement de la porosite racinaire, une stimulation de la croissance et du developpement apres l'asphyxie, et une stimulation, dans le cas d'une hypoxie partielle, de l'activite de la portion aeree. Ces mecanismes de compensation ne s'etant manifestes que pendant la periode de croissance ralentie, une distinction des effets de l'asphyxie entre les stades de developpement apparait au niveau de certaines composantes de rendement

Cette thèse est consacrée à l'application et au développement de méthodes biostatistiques originales pour des applications médicales et cliniques concernant plus particulièrement les pathologies respiratoires. Il s'agit ainsi d'un travail de recherche transversale, visant à la modélisation de données hétérogènes, colinéaires et de grande dimension pour des applications cliniques. Un état de l'art traitant du diagnostic de l'asthme et de hyperactivité bronchique a tout d'abord été dressé, avant de proposer une première application statistique, prenant la forme de modèles de régressions multiples. Ce type de modèle étant particulièrement sensible à la dimension et la colinéarité des données, les chapitres suivants proposent plusieurs améliorations, après avoir explicité en détail l'enjeu et les méthodes actuelles d'analyse de données de grande dimension. Un premier modèle de classification hiérarchique non supervisé a été mis au point et appliqué au cas de la quantification du piégeage aérique. Un algorithme de régression Partial Least Square a également été mis en œuvre, prédisant une ou plusieurs variables Y à partir d'un set de variables X hétérogènes et colinéaires, ce qui a permis de mettre en évidence l'impact de l'âge sur les petites voies aériennes, tout en considérant de nombreux autres paramètres. Enfin, un algorithme d'analyse fractale a été créé, en vue de quantifier en une seule valeur la complexité spatiale et géométrique d'images de scanners thoraciques, cela constituant un innovant outil d'aide au diagnostic radiologique
This thesis outlines new statistic methods devoted to clinical and medical applications, dealing more precisely with respiratory diseases. Our goal was to model and analyze high-dimensional clinical data, often heterogeneous, and collinear. A clinical state of the art of asthma diagnosis and bronchial hyperreactivity was first stated, before proposing a first statistical application, which took the shape of multiple regression models. This type of models is particularly tricky when treating high-dimensional collinear data, which is why the other chapters are an enhancement of this first model. Firstly, a non-supervised hierarchical classification was carried out and applied to air trapping quantification. A Partial Least Square regression model was also executed, allowing prediction of one or more variables from a set of X variables, which allowed us to highlight the impact of age on small airway impairment. Finally, a fractal analysis was performed, in order to quantify the geometrical and spatial complexity of a CT scan image into a single value. This kind a prospective methodology, where the statistics are directly involved in the clinical work, represents a brand new tool which can help medical diagnosis

La protection des salariés travaillant dans une atmosphère chargée en composés organiques volatils (COV) peut être assurée par l’utilisation d’une cartouche filtrante en charbon actif. Doté d’une structure microporeuse, le charbon actif possède une très haute surface spécifique favorable à la rétention de constituants toxiques par des phénomènes d’adsorption. Prévoir le temps de fonctionnement d’un appareil de protection respiratoire constitue un des objectifs de l’Institut National de Recherche et de Sécurité. Mondialement utilisé par les organismes préventeurs, le modèle dynamique de Wheeler Jonas muni d’un modèle d’équilibre adéquat fournit des temps de claquage de cartouches exposées à un débit constant d’air sec pollué par un COV. Même si ce modèle a subi des améliorations ces dernières années, il ne permet pas de décrire correctement le comportement des cartouches en présence de copolluant ou d’humidité. Dans le présent travail, un modèle numérique permet la description de l’adsorption dynamique des COV seuls et en mélange sur un lit fixe de charbon actif. L’adsorption dynamique de l’eau a également été étudiée et modélisée. Cette étude particulière nous a permis de comprendre l’influence de l’eau sur la performance de la cartouche respiratoire. De nombreux fronts de percée ont été réalisés afin d’acquérir des informations indispensables à la description de l’équilibre d’adsorption et du transfert de matière en milieu poreux. Ces expériences ont permis d’implémenter des données pour la modélisation de l’adsorption dynamique multiconstituante. Cette dernière inclut l’adsorption binaire COV-COV et l’adsorption d’un COV en présence d’eau. Le travail effectué a permis de proposer des solutions adaptées à la complexité du sujet
Activated carbon is the sorbent used in respirator cartridges to purify breathing air by adsorbing organic vapors. Owing to an important microporous structure, the activated charcoal features a high specific area efficient to capture toxic compounds by adsorption. Predicting service life time of respirator cartridges to protect users working in a polluted atmosphere is a mission of the Institut National de Recherche et de Sécurité. The Wheeler-Jonas approach, provided with a suitable equilibrium model, is a worldwide used equation to get service life times of respirator cartridges exposed to a constant flow of dry air polluted by a single volatile organic compound (VOC). While this model has been improved in recent years, it does not adequately describe the behavior of the cartridges in the presence of moisture or copolluant. The present study aims to build a numerical model to describe dynamic adsorption of single volatile organic compounds and mixtures with or without relative humidity in the air. Single water vapor adsorption has been modeled on a coaled fixed-bed, it provides a useful description of water adsorption on activated carbon and the impact of water on the service life time of a respirator cartridge. Numerous experiments have been realized to get equilibrium data of single VOCs and mass transfer constants to describe diffusion of adsorbates through micropores. Indeed, these data have been implemented in the model to describe adsorption of mixtures. Additional experiments have been realized to study coadsorption of organic vapors and dynamic adsorption of a single VOC in presence of humidity. The results are compared with simulations to appreciate the pertinence of the model. The present work provides solutions tailored to the complexity of the subject

Un modèle dynamique de la fonction respiratoire chez l'homme, basé sur un système échangeur à CO2 et sur un système contrôleur linéaire à CO2, est réalisé. Trois représentations différentes des poumons et de la ventilation mettent en évidence les propriétés de la stabilité du système respiratoire, à la fois au voisinage d'un état stationnaire et loin d'un état stationnaire. L'étude des inégalités respiratoires permet de déduire de nouvelles propriétés du système contrôleur de la respiration.

La contamination des nappes par le nitrate (NO3-), ainsi que les émissions de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone (CO2) et l'oxyde nitreux (N2O) sont des problèmes environnementaux et agronomiques cruciaux pour un développement durable. L'objectif de ce travail était de caractériser durant 7 mois la dynamique des éléments carbone et azote couplée aux activités microbiennes dans la zone non saturée du sol et de souligner, entre autre, l'intérêt de ne pas négliger les processus biologiques existants dans la zone non saturée profonde. Pour cela, un profil de sol situé dans une parcelle agricole du Comtat Venaissin (Velleron, 84) a été étudié. La zone non saturée du sol (environ 2. 50 m d'épaisseur) a été instrumentée pour le suivi des flux hydrique, de gaz, de chaleur et de soluté durant la période inter-culturale, après récolte du mai͏̈s et enfouissement des résidus (fin octobre 2001) jusqu'au semis suivant (début mai 2002). Des analyses microbiologiques ont permis d'une part de suivre les activités respiratoire aérobie et dénitrifiante potentielles, et d'autre part de dénombrer les bactéries hétérotrophes et dénitrifiantes. Les résultats ont souligné la forte dépendance des activités microbiennes aux facteurs environnementaux tels que les précipitations, la température du sol, la teneur en NO3-, et la qualité du carbone organique dissous (COD). Dans la zone non saturée profonde, la teneur en NO3- a été le facteur limitant de l'activité dénitrifiante, et la qualité du COD était en partie responsable des variations saisonnières de l'activité respiratoire aérobie. La modélisation avec le modèle PASTIS des processus biogéochimiques qui se sont produits lors de l'expérimentation a permis de simuler de façon satisfaisante les différents mécanismes. L'ajout d'un module de transport des gaz basé sur la loi de gaz poussières a permis d'estimer correctement les concentrations de CO2 et de N2O dans le sol. La modélisation a souligné l'importance de prendre en compte les activités microbiennes non négligeables dans la zone non saturée profonde. La comparaison modèle-expérience suggère de regarder les points suivants : (1) prendre en compte l'analyse structurale du sol et travailler à l'échelle de l'agrégat, (2) étudier l'effet du gel du sol sur le devenir de la biomasse zymogène, et (3) prendre en compte l'activité enzymatique, dont celle de la N2O réductase. Ces différents points sont primordiaux dans le but d'améliorer les prédictions des quantités de C et N pouvant atteindre la nappe
Nitrate (NO3-) groundwater contamination, in addition to greenhouse gases emissions such as carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) are crucial environmental and agronomic problems. The goal of this work was to characterize during a 7-months period C and N dynamics coupled to microbial activities in the vadose zone, emphasizing notably the interest in taking into account the existing biological processes in the deep vadose zone. Thus, a soil profile situated in an arable field in the Comtat Venaissin (Velleron, 84) was studied. The vadose zone (almost 2. 5 m thick) was equipped for water, heat, solute and gas fluxes measurements, during an inter-cropping period, from corn harvesting and tillage with incorporation of maize residues (end of October 2001), to the next sowing (beginning of May 2002). Microbial analysis were performed in order to follow (1) the aerobic respiratory and denitrifying potential activities, and (2) heterotrophic and denitrifying micro-organisms. Results showed the strong environmental factors influence (rainfall, soil temperature, NO3- content, and dissolved organic carbon (DOC) quality) on microbial activities. In the deep vadose zone, the NO3- content was a limiting factor for the denitrifying activity, and the DOC quality was in part responsible of the aerobic respiratory activity seasonal variations. The biogeochemical processes, which occurred during the field experiment, were satisfactorily simulated by the PASTIS model. The addition of a new module for gas transport using the dusty gas theory allowed us to estimate correctly CO2 and N2O concentrations in the soil. The comparison model-experiment suggests to study the following elements: (1) to take into account the soil structure and to work at the aggregate scale, (2) to study the soil freezing effect on zymogenous biomass behaviour, and (3) to take into account the enzymatic activity, notably the N2O reductase enzymatic activity. These elements are really important in order to perform C and N amounts reaching the groundwater

Le métapneumovirus humain (hMPV) est un nouveau virus respiratoire identifié pour la première fois par un groupe hollandais en 2001. Ce pathogène viral cause principalement des infections aiguës des voies respiratoires, telles que des bronchiolites et des bronchites ainsi que des pneumonies chez les jeunes enfants, les personnes âgées et les individus immunocompromis. Au moment d’élaborer ce projet de doctorat, aucun modèle expérimental d’infection n’avait été développé, la pathogenèse associée à cette infection virale n’avait pas été étudiée et aucun traitement ou vaccin n’avait encore été approuvé chez l’humain ou même étudié in vivo. Bref, des lacunes majeures subsistaient en ce qui a trait à la compréhension et au traitement de l’infection par le hMPV. L’objectif principal de ce projet de doctorat était donc de développer un modèle expérimental d’infection chez le petit animal de laboratoire afin de caractériser la pathogenèse associée à l’infection virale et d’évaluer l’efficacité de différents traitements. Les résultats démontrent que la souris Balb/c et le «cotton rat» s’avèrent tous deux être de bons modèles d’infection pour l’étude de l’infection par le hMPV. Une importante réplication du virus ainsi que des changements histopathologiques caractérisés par une inflammation pulmonaire prononcée sont observés suite à l’infection virale. Cependant, la souris Balb/c est plus susceptible au hMPV que le rat, car le développement de symptômes cliniques significatifs n’est noté que chez ce premier. L’infection par le hMPV entraîne aussi une obstruction des voies respiratoires et une hyperréactivité bronchique significative. D’un côté thérapeutique, la ribavirine possède une importante activité antivirale contre le hMPV, puisque la réplication et l’inflammation associées à l’infection sont diminuées de façon significative suite à l’administration de l’agent antiviral. D’un côté prophylactique, les immunisations avec une préparation de hMPV complet inactivé couplée à un adjuvant représentent un danger potentiel, car elles provoquent une réponse inflammatoire exagérée suite à l’infection virale. Des vaccins sous-unitaires protéiques semblent être beaucoup plus sécuritaires et prometteurs. Les modèles expérimentaux développés lors de ce projet vont permettre de mieux comprendre la pathogenèse associée à l’infection par le hMPV et d’évaluer de façon plus complète l’activité de différents traitements thérapeutiques et prophylactiques.
The human metapneumovirus (hMPV) is a newly-described viral pathogen first reported in the Netherlands in 2001. HMPV is associated with acute respiratory tract infections in all age groups with more severe diseases such as bronchiolitis/bronchitis and pneumonia occurring in young children, elderly individuals and immunocompromised hosts. Before we started this project, no experimental models had been developed, the pathogenesis was not exhaustively described and no vaccines, chemotherapeutic agents, or antibody preparations had been approved for the prevention or treatment of hMPV infections in humans or even studied in vivo. The aim of this project was to develop an experimental animal model for hMPV infection to : 1-characterize the pathogenesis associated with this viral infection and 2-evaluate novel therapeutic or prophylactic modalities. The Balb/c mice and cotton rat are both permissive to hMPV infection. They support efficient viral replication in the lower respiratory tract and the infection is associated with significant lung inflammation. However, Balb/c mice are more susceptible to the infection, as we observe clinical symptoms such as weight loss and breathing difficulties characterized by significant airways obstruction and hyperresponsiveness only in this animal model. Ribavirin has shown antiviral properties against hMPV and significantly reduced viral replication and pulmonary inflammation. Immunizations with inactivated hMPV mixed with adjuvant induced a severe pulmonary disease following intra-nasal infection, as it has already been observed with other paramyxoviruses. Subunit vaccines seem safer preparations to pursue the development of hMPV vaccines. The Balb/c mice and cotton rat experimental models are great tools to better understand hMPV pathogenesis and also to evaluate different therapeutic and prophylactic modalities.

Dans ces travaux, nous nous intéressons à la modélisation de la variabilité du rythme cardiaque (HRV) à l’exercice. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la HRV à l’exercice en prenant en compte la respiration. Le modèle IPFM a été utilisé pour expliquer le mécanisme utilisé par le système nerveux autonome pour contrôler le rythme cardiaque. A l’aide des pics générés par ce modèle, nous étudions la relation entre la période cardiaque, qui est la différence entre deux pics successifs, et le signal de modulation. Nous proposons le modèle TVIPFM avec trois approches différentes (A, B, C) comme alternative au modèle IPFM pour estimer la modulation du système nerveux autonome, adaptée à l’exercice. Le modèle TVIMPFM permet alors de corriger la variabilité cardiaque. Cette variabilité sera filtrée dans la bande de la fréquence respiratoire et dans le domaine temps-fréquence, en utilisant différentes méthodes de représentations temps-fréquence. Ceci s’explique par le caractère non stationnaire du signal observé. Nous présentons différentes représentations temps-fréquence linéaires et quadratiques permettant ce filtrage et justifiant leur utilisation. L’EMD est abordée également pour sa propriété de décomposition en signaux « monocomposantes ». Des simulations nous ayant permis de sélectionner la meilleure correction IPFM et la meilleure représentation temps-fréquence pour le filtrage, une application réelle étendue est proposée. Dans celle-ci, on montre qu’à l’aide de cette chaîne de traitement la corrélation avec l’âge de la transplantation et la variabilité du rythme cardiaque existe bien
In this thesis, we focus on the modelling of heart rate variability (HRV) during exercise. The objective of this thesis is to study HRV during exercise, while taking respiration into account. The IPFM model helps to explain the mechanism used by the automatic nervous system to control the heartbeat. With peaks generated by this model, we study the relationship between the heart period, which is the difference between two successive RR peaks, and the modulation signal. We suggest the TVIPFM model with three different approaches (A, B, C), as an alternative of the IPFM model to estimate the modulation of the autonomic nervous system, adapted to the exercise. The TVIPFM model then allows for correction of the heart rate variability. This variability will be filtered around the frequency band of respiration in the time-frequency domain, using different methods of time-frequency-representations. This is explained by the fact that the signal being observed is not stationary. We present different time-frequency representations for the linear and quadratic filtering and justify their use. The EMD is also addressed because of its decomposition property in “monocomponent” signals. A simulation allowing us to select the best IPFM correction and the best time-frequency representation for filtering, a real application range is proposed. In it, we show that using this process, correlation between age of transplantation and heart rate variability indeed exists

L’insuffisance respiratoire, définie comme l’incapacité du système respiratoire à assurer l’oxygénation de l’organisme, peut être la conséquence de diverses pathologies et nécessite la mise en place d’une assistance ventilatoire. Dans le cadre de la ventilation non invasive, cette assistance s’effectue la plupart du temps via un mode dit de “ventilation spontanée avec aide inspiratoire”. Cette modalité nécessite une bonne synchronisation entre les efforts inspiratoires du patient et les cycles de pression du ventilateur, un des objectifs étant de réduire le travail ventilatoire du patient. Il apparaît en outre que la ventilation non invasive peut avoir des effets sur le système cardio-vasculaire, bien que les mécanismes restent mal compris. Dans une première partie, nous nous attachons à la modélisation de la dynamique du système cardiovasculaire afin de comprendre les mécanismes conduisant au remodelage cardiaque. Le modèle présenté permet de reproduire et d’expliquer l’origine des deux phases caractéristiques de l’hypertension artérielle pulmonaire. Dans une seconde partie, nous nous somme intéressés aux interactions patient-ventilateur afin de comprendre l’origine des asynchronismes observés en clinique. Nous avons alors construit un modèle dynamique capable de reproduire le comportement global de quelques uns des ventilateurs présents sur le marché. Ce travail constitue ainsi une première approche théorique permettant d’améliorer la compréhension de diverses interactions liées au système cardio-respiratoire
Respiratory failure is defined as the inability of the respiratory system to ensure the organism’s needs in oxygen. This condition may be the consequence of various diseases and implies a treatment by ventilatory support. In noninvasive ventilation, “pressure support” mode is a ventilatory mode that is commonly used. This mode necessitates a good synchronization between the patient’s inspiratory efforts and the ventilator pressure cycles, one of the objectives being to reduce the patient’s work of breathing. Furthermore, noninvasive ventilation is known to have effects on the cardiovascular system, even if the underlying mechanisms remain poorly understood. First, we will focus on the modeling of the cardiovascular dynamics to assess the mechanisms leading to cardiac remodeling. This model allows to reproduce and explain the origin of the two phases of pulmonary arterial hypertension. A second part was devoted to patient-ventilator interactions in order to understand the emergence of the asynchrony events that can be observed in clinics. We built a dynamical model able to reproduce the global behavior of some ventilators available on the market. This work therefore represents a first theoretical approach allowing to improve the understanding of various interactions related to the cardiorespiratory system

L’absorption d’alcool pendant la grossesse entraîne un risque de syndrôme d’alcoolisation fœtale. Pour mieux comprendre les effets de l’alcoolisation pendant le développement cérébral sur les fonctions physiologiques et cognitives, nous avons étudié chez le rat les répercussions d’une alcoolisation pré- et post-natale sur 1) la plasticité à long terme du réseau respiratoire central et 2) la plasticité synaptique dans l’hippocampe impliquée dans les processus d’apprentissage et de mémorisation. Après alcoolisation périnatale, la facilitation à long terme (FLT) du réseau respiratoire était inversée dès 7J en une dépression, indépendante du fond génétique. Cette inversion était mimée in vitro par un agoniste des R-5-HT2A/2C, acteurs clef de la FLT, et dont les taux d’ARNm étaient modifiés par l’alcool dans les régions respiratoires. A l’adolescence, ces rats montraient une dépression à long terme (DLT) facilitée dans l’aire CA1 de l’hippocampe in vitro, due à une plus grande réponse pendant la stimulation conditionnante. Cette réponse et la DLT étaient NMDA et NR2B dépendante mais pas NR2A. Les taux des sous-unités NR1, NR2A et NR2B étaient augmentés dans l’aire CA1. La maintenance de la DLT impliquait les R-GABAA et B sans modification du nombre de sites de fixation des R-GABAA. Ces travaux montrent que l’alcoolisation périnatale inverse les processus de plasticité du réseau respiratoire et facilite la DLT dans l’hippocampe, suggèrant que ce type d’alcoolisation pourrait être à l’origine d’une altération de la fonction respiratoire et que ces effets se répercutent jusqu’à l’adolescence en perturbant un mécanisme cellulaire des processus d’apprentissage et de mémorisation
Alcohol ingestion during pregnancy may give rise to Foetal Alcohol Syndrome. To better understand the effects of alcohol during brain growth spurt period on physiology and cognitive function, we studied in rats the effects of pre- and postnatal ethanol exposure on 1) the long-term plasticity of the respiratory neuronal network and 2) hippocampus synaptic plasticity involved in learning and memory processes. After perinatal ethanol exposure, long-term respiratory network facilitation (FLT) was reversed to a long-term respiratory depression in 7d old rats, independent on genetic background of the animals. This reversion was mimicked in vitro by a 5-HT2A/2C receptor agonist, the key actors for FLT, while mRNA levels were modified in respiratory areas. In adolescent offspring, ethanol exposure during brain development lead to a facilitation to induce LTD in CA1 hippocampus field studied in vitro which was due to an increase in the response during low frequency conditioning stimulation. This response and the facilitated DLT were NMDA receptor and NR2B subunit dependant but not NR2A subunit dependant. Protein levels for NR1, NR2A and NR2B were all increased in CA1. The late phase of DLT involved both R-GABAA and B without modification in the number of binding sites for R-GABAA. This work shows that in utero alcohol exposure reverses respiratory network plasticity and facilitates synaptic LTD in the hippocampus. These results suggest that in utero alcohol exposure may lead to long-term maladaptation of respiratory function and that effects of alcoholization last until adolescence and alters LTD, the other cellular mechanism of learning and memory beside hippocampus synaptic LTP

Si les concepts utiles à l'évolution technologique des poumons artificiels étaient pour la plupart connus au début de leur utilisation, il a fallu 30 ans pour les concrétiser d'un point de vue application industrielle. Il est important, pour l'établissement du cahier des charges, de souligner les contraintes physiologiques inhérentes aux échanges respiratoires. L'importance du rôle joué par les hématies doit être rappelé : elles sont essentielles pour le transport d'oxygène, d'où la nécessité d'assurer un débit de sang minimum dans un tel appareil. Elles sont nécessaires à l'élimination du CO2 par leur équipement enzymatique (anhydrase carbonique). Des échangeurs à interface gaz-sang aux échangeurs dans lesquels une membrane sépare les phases, il a fallu 25 ans de recherche et de développement portant sur la chimie des polymères et la plasturgie, la modélisation, la conception de moyens de production industrielle. Ainsi ont été utilisés des appareils à fils sanguin (disques) réutilisables, des bulleurs à usage unique produits en série, des poumons à membrane pleine disposée en poche, puis à membrane microporeuse, enfin des poumons à faisceaux de capillaires. La mise au point de méthodes d'évaluation a été réalisée. Ces techniques s'utilisent suivant le stade de développement des appareils. Les méthodes ex vivo et in vivo s'adressent à des appareils dont la conception est fixée et pour lesquels ces essais sont nécessaires comme pré-requis avant utilisation en clinique humaine. Les méthodes d'évaluation in vitro sont celles qui s'avèrent les plus utiles dans la phase initiale d'élaboration, comme dans la phase finale de contrôle de qualité lors de la fabrication. L'utilisation de tests à l'eau (ou soluté ad hoc) trouve sa légitimité dans sa facilité de codification et sa relativement bonne corrélation prédictive avec les méthodes ex vivo en sang. Ceci est particulièrement vrai pour l'étude du CO2. Les méthodes facilitant les transferts sont présentées en particulier pour l'élimination du CO2 sous de faibles débits sanguins dérivés. Mais dans ce cas le recours au rein artificiel s'avère la solution la plus efficace.

Le premier but de ce travail est d'obtenir un modèle de compréhension de la dynamique mécano-chimique du ventricule gauche. Le niveau de complexité de ce modèle doit permettre son emploi dans des applications dans l'enseignement et son insertion dans un modèle de la boucle cardiovasculaire complète. Ce modèle doit aussi permettre une première étude d'optimisation pour formuler et tester des hypothèses concernant la nature de l'efficacité ventriculaire résultant de l'évolution naturelle. Pour atteindre ces objectifs, nous avons choisi un niveau de complexité intennédiaire (modèles "en boîtes grises") qui nous permet d'adapter des approches à paramètres localisés et d'éviter l'emploi des modèles à dérivées partielles ou à éléments finis qui sont trop lourds. Cette approche nous permet également de focaliser notre intérêt sur les mécanismes physico-chimiques actuellement étudiés par les expérimentateurs tout en adoptant des sous modèles plus simples pour les autres parties du système.

La myopathie de Duchenne, DMD, est la plus grave et la plus fréquente des dystrophies musculaires. La fonction des muscles respiratoires joue un rôle clé dans cette pathologie puisque dans 70% des cas, le décès du patient survient à la suite d'une défaillance respiratoire. Ces dernières années, des progrès importants ont été réalisés concernant les différentes thérapeutiques de cette pathologie. Pour appréhender les effets de tout essai thérapeutique, notre premier objectif a été d'apprécier l'évolution longitudinale de la fonction respiratoire de sujets atteints de DMD. Cette étude longitudinale montre qu'à un stade précoce, la pression maximale inspiratoire (PImax), reflet de la force des muscles inspiratoires, est un meilleur marqueur de l'atteinte respiratoire, mais qu'à un stade avancé, les paramètres ventilatoires fournissent plus d'informations au sujet de la progression de la maladie et sont plus faciles à mesurer. Ces résultats ont un intérêt clinique important dans le suivi des enfants DMD. Cependant, avant d'appliquer une thérapeutique chez le patient DMD, il faut tester son efficacité sur le modèle anima de cette pathologie, la souris mdx. Notre second objectif a donc été d'étudier l'évolution des paramètres respiratoires de la souris mdx en fonction de l'âge au repos et en réponse à un stimulus hypercapnique qui représente la force des muscles respiratoires. Nous montrons que la réponse à l'hypercapnie diminue avec l'âge parallèlement aux changements histologiques des muscles respiratoires. Parmi les thérapeutiques pharmacologiques, les donneurs de NO, comme la L-Arginine, entraînent une amélioration de la fonction contractile du diaphragme. Cependant, l'augmentation du NO peut entraîner des effets bénéfiques mais aussi délétères. Notre troisième objectif a donc été d'évaluer les effets d'un traitement à la L-Arginine sur les mécanismes cellulaires impliqués dans le processus physiopathologique. Cette étude montre que l'augmentation du NO est associée à une amélioration du phénotype dystrophique du diaphragme de la souris mdx, de la réponse au stress mécanique et de l'homéostasie calcique, sans aucun effet délétère sur la respiration mitochondriale, le stress oxydant et l'apoptose. Ce travail est un pré-requis indispensable compte tenu des nouvelles thérapeutiques qui pourront être appliquées dans un avenir proche.

Ce travail concerne le traitement par la chaîne auditive de l’enveloppe temporelle, i. E. Les fluctuations d’amplitude de fréquence inférieure à quelques dizaines de Hertz dont la perception est liée à l’intelligibilité du signal. Un modèle physiologiquement réaliste du traitement de cette enveloppe par la chaîne auditive est proposé. Il comporte deux parties : la première, de l’oreille externe au colliculus inférieur, génère des réponses unitaires, la seconde, du corps genouillé médian au cortex auditif primaire, des réponses de populations de neurones. Au-delà des indices de performance de validation couramment utilisés dans la littérature, de nouveaux indices sont introduits et validés. Les réponses à la modulation d’amplitude mesurées dans les principaux centres de traitement, notamment au niveau du cortex auditif primaire de sujets humains, sont effectivement reproduites en termes de fonctions de transfert de la modulation
This work is aimed at studying the auditory perception of sound temporal envelope, i. E. The amplitude fluctuations whose frequency is lower than about fifty Hertz, this envelope being closely related to speech intelligibility. A physiological model of the temporal envelope processing is proposed. It is composed of two parts : the first one, from the outer ear to the inferior colliculus, generates unitary responses and the second one, from the medial geniculate body to the primary auditory cortex, neural populations responses. In addition to indices frequently used in the literature, two new indices are proposed and validated. Responses to amplitude modulation measured in the main processing centres of the temporal envelope, particularly in the human primary auditory cortex, are effectively reproduced in terms of modulation transfer functions

Quatre paramètres morphologiques sont fondamentaux pour bien connaître l'influence de la structure du fil sur les propriétés des textiles surfaciques et pour en modéliser les structures. Ce sont : ○ Régularité massique (titre) ○ Régularité de voluminosité ○Arrangement de fibres superficielles (pilosité) ○ Organisation des fibres de la structure compacte (torsion). A l'heure actuelle, on mesure bien la régularité massique, mais on connaît moins bien les trois autres paramètres. Nous manquons en particulier d'un moyen efficace pour mesurer l'organisation des fibres de la structure compacte des filés notamment pour les fils fabriqués par des moyens non-conventionnels (jet d'air, guipage, etc. ). Pourtant, c'est cette notion qui explique les principales propriétés mécaniques et physiques des fils et donc les notions de toucher. Notre travail a consisté à développer un appareil pour mesurer les paramètres structurels des textiles linéaires en vue de modéliser la structure superficielle et de contrôler la qualité des fils dans les processus de production. Pour réaliser la mesure sans déstructuration du fil, deux capteurs optiques sont développés respectivement pour ces trois paramètres. Un capteur à balayage circulaire utilisant la méthode de diffraction-réflexion est développé pour déterminer l'orientation des fibres de la structure compacte du fil. Un autre est conçu avec une méthode de filtrage optique dans le plan de Fourier des signaux diffractés (pilosité) et des signaux focalisés (volume) du fil pour caractériser orthogonalement la pilosité et le diamètre du fil. Un circuit électronique d'amplification est conçu et un programme d'application avec filtrage numérique a été développé pour traiter les signaux et visualiser des résultats. Nous avons de plus vérifié les résultats obtenus sur plusieurs filés fabriqués par des processus différents en les comparant avec ceux obtenus par les méthodes existantes. Les techniques de mesure étant fortement différentes des comparaisons sont à approfondir, mais notre appareil fait preuve d'une bonne exactitude et de fiabilité. Cependant, des analyses nouvelles utilisant des approches moins classiques que l'analyse statistique de base ou l'analyse spectrale devrons être mises en oeuvre pour exploiter toute la richesse des informations recueillies.

L'objectif de ce travail est l'évaluation des forces musculaires et des réactions de contact articulaires agissant sur le membre inférieur au cours de la phase d'appui de la marche. Une estimation correcte de ces efforts est indispensable pour compléter des modèles plus spécifiques (comme les modèles éléments finis par exemple) permettant de dimensionner des implants dans le domaine clinique ou de simuler des gestes réalistes dans un contexte ergonomique. Pour cette étude, à partir de mesures expérimentales et d'un modèle multicorps rigide sont déterminés les torseurs de force intrasegmentaires au niveau de chaque articulation. Un même torseur d'actions mécaniques articulaires pouvant être obtenu par une infinité de forces élémentaires (actions de contact sur les surfaces articulaires, forces développées dans les muscles croisant l'articulation), nous avons été amenés à résoudre un problème d'optimisation pour identifier la contribution de chacun des éléments au torseur global. Dans un premier temps, après une synthèse bibliographique, est décrit le protocole expérimental mis en place pour acquérir les trajectoires de marqueurs, les forces de contact entre le pied et le sol et les mesures anthropométriques avec un maximum de précision. L'étude cinématique et dynamique inverse, réalisée par programmation de l'algorithme de Nexton-Euler sous forme d'opérateurs homogènes, est ensuite présentée avec une application clinique en podologie. Un modèle musculo-squelettique est enfin développé afin d'estimer, après résolution du problème d'optimisation par les Algorithmes Génétiques, les forces musculaires mises en jeu lors de la marche et en déduire les actions de contact sur les surfaces articulaires. Les forces musculaires obtenues sont validées de façon indirecte par la mesure de l'activité électrique dans les muscles et les actions de contact articulaires par des données issues de la bibliographie.

La simulation interactive du corps humain est un problème crucial en informatique médicale. Les approches sont multiples pour arriver à cet objectif. Diminuer le temps de calcul est le leitmotiv d'un grand nombre de travaux ces dernières années. Pour les recherches qui utilisent des modèles physiques inspirés de la Mécanique des Milieux Continus pour la simulation des objets déformables, ce sont principalement les forces internes et leurs dérivées qui font l'objet d'études pour l'amélioration des performances au niveau du temps de calcul. Nous avons choisi de développer la Méthode des Masses-Tenseurs, modèle physique souvent utilisé pour son bon compromis temps de calcul — précision. Notre première contribution est l'utilisation du calcul formel pour la génération des équations des forces internes et de leurs dérivées. Notre deuxième contribution est la parallélisation de ce modèle physique en calculant les équations générées sur le GPU. Notre troisième contribution est l'extension de ce modèle physique à d'autres types d'éléments : triangle, quadrangle, hexaèdre, prisme et pyramide. Tenir compte des déformations pour utiliser la loi de comportement la plus efficace en temps de calcul lorsque c'est possible, est une stratégie que nous avons mis en place. Dans la même idée, nous prenons en compte la géométrie du modèle à simuler pour utiliser des éléments plus complexes mais en nombre réduit. Pour utiliser ces stratégies, nous avons développé et utilisé des modèles mixtes en loi de comportement et en type d'éléments. Nos travaux se placent dans le contexte du projet ETOILE pour le développement d'un modèle biomécanique du système respiratoire
Interactive simulation of the human body is a crucial issue in medical computer sciences. There are many approaches to reach this goal. Reducing the computation time is the leitmotiv of a large number of efforts in recent years. For researches which use physical models derived from continuum mechanics for the simulation of deformable objects, it is primarily the internal forces and their derivatives which are the subject of study for improving computation time. We chose to develop the Tensor Mass Method, a physical model often used for its good computation time vs accuracy trade-off. Our first contribution is the use of computer algebra to generate the internal forces and their derivatives. Our second contribution is the parallelization of this physical model by computing the generated equations on the GPU. Our third contribution is an extension of this physical model to other elements : triangle, quandrangle , hexahedron, prism and pyramid. Considering deformations to use the most effective constitutive law in terms of computation time whenever possible is a good strategy that we started developing. In the same idea, we take the geometry of the simulated model into account to introduce more complex elements, albeit in reduced numbers. To use these strategies, we have developed mixed models in constitutive laws and elements. Our research was performed in the framework of the ETOILE project, to develop a biomechanical model of the respiratory system

Les cytokines exercent un rôle important à toutes les étapes des réponses immunitaires , en particulier granulomateuses et fibrosantes. A l'aide d'un système de RT-PCR semi-quantitative que nous avons développé dans le laboratoire, nous avons étudié l'expression simultanée d'un grand nombre de cytokines dans les granulomes épithéloi͏̈des, sarcoi͏̈diens et tuberculeux. Le profil des cytokines exprimées dans ces lésions était de type TH1 pour la sarcoi͏̈dose et TH1/TH0 pour la tuberculose. Parmi les 16 cytokines étudiées, seuls les ARNm de l'IL-1ß, l'IL-12, l'IFN-? la LT-ß, du TNF-a et du GM-CSF étaient significativement augmentés dans les granulomatoses et l'aspect histopathologique des lésions était corrélé avec la présence de certaines des cytokines. En revanche, l'expression de l'IL-10, cytokine antiinflammatoire, n'était pas augmentée dans les granulomes par rapport aux tissus contrôlés. Ainsi, après avoir mis au point une technique scanographique pour sélectionner les rats développant des granulomes pulmonaires de type sarcoi͏̈diens en réponse à l'adjuvant complet de Freund, nous avons testé les effets thérapeutiques de l'IL-10 recombinante dans ce modèle. D'autre part, nous avons aussi fortement suggéré que les cytokines produites dans le micro-environnement des CL infiltrant les granulomes de l'histiocytose langerhansienne, favorisaient l'expression des molécules de costimulation B7 à la surface des CL, confortant l'idée que ces cellules ont le même phénotype de surface que les cellules dendritiques matures lymphostimulatrices. Enfin, nous avons trouvé que parmi de nombreuses cytokines impliquées dans les réactions fibreuses pulmonaires, dans les échantillons pulmonaires de patients atteints de fibrose pulmonaire idiopathique, le TGF-ß et l'IL-10 étaient le plus fortement exprimés, et suggéré que ces 2 cytokines pourraient être les cibles privilégiées des nouvelles stratégies thérapeutiques.

Le poumon est un organe dont le rôle est de transporter l'oxygène de l’air ambiant vers le sang et d’en extraire le dioxyde de carbone. Il est constitué d’une structure arborescente de bronches, l’arbre bronchique, connecté à une surface d'échange, les acini.Les bifurcations bronchiques sont asymétriques : les bronches se divisent en deux bronches filles de taille différente. La topologie de l’arbre est asymétrique : le nombre de bifurcations nécessaires pour connecter la trachée aux acini est variable. Les bronches ont une paroi déformable (compliance) et leur géométrie dépend de la pression transmurale, i.e. la différence de pression entre les tissus les entourant et l'air y circulant. Ces caractéristiques affectent leurs propriétés hydrodynamiques.En tant qu'interface avec l'air extérieur, il est constamment sous l'afflux de particules externes. Le mucus bronchique joue un rôle protecteur en piégeant ces particules. En temps normal, le mucus est naturellement drainé hors du poumon. Si le mucus stagne dans les bronches, les risques de développement d’infections deviennent élevés. Dans ce cas, de la kinésithérapie respiratoire est souvent prescrite. Les kinésithérapeutes utilisent, entre autres, les forces de cisaillement de l’air pour aider à l’extraction du mucus. Toutefois, les conditions expiratoires qui permettent de mettre le mucus en mouvement ne sont pas clairement établies.Cette thèse est constituée de trois étapes qui nous permettent d’analyser l’influence de l’asymétrie et de la compliance des bronches sur la distribution des contraintes de cisaillement induites par l’air dans les bronches. Nos trois études utilisent une modélisation 0D de chaque bronche. L’hydrodynamique de l’air à l’intérieur de chaque bronche est simplifiée, soit par un écoulement de Poiseuille, soit par un écoulement de « Poiseuille modifié » incluant certains effets inertiels.La première étape consiste à comprendre d’abord la répartition du cisaillement dans un arbre symétrique avec des bronches compliantes. Nous montrons que cette répartition présente un maximum dont la position et l’amplitude sont déterminées en fonction du débit à la trachée et de la pression dans les tissus pulmonaires. Cette étude montre aussi qu’une obstruction partielle « cache » d’autres obstructions plus profondes dans le poumon. La comparaison des résultats avec un cisaillement seuil représentatif du mucus a permis de développer des techniques idéalisées de kinésithérapie visant à l’extraction de mucus.La seconde étape vise à comprendre le lien entre l’asymétrie des bifurcations et l’hydrodynamique dans un arbre fractal et rigide. Nous proposons dans cette partie l’hypothèse que la sélection de l’asymétrie pulmonaire est associée à l’optimisation d’un coût lié à la résistance hydrodynamique de l’arbre, sous une contrainte de volume de l’arbre. Notre analyse permet de proposer un scénario pour expliquer les différences d’asymétrie observée chez les mammifères.Enfin, la troisième étape vise à étudier la distribution des contraintes de cisaillement dans un arbre à bifurcations asymétriques et à bronches déformables. Nous montrons que les distributions du cisaillement dues à un écoulement de Poiseuille dans un arbre à bifurcations asymétrique et symétrique sont comparables. Toutefois, celle du cas asymétrique présente un étalement dans l’arbre distal, et des bronches avec des propriétés similaires peuvent avoir des cisaillements très différents.Ces travaux, basés sur l’alliance des mathématiques, de la physique, de la biologie et de la médecine ont permis d’améliorer notre compréhension à la foi de l’asymétrie des bifurcations bronchiques, de la compliance bronchique et de leurs effets sur l’hydrodynamique de l’air en son sein. En particulier, cela nous a permis de mieux comprendre le rôle du cisaillement de l’air sur l’écoulement du mucus dans les techniques de kinésithérapie
The lung is an organ whose the role is to transport oxygen from the ambient air to the blood and to extract carbon dioxide from the blood. It is a tree-like structure of bronchi, the bronchial tree, connected to an exchange surface, the acini.The bronchial bifurcations are asymmetric: the bronchi divides into two daughter bronchi of different sizes. The topology of the tree is asymmetric : the number of bifurcations that connect the trachea to the acini is not constant. The bronchi wall is deformable (compliance) and their geometries are affected by the transmural pressure, i.e., the pressure difference between the surrounding tissue and the air flowing inside the bronchi. These characteristics affect the hydrodynamic properties of the tree.As an interface with the external air, it is constantly in contact with external particles. The bronchial mucus plays a protective role by capturing these particles. Normally, the mucus is naturally drained out of the lung. The mucus should not stagnate in the bronchi because stagnation increases the probability of developing an infection. When stagnation occurs, chest physiotherapy is often prescribed. The physiotherapists usually perform technics using the air shear stress to stimulate the mucus extraction. However, the expiratory conditions that allow to mobilize the mucus are not clearly defined.This thesis is based on three steps that allow to analyze the influence of the bifurcations asymmetry and of the compliance on the distribution of the shear stress induced by the airflow in the bronchi. Our three studies use a 0D model for each bronchus. The air hydrodynamic into each bronchus is simplified, either with a Poiseuille flow or with a “modified Poiseuille” flow that includes some inertial effects.The first step consists in understanding the air shear stress repartition in a symmetric tree with compliant bronchi. We show that this repartition exhibits a maximum whose location and amplitude depend on the flowrate in the trachea and on the pressure in the pulmonary tissue. This study shows also that one partial obstruction might “hide” others localized deeper in the lung. The comparison of our results with a typical yield shear stress of the mucus allows to develop, in the limits of our model, idealized chest physiotherapy technics for mucus draining.The second step aims at understanding the link between the bifurcation’s asymmetry and the hydrodynamics in a fractal and rigid tree. We propose in this part the hypothesis that the pulmonary asymmetry selection is linked to the optimization of a cost linked to the tree’s hydrodynamic resistance, under a constraint on the tree’s volume. Our analysis allows to propose a scenario that explains the difference in asymmetry observed between mammals.Finally, the third step aims at studying the shear stress repartition in a tree with asymmetric bifurcations and compliant bronchi. We show that the distribution of the air shear stress induced by a Poiseuille flow in trees with symmetric bifurcations and with asymmetric bifurcations have similar behaviors. However, the asymmetric case presents a spread of the shear stresses in the distal part of the tree, and bronchi with similar properties can have very different shear stresses.This research, based on the alliance of mathematics, physics, biology and medicine, allowed to improve our understanding of both the bifurcation asymmetry, the bronchi compliance and their effect on the airflow hydrodynamic. Particularly, this allowed to further understand the influence of the air shear stress on the mucus flow during chest physiotherapy

Les maladies cardiovasculaires représentent actuellement une des premières causes de mortalité dans les pays développés liées à l’augmentation constante des facteurs de risques dans les populations. Différentes études cliniques ont montré que la rigidité artérielle était un facteur prédictif important pour ces maladies.Malheureusement, il s’avère difficile d’accéder expérimentalement à la valeur de ce paramètre. On propose une approche qui permet de déterminer numériquement la rigidité artérielle d’un réseau d’artères à partir d’un modèle monodimensionnel personnalisé de la variation temporelle de la section et du débit sanguin des artères. L’approche proposée résout le problème inverse associé au modèle réduit pour déterminer la rigidité de chaque artère, à l’aide de mesures non invasives de type IRM, echotracking ettonométrie d’aplanation.Pour déterminer la robustesse du modèle construit vis à vis de ses paramètres, une quantification d’incertitude a été effectuée pour mesurer la contribution de ceux-ci, soit seuls soit par interaction, à la variation de la sortie du modèle, ici la pression pulsée. Cette étude a montré que la pression pulsée numérique est un indicateur numérique robuste pouvant aider au diagnostic de l’hypertension artérielle.Nous pouvons ainsi offrir au praticien un outil numérique robuste et peu coûteux permettant un diagnostic précoce et fiable des risques cardiovasculaires pour tout patient simplement à partir d’un examen non invasif
Cardiovascular diseases are currently the leading cause of mortality in developed countries, due to the constant increase in risk factors in the population. Several prospective and retrospective studies have shown that arterial stiffness is an important predictor factor of these diseases. Unfortunately, these parameters are difficult to measure experimentally. We propose a numerical approach to determine the arterial stiffness of an arterial network using a patient specificone-dimensional model of the temporal variation of the section and blood flow of the arteries. The proposed approach estimates the optimal parameters of the reduced model, including the arterial stiffness, using non-invasive measurements such MRI, echotracking and tonometry aplanation. Different optimization results applied on experimental cases will be presented. In order to determine the robustness of the model towards its parameters, an uncertainty analysis hasbeen also carried out to measure the contribution of the model input parameters, alone or by interaction with other inputs, to the variation of model output, here the arterial pulse pressure. This study has shown that the numerical pulse pressure is a reliable indicator that can help to diagnose arterial hypertension.We can then provide the practitioner a robust patient-specific tool allowing an early and reliable diagnosis of cardiovascular diseases based on a non-invasive exam

Les nanoparticules (NPs) représentent un danger potentiel pour la santé des travailleurs et du grand public, notamment en cas d’exposition par voie respiratoire. Si une NP est évaluée in vivo comme toxique chez l’animal, cela peut inciter à prendre des mesures pour réduire l’exposition de l’Homme à celle-ci, avant qu’il y ait des conséquences sanitaires graves. Les études in vivo sont donc d’une importance capitale afin de diminuer les potentiels risques sanitaires des NPs pour l’Homme. Néanmoins, dans un contexte de réduction du nombre d’animaux utilisés et compte tenu du nombre important de NPs existantes et de leur grande diversité physico-chimique, la toxicologie a besoin de modèles alternatifs, comme le in vitro, permettant de prédire de manière fiable les potentiels effets pulmonaires chez l’Homme. Des progrès importants ont été faits pour développer des modèles in vitro pulmonaires plus physiologiques et des méthodes d’exposition permettant de simuler l’inhalation de NPs in vitro. Cependant, des incertitudes existent quant à la capacité de ces nouveaux modèles in vitro à prédire les réponses observées in vivo dans les poumons après exposition à des NPs. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail a été d’évaluer la capacité de plusieurs méthodes in vitro, de complexité différente, à prédire les effets toxiques observés in vivo chez le rat après exposition aiguë (24h) pulmonaire à des NPs métalliques faiblement solubles de TiO2 et de CeO2. Dans un premier temps, des expérimentations in vitro ont été effectuées afin d’évaluer si exposer des cellules alvéolaires à l’interface air-liquide (ALI) à des aérosols de NPs de TiO2 et de CeO2, générait des résultats différents par rapport à des expositions classiques à des suspensions en submergé. Dans un second temps, des expérimentations in vivo par aspiration intratrachéale ont été réalisées afin de comparer les réponses toxiques pulmonaires in vitro avec celles obtenues in vivo. Pour comparer les réponses pulmonaires in vivo et in vitro, des référentiels de dose similaires, notamment la masse par unité de surface ou par macrophage, ont été utilisés. Après 24h d’exposition, des réponses biologiques significatives (inflammation principalement) ont été observées in vitro à des doses inférieures à l’ALI par rapport au submergé. Nous avons par ailleurs souligné la nécessité de prendre en compte les doses réellement déposées sur les cellules ainsi que le débit de dose pour effectuer les comparaisons entre les deux méthodes d’exposition in vitro utilisées. Nous avons ensuite comparé les résultats in vitro avec ceux obtenus in vivo. Nous avons constaté que la méthode ALI générait des résultats plus prédictifs du in vivo, en termes de niveau d’activation des réponses toxiques à 24h. Finalement, nous avons établi un classement des quatre NPs utilisées dans notre étude et celles-ci ont été classées similairement in vivo et in vitro et quelle que soit la méthode utilisée in vitro. Nous avons par ailleurs montré l’importance de considérer la surface active des NPs pour établir ce classement. En conclusion, notre approche nous a permis de mieux évaluer le fossé existant entre le in vivo et le in vitro. Nos résultats soulignent l’intérêt d’utiliser des méthodes in vitro plus réalistes et plus proches de la physiologie humaine dans le but de modéliser les potentiels effets indésirables des NPs pour l’Homme. Cela ouvre des perspectives quant à l’utilisation et au développement de méthodologies in vitro de plus en plus représentatives des conditions d’exposition in vivo
Nanoparticles (NPs) represent a potential danger for workers and public, especially after inhalation. When a NP is shown toxic for the lungs in vivo in animals, this can incite regulators to implement measures to reduce human exposure risks. The in vivo studies are thus of utmost importance in reducing the potential health risks for humans. However, in a context of a diminution in the number of animals used in experimentations and considering the high number of NPs used and their physicochemical diversity, there is an urgent need for alternative methods, like the in vitro, which could be used to predict the potential health effects of NPs in human. Many progresses have been made recently to develop more physiological cell models and exposure methods simulating the inhalation of NPs in vitro. Nevertheless, uncertainties remain regarding the capacity of these new in vitro methods to predict the biological responses observed in vivo into the lungs after exposure to NPs. In this context, the aim of our study was to assess the ability of several in vitro methods, differing in complexity, to predict the adverse responses observed in vivo in rat lungs after acute exposure (24h) to several metallic and poorly soluble TiO2 and CeO2 NPs. For this, in vitro experimentations were first performed to assess if exposing alveolar cells in monoculture or in co-culture at the ALI interface to aerosols of NPs, generated different results compared to classic exposure in submerged conditions to suspensions. In a second step, rats were exposed by intratracheal aspiration of NP suspensions to compare the biological responses in vitro to those obtained in vivo. To compare the pulmonary responses in vivo and in vitro, similar dose metrics were selected, including the mass per surface unit or per macrophage. After 24h of exposure, significant biological responses (mostly inflammation) were observed at lower doses at the ALI compared to in submerged conditions. Moreover, we highlighted the necessity to take into account the deposited dose on the cells and the timing of the dose delivery in order to compare the two exposure methods used in vitro. When we compared the responses in vitro to those observed in vivo, we noticed that the ALI methods generated more predictive results than the submerged one, in term of biological activation levels after 24h of exposure. Finally, a ranking of the four NPs used in our study was provided and the NPs were ranked similarly both in vivo and in vitro and whatever the exposure method used in vitro. We also showed the importance of the surface area when ranking the poorly soluble NPs. In conclusion, the gap existing between the in vivo and the in vitro has been evaluated in our study. Our results highlighted the relevance of using more realistic in vitro exposure methods to model the potential adverse effects of NPs for human. This brings perspectives about using and developing in vitro methods mimicking more closely the in vivo exposure conditions

La compréhension du fonctionnement du corps humain est un challenge de recherche afin de prendre une décision médicale (le diagnostic, le traitement) adéquate dans le cas des pathologies liées au système musculosquelettique. Pour faire face à cette problématique, dans un premier temps, un modèle biomécanique a été développé décrivant la dynamique du mouvement avec prise en considération des caractéristiques géométriques (os et muscles) et mécaniques du système musculo-squelettique. Une étude de sensibilité de ces paramètres géométriques à partir des données de la littérature a montré l'importance de la personnalisation des ces paramètres. En application, un cas d'étude clinique d'un sujet présentant une pathologie (Polio) a été étudié. Deux modèles personnalisés (un sujet sain et un sujet pathologique) ont été développés. Les résultats obtenus ont montré l'intérêt d'une modélisation personnalisée pour évaluer et concevoir des orthèses personnalisés. Dans un deuxième temps, nous avons proposé une nouvelle classe de modèle - un méta modèle (Système d'Aide à la Décision) - intégrant des résultats du domaine de l'ingénierie des connaissances pour diagnostiquer et proposer un traitement des pathologies du système musculo-squelettique des membres inférieurs (anomalies rotationnelles (AR), enfants PC (Paralysie Cérébrale), pied bot). Ce système est générique, flexible, et extensible et permet donc l'étude et l'analyse de pathologies diverses du système musculo-squelettique des membres inférieurs. Enfin, une comparaison de ces deux approches de modélisation a été effectuée afin d'évaluer leur complémentarité pour une utilisation clinique
Understanding of the mechanical behavior of the human body is a challenge to take appropriate medical decisions (e. G. The patient's diagnosis or treatment). To solve this problem, first, a dynamic model of the musculoskeletal system of the lower limbs has been developed. A sensitivity analysis of the anthropometrical and geometrical parameters of the bones and muscles was performed with literature data. The computational results showed strong variations of kinematics and kinetics parameters function of the selected input data. All these findings suggest the development of patient specific musculoskeletal models using medical imaging technique for individualized geometrical parameters of the subjects. As clinical application, two personalized models were developed (a healthy subject with normal gait and a subject with gait disorders (Polio pathology)). This study showed the importance of personalized modeling to evaluate and design the Polio lower limb orthoses. Second, a new class of model was proposed as meta-model (Computer-Aided Decision System) combining knowledge-based engineering methods to diagnose and guide the clinical treatment of the disorders of the musculoskeletal system of the lower limbs. The ontology, the data mining, the belief theory and the artificial intelligence were applied to develop our meta-model. Three clinical applications (rotational anomalies, clubfeet deformities, and cerebral palsy) were studied in the first version of our system. Finally, the methodological confrontation of these two modeling approaches was carried out to highlight the strengths and also the weaknesses of each modeling approach

Les pathologies du système musculosquelettique concernant les déformations / anomalies osseuses et musculaires (e.g. paralysie cérébrale) ont un fort impact sur la qualité de vie des personnes concernées. Les objectifs de la thèse sont d’approfondir les études précédentes en intégrant la modélisation de l’incertitude des données biomécaniques et biomédicales dans les modèles de diagnostic prédictif des pathologies du système musculosquelettique. L’intervalle a été choisi pour représenter l’incertitude des données biomécaniques. Ce formalisme est simple et peu coûteux sur le plan du calcul. Les données (physiologiques, morphologiques, mécaniques et analyse du mouvement) ont été recueillies à partir de la littérature en utilisant les moteurs de recherche des articles scientifiques fiables pour établir un espace d’incertitude. La nouvelle méthode de classement (nommée US-ECM) proposée est une méthode de classement semi-supervisé qui utilise la partition crédale pour représenter les connaissances partielles sur les clusters. L’utilisation de la fonction de croyance pour représenter ces éléments de connaissance permet de les combiner d’une manière souple et robuste. De plus, l’extension de cette méthode avec un espace d’incertitude multidimensionnelle a montré la meilleure performance par rapport à la version originale. L’analyse des avis d’expert permettra d’inclure ou d’exclure les sources de données selon leurs niveaux de fiabilité. Ensuite, le modèle de regroupement (US-ECM) développé sera appliqué sur une nouvelle base de données pour évaluer l’impact de la fiabilité des données sur la performance de diagnostic
The aim of the project is to investigate the modeling of the reliability/incertitude/imprecision of biomedical and biomechanics data (medical images, kinematics/kinetics/EMG data, etc.) and its propagation in the predictive diagnosls models of the disorders of musculoskeletal systems. These diagnosis models will be based on multimodal and multidimensional patient data (3D medical imaging, mechanical data,dinical data,etc.). The literature-based data have been collected to estabish an uncertainty space, which represents fused data from multiple sources, of morphological, mechanical, and movement analysis properties of the musculoskeletal system from multiple sources (i.e. research papers from Science Direct and Pubmed). After that,a new clustering method (US-ECM) is proposed for integrating fused data from multiple sources ln form of a multidimensional uncertainty space (US). Reliability of biomechanical data was evaluated by a fusion approach expert opinion. Reliability criteria of a data source (ie scientific paper published) focus on the technique used the acquisition protocol and measurement and the number of data. A system of questionnaires was developed to co!lect expert opinion. Then, the theory of beliet functions has been applied to merge these opinion to establish a confidence level each data source

Ce manuscrit porte sur certaines extensions à des séries temporelles prenant des valeurs entières du modèle paramétrique périodique autorégressif établi pour des séries prenant des valeurs réelles. Les modèles que nous considérons sont basés sur l'utilisation de l'opérateur de Steutel et Van Harn (1979) et généralisent le processus autorégressif stationnaire à valeurs entières (INAR) introduit par Al-Osh & Alzaid (1987) à des séries de comptage périodiquement corrélées. Ces généralisations incluent l'introduction d'un opérateur périodique, la prise en compte d'une structure d’autocorrélation plus complexe dont l’ordre est supérieur à un, l'apparition d'innovations de variances périodiques mais aussi à inflation de zéro par rapport à une loi discrète donnée dans la famille des distributions exponentielles, ainsi que l’utilisation de covariables explicatives. Ces extensions enrichissent considérablement le domaine d'applicabilité des modèles de type INAR. Sur le plan théorique, nous établissons des propriétés mathématiques de nos modèles telles que l'existence, l'unicité, la stationnarité périodique de solutions aux équations définissant les modèles. Nous proposons trois méthodes d'estimation des paramètres des modèles dont une méthode des moments basée sur des équations du type Yule-Walker, une méthode des moindres carrés conditionnels, et une méthode du quasi maximum de vraisemblance (QML) basée sur la maximisation d'une vraisemblance gaussienne. Nous établissons la consistance et la normalité asymptotique de ces procédures d'estimation. Des simulations de type Monte Carlo illustrent leur comportement pour différentes tailles finies d'échantillon. Les modèles sont ensuite ajustés à des données réelles et utilisés à des fins de prédiction. La première extension du modèle INAR que nous proposons consiste à introduire deux opérateurs de Steutel et Van Harn périodiques, l'un modélisant les autocorrélations partielles d'ordre un sur chaque période et l'autre captant la saisonnalité périodique des données. Grâce à une représentation vectorielle du processus, nous établissons les conditions l'existence et d'unicité d'une solution périodiquement corrélées aux équations définissant le modèle. Dans le cas où les innovations suivent des lois de Poisson, nous étudions la loi marginale du processus. Á titre d'exemple d'application sur des données réelles, nous ajustons ce modèle à des données de comptage journalières du nombre de personnes ayant reçu des antibiotiques pour le traitement de maladies respiratoires dans la région de Vitória au Brésil. Comme les affections respiratoires sont fortement corrélées au niveau de pollution atmosphérique et aux conditions climatiques, la structure de corrélation des nombres quotidiens de personnes recevant des antibiotiques montre, entre autres caractéristiques, une périodicité et un caractère saisonnier hebdomadaire. Nous étendons ensuite ce modèle à des données présentant des autocorrélations partielles périodiques d'ordre supérieur à un. Nous étudions les propriétés statistiques du modèle, telles que la moyenne, la variance, les distributions marginales et jointes. Nous ajustons ce modèle au nombre quotidien de personnes recevant du service d'urgence de l'hôpital public de Vitória un traitement pour l'asthme. Enfin, notre dernière extension porte sur l'introduction d'innovations suivant une loi de Poisson à inflation de zéro dont les paramètres varient périodiquement, et sur l’ajout de covariables expliquant le logarithme de l'intensité de la loi de Poisson. Nous établissons certaines propriétés statistiques du modèle et nous mettons en oeuvre la méthode du QML pour estimer ses paramètres. Enfin, nous appliquons cette modélisation à des données journalières du nombre de personnes qui se sont rendues dans le service d'urgence d'un hôpital pour des problèmes respiratoires, et nous utilisons comme covariable la concentration de polluant dans la même zone géographique
This manuscript deals with some extensions to time series taking integer values of the autoregressive periodic parametric model established for series taking real values. The models we consider are based on the use of the operator of Steutel and Van Harn (1979) and generalize the stationary integer autoregressive process (INAR) introduced by Al-Osh & Alzaid (1987) to periodically correlated counting series. These generalizations include the introduction of a periodic operator, the taking into account of a more complex autocorrelation structure whose order is higher than one, the appearance of innovations of periodic variances but also at zero inflation by relation to a discrete law given in the family of exponential distributions, as well as the use of explanatory covariates. These extensions greatly enrich the applicability domain of INAR type models. On the theoretical level, we establish mathematical properties of our models such as the existence, the uniqueness, the periodic stationarity of solutions to the equations defining the models. We propose different methods for estimating model parameters, including a method of moments based on Yule-Walker equations, a conditional least squares method, and a quasi-maximum likelihood method based on the maximization of a Gaussian likelihood. We establish the consistency and asymptotic normality of these estimation procedures. Monte Carlo simulations illustrate their behavior for different finite sample sizes. The models are then adjusted to real data and used for prediction purposes.The first extension of the INAR model that we propose consists of introducing two periodic operators of Steutel and Van Harn, one modeling the partial autocorrelations of order one on each period and the other capturing the periodic seasonality of the data. Through a vector representation of the process, we establish the conditions of existence and uniqueness of a solution periodically correlated to the equations defining the model. In the case where the innovations follow Poisson's laws, we study the marginal law of the process. As an example of real-world application, we are adjusting this model to daily count data on the number of people who received antibiotics for the treatment of respiratory diseases in the Vitória region in Brazil. Because respiratory conditions are strongly correlated with air pollution and weather, the correlation pattern of the daily numbers of people receiving antibiotics shows, among other characteristics, weekly periodicity and seasonality. We then extend this model to data with periodic partial autocorrelations of order higher than one. We study the statistical properties of the model, such as mean, variance, marginal and joined distributions. We are adjusting this model to the daily number of people receiving emergency service from the public hospital of the municipality of Vitória for treatment of asthma. Finally, our last extension deals with the introduction of innovations according to a Poisson law with zero inflation whose parameters vary periodically, and on the addition of covariates explaining the logarithm of the intensity of the Poisson's law. We establish some statistical properties of the model, and we use the conditional maximum likelihood method to estimate its parameters. Finally, we apply this modeling to daily data of the number of people who have visited a hospital's emergency department for respiratory problems, and we use the concentration of a pollutant in the same geographical area as a covariate
Este manuscrito trata de algumas extensões para séries temporais de valores inteiros domodelo paramétrico periódico autorregressivo estabelecido séries temporais de valores reais. Osmodelos considerados baseiam-se no uso do operadorde Steutel e Van Harn (1979) e generalizamo processo autorregressivo depara números inteiros estacionários (INAR) introduzidos por Al-Osh & Alzaid(1987) para séries de contagem periodicamente correlacionadas. Essas generalizações incluem aintrodução de um operador periódico, a consideração de uma estrutura de autocorrelação mais complexa,cuja ordem é maior do que um, o aparecimentode inovações de variâncias periódicas, e também ainflação zero em relação a uma lei discreta dadana família de distribuições exponenciais, bem comoo uso de covariáveis explicativas. Essas extensões enriquecem muito o domínio de aplicabilidade dosmodelos do tipo INAR. No nível teórico, estabelecemospropriedades matemáticas de nossos modeloscomo a existência, a unicidade, e a estacionariedadeperiódica de soluções para as equações que definemos modelos. Propomos três métodos para estimarparâmetros de modelos, incluindo um métodode momentos baseado nas equações de Yule-Walker,um método de mínimos quadrados condicionais e ummétodo de quasi-máxima verossimilhança (QML) baseadona maximização de uma probabilidade Gaussiana. Estabelecemos a consistência e a normalidadeassintótica desses procedimentos de estimativa. Assimulações de Monte Carlo ilustram seus comportamentospara diferentes tamanhos de amostras finitas.Os modelos são então ajustados para dados reais eusados para fins de previsão. A primeira extensão domodelo INAR que propomos consiste na introdução de dois operadores periódicos de Steutel e VanHarn, o primeiro atua modelando as autocorrelações parciais de ordem um em cada período e o outro capturando a sazonalidade periódica dos dados.Através de uma representação vetorial do processo,estabelecemos as condições existência e unicidadede uma solução periodicamente correlacionada às equações que definem o modelo. No casoem que as inovações seguem as leis de Poisson,estudamos a lei marginal do processo. Como umexemplo de aplicação no mundo real, estamos ajustandoeste modelo aos dados diários de contagemdo número de pessoas que receberam antibióticos para o tratamento de doenças respiratórias na região de Vitória, Brasil. Como as condições respiratórias estão fortemente correlacionadas com a poluição doar e o clima, o padrão de correlação dos números diários de pessoas que recebem antibióticos mostra,entre outras características, a periodicidade semanale a sazonalidade. Em seguida, estendemosesse modelo para dados com autocorrelações parciaisperiódicas de ordem maior que um. Estudamosas propriedades estatísticas do modelo, como média,variância, distribuições marginais e conjuntas. Ajustamosesse modelo ao número diário de pessoascom problema respiratório que receberam atendimentode emergência no pronto-atendimento da redepública do município de Vitória. Finalmente, nossa última extensão trata da introdução de inovações de acordo com uma lei de Poisson com inflação zero cujos parâmetros variam periodicamente, e daadição de covariáveis explicando o logaritmo da intensidadeda lei de Poisson. Estabelecemos algumaspropriedades estatísticas do modelo e usamoso método QML para estimar seus parâmetros. Porfim, aplicamos essa modelagem aos dados diários sobre o número de pessoas que visitaram o departamentode emergência de um hospital por problemasrespiratórios e usamos como covariável a sérieconcentrações diárias e um poluente medido namesma área geográfica

Les bioprocédés environnementaux prennent une place de plus en plus importante dans le paysage industriel mondial. La complexité et la diversité des processus impliqués dans les réactions biologiques de dégradation des polluants limitent considérablement la compréhension et l’utilisation de ces procédés. De plus, les mesures disponibles pour le suivi de cette activité sont souvent hors-ligne et/ou indirectes. Dans ce cadre, les outils de modélisation phénoménologique permettent, via le choix d’hypothèses judicieuses, de lier les observations du système aux processus biologiques sous-jacents. Ces méthodes nécessitent néanmoins l’application d’une étude rigoureuse d’identifiabilité afin de pouvoir exploiter correctement les résultats obtenus. Les modèles ainsi développés permettent de capitaliser des connaissances sur la description des processus biologiques grâce aux mesures effectuées sur le système. Cette approche a été développé au travers de deux cas d’étude, correspondant à deux domaines d’application industrielle. La bioremédiation des sols contaminés aux hydrocarbures constitue la méthode la plus écologique de traitement des sols. Néanmoins, le processus de biodégradation peut être long, voire inexistant en fonction des conditions environnementales. Afin de mesurer l’efficacité de la dégradation, la mesure de la respiration en phase gaz apparaît comme étant l’observation la plus facile à mettre en œuvre. Le problème est que la simple mesure de la consommation d’oxygène est généralement insuffisante. Pour répondre à cette limite, un modèle capable d’expliquer les évolutions du quotient respiratoire apparent grâce aux différentes étapes de la biodégradation a été développé. Cette mesure pourrait alors donner une indication sur l’efficacité de la biodégradation. La seconde partie de ce travail, plus conséquente, s’intéresse à l’épuration des eaux usées par boues activées, elle reprend et amplifie l’approche méthodologique développée pour la biomédiation des sols. L’efficacité de ce traitement des eaux est grandement liée à la production de boues en excès, exprimée par le rendement hétérotrophe. Ce paramètre difficile à maitriser constitue une information primordiale pour la modélisation et la conduite des stations d’épurations. Il apparaît néanmoins que sa définition usuelle ne suffit pas à expliquer ses variations observées. Dans ce cadre, différents modèles phénoménologiques issus des travaux du groupe de travail ASM (Activated Sludge Modeling) ont été étudiés afin de décrire les variations de ce rendement apparent en introduisant les hypothèses réactionnelles liées au stockage du substrat. Une étude expérimentale en laboratoire a permis de confronter ces hypothèses à des mesures de dégradation de substrats purs par des boues activées en respiromètre. L’équilibre entre le stockage du substrat et la croissance bactérienne a ainsi été proposé comme source d’influence majeure sur la valeur du rendement. Ce travail a abouti à une clarification nécessaire de la définition du rendement hétérotrophe
Environmental bioprocesses are gaining importance in the industrial landscape. Nevertheless, the complexity of mechanisms involved in biological reactions stays an issue for their implementation. Moreover, available measurements of biological activity are often off-tine and/or indirect. ln this context, phenomenological modeling tools are a solution to link observations of the system to underlying biological reactions, considering the right hypotheses. These methods require a rigorous sensitivity analysis in order to properly process the results. Thus, the models permit to obtain precise knowledge about biological systems thanks to indirect measurement. This approach was developed throughout two cases of study corresponding to two industrial fields of application. Bioremediation is the most ecological method for hydrocarbons contaminated soils remediation. Nevertheless, biodegradation can be long or absent depending on environmental conditions. In order to measure its efficiency, respiration measurement in the gas phase seems to be the easiest observation to implement. Oxygen measurement can be insufficient on its own, that is why a model able to describe the evolution of the apparent respiratory quotient has been developed considering the different steps of biodegradation. This observation alone could give insights on the efficiency of biodegradation. The second part of this work deals with activated sludge wastewater treatment using the theoretical approach developed for soil bioremediation. The eftïciency ofthe process depends on the excess production of sludge, which is linked to the heterotrophic yield of the reaction. This parameter is a key component for modeling and optimization of wastewater treatment plant. Most of the time, its common definition is not sufficient to explain its observed variations. In this context, several phenomenological models derived from the activated sludge models were studied to explain these variations, taking into account the substrate storage process. An experimental study was conducted in order to confront the reactional hypothesis of the models to actual measurements of single substrate degradations in respirometer. The balance between substrate storage and direct growth was proposed as a main component of the yield value. This study resulted in a necessary clarification of the heterotrophic yield definition

Les nématodes gastro-intestinaux sont l’une des contraintes majeures pour la santé des petits ruminants mis en pâture, entraînant de nombreuses pertes de production. Leur contrôle au moyen de traitements anthelminthiques est de moins en moins efficace à cause du développement de la résistance larvaire. De nombreuses recherches ont mené à l’étude de différentes stratégies complémentaires à l’utilisation massive de ces traitements chimiques : nutrition de l’hôte, gestion des pâtures, sélection génétique. Une approche de modélisation permet de simuler de multiples scénarios en minimisant l’effort expérimental, et notamment le recours à des infestations coûteuses en animaux, afin de trouver la meilleure stratégie de lutte intégrée du parasitisme. Le modèle épidémio-génétique précédemment développé par le Roslin Institute modélisant un troupeau d’agneaux en croissance infecté par le parasite T. circumcincta permet d’étudier l’impact d’une utilisation raisonnée des traitements, de la nutrition et de la résistance de l’hôte sur le niveau d’infection et de production du troupeau. Les travaux de la présente thèse consistaient à modifier ce modèle afin de modéliser des brebis adultes, notamment autour de la période d’agnelage où les besoins nutritionnels sont très importants. Cette modélisation a été complétée par la prise en compte du renouvellement d’un troupeau afin de considérer un troupeau durable, avec des accouplements, des réformes et des reproductions. Ainsi, notre modèle permet d’étudier les différentes stratégies de contrôle du parasite sur le long terme. Afin de s’assurer de la cohérence des sorties de cette modélisation avec des données réelles, le niveau d’infection a été comparé à celui de femelles infestées autour de l’agnelage. Cependant, comme de nombreux paramètres sont propres à la modélisation et donc non estimables à partir d’expérimentations, une analyse de sensibilité a aussi été mise en place pour dégager les paramètres qui contribuaient le plus à la variation du niveau d’infection. Parmi les parasites les plus fréquents chez le mouton, on trouve deux parasites majeurs T. circumcincta et H. contortus. Le parasite H. contortus est le plus virulent dans des climats chauds et humides, il nous paraissait donc utile de développer un nouveau modèle prenant en compte ce parasite. Préalablement, une méta-analyse des études utilisant des infections par le parasite H. contortus a été réalisée afin d’estimer les traits de vie du cycle parasitaire de ce parasite. Ces estimations ont ensuite été utilisées pour adapter le modèle épidémio-génétique à des infections par H. contortus. Cependant certains paramètres restent inconnus car ils ne sont pas estimables directement. C’est pourquoi nous avons réalisé l’estimation des trois paramètres inconnus principaux de notre modèle (précédemment soulignés par l’analyse de sensibilité sur T. circumcincta) en minimisant les écarts entre le niveau de charge parasitaire reportée dans une étude considérant des infestations successive par H. contortus ([25]) et nos simulations correspondantes. Dans cette thèse nous avons développé des modèles permettant d’évaluer sur le long terme les différentes stratégies de contrôle de deux nématodes gastro-intestinaux (T. circumcincta et H. contortus) dans les troupeaux ovins. Notamment, le modèle prenant en compte H. contortus pourra être utilisé pour prédire l’impact à l’échelle de l’élevage (nombre de traitements nécessaire, niveau d’infection des animaux) d’une sélection génétique sur la résistance au parasitisme dans une race. Les nématodes gastro-intestinaux sont l’une des contraintes majeures pour la santé des petits ruminants mis en pâture, entraînant de nombreuses pertes de production. Leur contrôle au moyen de traitements anthelminthiques est de moins en moins efficace à cause du développement de la résistance larvaire.
Gastro-intestinal parasitism is one of the most pervasive challenge for health and welfare in grazing small ruminants, leading to consequent production loss. Its control through the use of anthelminthic treatments is no longer sustainable due to the development of parasitic resistance to anthelmintics, but also due to environmental and consumer concerns. A substantial research effort proposed different supplementary control strategies to the massive use of anthelmintics: host nutrition, pasture management, breeding for resistance. Modelling approach allows for multiple scenarios to be considered without having to resort to experimentation in order to find the best integrated control strategies of parasitism. The epidemio-genetic model previously developed by the Roslin Institute modelling a growing lamb flock infected by the parasite T. circumcincta help to study the impact of rational use of anthelmintics, host nutrition and resistance on the flock level of infection and production. The researches of the current PhD thesis aimed to modify this model in order to add adult ewes modelling, especially around parturition where the nutritional requirements are very high. This modelling was improved by taking into account flock replacement in order to have a persistent flock with matings, reforms and reproductions. In this way, our model allows to study several control strategies of parasitism on long term perspective. In order to ensure adequacy of the model outputs to data, the infection level was compared to published data of ewes infected around parturition. However, some parameters were idiosyncratic to the modelling and then they were not be directly estimated from experiments. So a sensitivity analysis was also performed to highlight the parameters which mostly contribute to the infection level variations. Among the most prevalent parasites in sheep, T. circumcincta and H. contortus are the two main parasites. H. contortus is the most virulent parasite est le plus virulent parasite in hot and wet climates, so it is helpful to develop a similar model for this parasite. Beforehand, a meta-analysis of the published studies on infections with the H. contortus parasite was performed to estimate the main life history traits of its parasitic phase. Then, these estimations were used to change the epidemio-genetic model with H. contortus infections. However, some parameters remained unknown because they were not directly estimable. So, the three main unknown parameters (previously highlighted by the sensitivity analysis of the model with T. circumcincta infections) were estimated by minimizing the worm burden differences between published data of H. contortus trickle infection ([25]) and the corresponding model outputs. In this PhD thesis, models were developed in order to evaluate, in a long term perspective, several control strategies of two gastro-intestinal nematodes (T. circumcincta et H. contortus) infections in sheep flock. Notably, the model on H. contortus infections could be used to predict the impact of breeding for resistance to parasitism at the flock level (number of necessary treatments, infection level of the sheep)

Cette thèse est consacrée à la modélisation de la ventilation mécanique chez l'humain et à l'analyse numérique des systèmes en découlant. Des simulations directes d'écoulement d'air dans l'ensemble des voies aériennes étant impossibles (maillages indisponibles et géométrie trop complexe), il est nécessaire de considérer un domaine d'intérêt réduit, qui implique de travailler dans une géométrie tronquée, comportant des frontières artificielles ou encore de considérer des modèles réduits simples mais représentatifs. Si on cherche à effectuer des simulations numériques 3D où l'écoulement du fluide est décrit par les équations de Navier-Stokes, différentes problématiques sont soulevées :- Si on considère que la ventilation est la conséquence de différences de pression, les conditions aux limites associées sont des conditions de type Neumann. Cela aboutit à des questions théoriques en terme d'existence et d'unicité de solution et à des questions numériques en terme de choix de schémas et de méthodes adaptées.- Lorsque l'on travaille dans un domaine tronqué, il peut être nécessaire de prendre en compte les phénomènes non décrits grâce à des modèles réduits appropriés. Ici nous considérons des modèles 0D. Ces couplages 3D/0D sont à l'origine d'instabilités numériques qu'on étudie mathématiquement et numériquement dans ce manuscrit. Par ailleurs, lorsqu'on s'intéresse à des régimes de respiration forcée, les modèles usuels linéaires sont invalidés par les expériences. Afin d'observer les différences entre les résultats expérimentaux et numériques, il est nécessaire de prendre en compte plusieurs types de non linéarités, comme la déformation du domaine ou les phénomènes de type Bernoulli. Une approche par modèles réduits est adoptée dans ce travail.Pour finir, on a cherché à valider les modèles obtenus en comparant des résultats numériques et des résultats expérimentaux dans le cadre d'un travail interdisciplinaire.Parvenir à modéliser et simuler ces écoulements permet de mieux comprendre les phénomènes et paramètres qui entrent en jeu lors de pathologies (asthme, emphysème...). Un des objectifs à moyen terme est d'étudier l'influence du mélange hélium-oxygène sur le dépôt d'aérosol, toujours dans le cadre du travail interdisciplinaire. A plus long terme, l'application de ces modèles à des situations pathologiques pourrait permettre de construire des outils d'aide à la décision dans le domaine médical (compréhension de la pathologie, optimisation de thérapie...)
In this thesis, we study the modelling of the human mecanical ventilation and the numerical analysis of linked systems. Direct simulations of air flow in the whole airways are impossible (complex geometry, unavailable meshes). Then a reduced area of interest can be considered, working with reduced geometries and artificial boundaries. One can also use reduced models, simple but realistic. If one try to make 3D numerical simulations where the fluid flow is described by the Navier-Stokes equations, various issues are raised:- If we consider that ventilation is the result of pressure drops, the associated boundary conditions are Neumann conditions. It leads to theoretical questions in terms of existence and uniqueness of solution and numerical issues in terms of scheme choice and appropriate numerical methods.- When working in a truncated domain, it may be necessary to take into account non-described phenomena with appropriate models. Here we consider 0D models. These 3D/0D couplings imply numerical instabilities that we mathematically and numerically study in this thesis.Furthermore, when we focus on forced breathing, linear usual models are invalidated by experiments. In order to observe the differences between the experimental and numerical results, it is necessary to take into account several types of non-linearities, such as deformation of the domain or the Bernoulli phenomenon. A reduced model approach is adopted in this work. Finally, we sought to validate the obtained models by comparing numerical and experimental results in the context of interdisciplinary work.Achieving model and simulate these flows allow to better understand phenomena and parameters that come into play in diseases (asthma, emphysema ...). A medium-term objective is to study the influence of helium-oxygen mixture in the aerosol deposition. In the longer term, the application of these models to pathological situations could afford to build decision support tools in the medical field (understanding of pathology, therapy optimization ...)

Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet Mivana, est consacrée à la modélisation et à la simulation numérique de dispositifs cardiaques implantables. Ce projet est mené par les start-up Kephalios et Epygon, concepteurs de solutions chirurgicales non invasives pour le traitement de la régurgitation mitrale. La conception et la simulation de tels dispositifs nécessitent des méthodes numériques efficaces et précises capables de calculer correctement l’hémodynamique cardiaque. C’est le but principal de cette thèse. Dans la première partie, nous décrivons le système cardiovasculaire et les valves cardiaques avant de présenter quelques éléments de théorie concernant la modélisation mathématique de l’hémodynamique cardiaque. En fonction du degré de complexité adopté pour la modélisation des feuillets de la valve, deux approches sont identifiées : le modèle de surfaces résistives immergées et le modèle complet d’interaction fluide-structure. Dans la deuxième partie, nous étudions la première approche qui consiste à combiner une modélisation réduite de la dynamique des valves avec un découplage cinématique de l’hémodynamique cardiaque et de l’électromécanique. Nous l’enrichissons de données physiologiques externes pour la simulation correcte des phases isovolumétriques, pierres angulaires du battement cardiaque, permettant d’obtenir un modèle relativement précis qui évite la complexité des problèmes entièrement couplés. Ensuite, une série d’essais numériques sur des géométries 3D physiologiques, impliquant la régurgitation mitrale et plusieurs configurations de valves immergées, illustre la performance du modèle proposé. Dans la troisième et dernière partie, des modèles complets d’interaction fluide-structure sont considérés. Ce type de modélisation est nécessaire pour étudier des problèmes plus complexes où la précédente approche n’est plus satisfaisante, comme par exemple le prolapsus de la valve mitrale ou la fermeture d’une valve mécanique. D’un point de vue numérique, le développement de méthodes précises et efficaces est indispensable pour pouvoir simuler de tels cas physiologiques. Nous considérons alors une étude numérique complète dans laquelle plusieurs méthodes de maillages non compatibles sont comparées. Puis, nous présentons un nouveau schéma de couplage explicite dans le cadre d’une méthode de type domaine fictif pour lequel la stabilité inconditionnelle au sens de la norme en énergie est démontrée. Plusieurs exemples numériques en 2D sont proposés afin d’illustrer les propriétés et les performances de ce schéma. Enfin, cette méthode est finalement utilisée pour la simulation numérique 2D et 3D de dispositifs cardiovasculaires implantables dans un modèle complet d’interaction fluide-structure
This thesis, taking place in the context of the Mivana project, is devoted to the modeling and to the numerical simulation of implantable cardiovascular devices. This project is led by the start-up companies Kephalios and Epygon, conceptors of minimally invasive surgical solutions for the treatment of mitral regurgitation. The design and the simulation of such devices call for efficient and accurate numerical methods able to correctly compute cardiac hemodynamics. This is the main purpose of this thesis. In the first part, we describe the cardiovascular system and the cardiac valves before presenting some standard material for the mathematical modeling of cardiac hemodynamics. Based on the degree of complexity adopted for the modeling of the valve leaflets, two approaches are identified: the resistive immersed surfaces model and the complete fluidstructure interaction model. In the second part, we investigate the first approach which consists in combining a reduced modeling of the valves dynamics with a kinematic uncoupling of cardiac hemodynamics and electromechanics. We enhance it with external physiological data for the correct simulation of isovolumetric phases, cornerstones of the heartbeat, resulting in a relatively accurate model which avoids the complexity of fully coupled problems. Then, a series of numerical tests on 3D physiological geometries, involving mitral regurgitation and several configurations of immersed valves, illustrates the performance of the proposed model. In the third and final part, complete fluid-structure interaction models are considered. This type of modeling is necessary when investigating more complex problems where the previous approach is no longer satisfactory, such as mitral valve prolapse or the closing of a mechanical valve. From the numerical point of view, the development of accurate and efficient methods is mandatory to be able to compute such physiological cases. We then consider a complete numerical study in which several unfitted meshes methods are compared. Next, we present a new explicit coupling scheme in the context of the fictitious domain method for which the unconditional stability in the energy norm is proved. Several 2D numerical examples are provided to illustrate the properties and the performance of this scheme. Last, this method is finally used for 2D and 3D numerical simulation of implantable cardiovascular devices in a complete fluid-structure interaction framework

Le réseau artériel du système cardiovasculaire (SCV) est composé de deux sous-systèmes, la macrocirculation (artères élastiques et musculaires) et la microcirculation (artérioles et capillaires), qui interagissent afin de permettre une adaptation optimale de l'organisme aux différentes perturbations rencontrées. Avec l'âge et/ou des facteurs de risque comme l'hypertension, des lésions apparaissent au niveau du réseau artériel et le couplage macrocirculation/microcirculation semble avoir un rôle important dans le développement des pathologies vasculaires. Une meilleure appréhension de ce couplage pourrait permettre de mieux comprendre les processus physiopathologiques de certaines maladies vasculaires. Nous avons ainsi étudié les interactions entre la macrocirculation et la microcirculation sanguines à l'aide de deux approches : (1) l'analyse et le traitement de signaux physiologiques, (2) la construction d'un modèle du SCV. Suite à l'acquisition simultanée de signaux issus du coeur, de la macrocirculation et de la microcirculation, chez des sujets sains, nous avons mis en oeuvre différents concepts de traitement du signal (analyse spectrale, analyse multifractale, entropie multi-échelle) qui nous ont permis de mettre en évidence de potentielles relations entre la macrocirculation et la microcirculation sanguines. Parallèlement, nous avons développé un modèle du SCV capable de prédire les courbes de pression et de débit dans les réseaux macrocirculatoire et microcirculatoire. Ce modèle permet, en outre, d'observer les interactions entre la macrocirculation et la microcirculation dans des conditions normales et pathologiques.

Les simulations numériques des écoulements sanguins cardiovasculaires peuvent combler d’importantes lacunes dans les capacités actuelles de traitement clinique. En effet, elles offrent des moyens non invasifs pour quantifier l’hémodynamique dans le cœur et les principaux vaisseaux sanguins chez les patients atteints de maladies cardiovasculaires. Ainsi, elles permettent de recouvrer les caractéristiques des écoulements sanguins qui ne peuvent pas être obtenues directement à partir de l’imagerie médicale. Dans ce sens, des simulations personnalisées utilisant des informations propres aux patients aideraient à une prévision individualisée des risques. Nous pourrions en effet, disposer des informations clés sur la progression éventuelle d’une maladie ou détecter de possibles anomalies physiologiques. Les modèles numériques peuvent fournir également des moyens pour concevoir et tester de nouveaux dispositifs médicaux et peuvent être utilisés comme outils prédictifs pour la planification de traitement chirurgical personnalisé. Ils aideront ainsi à la prise de décision clinique. Cependant, une difficulté dans cette approche est que, pour être fiables, les simulations prédictives spécifiques aux patients nécessitent une assimilation efficace de leurs données médicales. Ceci nécessite la solution d’un problème hémodynamique inverse, où les paramètres du modèle sont incertains et sont estimés à l’aide des techniques d’assimilation de données.Dans cette thèse, le problème inverse pour l’estimation des paramètres est résolu par une méthode d’assimilation de données basée sur un filtre de Kalman d’ensemble (EnKF). Connaissant les incertitudes sur les mesures, un tel filtre permet la quantification des incertitudes liées aux paramètres estimés. Un algorithme d’estimation de paramètres, basé sur un filtre de Kalman d’ensemble, est proposé dans cette thèse pour des calculs hémodynamiques spécifiques à un patient, dans un réseau artériel schématique et à partir de mesures cliniques incertaines. La méthodologie est validée à travers plusieurs scenarii in silico utilisant des données synthétiques. La performance de l’algorithme d’estimation de paramètres est également évaluée sur des données expérimentales pour plusieurs réseaux artériels et dans un cas provenant d’un banc d’essai in vitro et des données cliniques réelles d’un volontaire (cas spécifique du patient). Le but principal de cette thèse est l’analyse hémodynamique spécifique du patient dans le polygone de Willis, appelé aussi cercle artériel du cerveau. Les propriétés hémodynamiques communes, comme celles de la paroi artérielle (module de Young, épaisseur de la paroi et coefficient viscoélastique), et les paramètres des conditions aux limites (coefficients de réflexion et paramètres du modèle de Windkessel) sont estimés. Il est également démontré qu’un modèle appelé compartiment d’ordre réduit (ou modèle dimension zéro) permet une estimation simple et fiable des caractéristiques du flux sanguin dans le polygone de Willis. De plus, il est ressorti que les simulations avec les paramètres estimés capturent les formes attendues pour les ondes de pression et de débit aux emplacements prescrits par le clinicien
Cardiovascular blood flow simulations can fill several critical gaps in current clinical capabilities. They offer non-invasive ways to quantify hemodynamics in the heart and major blood vessels for patients with cardiovascular diseases, that cannot be directly obtained from medical imaging. Patient-specific simulations (incorporating data unique to the individual) enable individualised risk prediction, provide key insights into disease progression and/or abnormal physiologic detection. They also provide means to systematically design and test new medical devices, and are used as predictive tools to surgical and personalize treatment planning and, thus aid in clinical decision-making. Patient-specific predictive simulations require effective assimilation of medical data for reliable simulated predictions. This is usually achieved by the solution of an inverse hemodynamic problem, where uncertain model parameters are estimated using the techniques for merging data and numerical models known as data assimilation methods.In this thesis, the inverse problem is solved through a data assimilation method using an ensemble Kalman filter (EnKF) for parameter estimation. By using an ensemble Kalman filter, the solution also comes with a quantification of the uncertainties for the estimated parameters. An ensemble Kalman filter-based parameter estimation algorithm is proposed for patient-specific hemodynamic computations in a schematic arterial network from uncertain clinical measurements. Several in silico scenarii (using synthetic data) are considered to investigate the efficiency of the parameter estimation algorithm using EnKF. The usefulness of the parameter estimation algorithm is also assessed using experimental data from an in vitro test rig and actual real clinical data from a volunteer (patient-specific case). The proposed algorithm is evaluated on arterial networks which include single arteries, cases of bifurcation, a simple human arterial network and a complex arterial network including the circle of Willis.The ultimate aim is to perform patient-specific hemodynamic analysis in the network of the circle of Willis. Common hemodynamic properties (parameters), like arterial wall properties (Young’s modulus, wall thickness, and viscoelastic coefficient) and terminal boundary parameters (reflection coefficient and Windkessel model parameters) are estimated as the solution to an inverse problem using time series pressure values and blood flow rate as measurements. It is also demonstrated that a proper reduced order zero-dimensional compartment model can lead to a simple and reliable estimation of blood flow features in the circle of Willis. The simulations with the estimated parameters capture target pressure or flow rate waveforms at given specific locations

This thesis presents three main contributions in the context of modeling and simulation of physiological systems. The first one is a formalization of the methodology involved in multi-formalism and multi-resolution modeling. The second one is the presentation and improvement of a modeling and simulation framework integrating a range of tools that help the definition, analysis, usage and sharing of complex mathematical models. The third contribution is the application of this modeling framework to improve diagnostic and therapeutic strategies for clinical applications involving the cardiovascular system: hypertension-based heart failure (HF) and coronary artery disease (CAD). A prospective application in cardiac resynchronization therapy (CRT) is also presented, which also includes a model of the therapy. Finally, a final application is presented for the study of the baroreflex responses in the newborn lamb. These case studies include the integration of a pulsatile heart into a global cardiovascular model that captures the short and long term regulation of the cardiovascular system with the representation of heart failure, the analysis of coronary hemodynamics and collateral circulation of patients with triple-vessel disease enduring a coronary artery bypass graft surgery, the construction of a coupled electrical and mechanical cardiac model for the optimization of atrio ventricular and intraventricular delays of a biventricular pacemaker, and a model-based estimation of sympathetic and vagal responses of premature newborn lambs.