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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Sciences de l’ingénieur
Spécialité : Ingénierie biomédicale

Par

Adrien KERFOURN

Soutenue le 26 novembre 2015

Modélisation du système cardio-respiratoire : remodelage cardiaque et interactions patient-ventilateur
Jury Rapporteur
Laurent Laval, MCU, Université de Versailles
François Lusseyran, Directeur de Recherche, Université Paris-Sud
Examinateur
Virginie Le Rolle, MCU, Université de Rennes
Didier Menguy, Directeur général, Breas Medical, Lyon
Jean-François Muir, PU-PH, Université de Rouen
Président du jury
Paul Mulder, PU-PH, Université de Rouen
Directeur de thèse
Christophe Letellier, PU, Université de Rouen
Co-Directrice de thèse
Bouchra Lamia, PH, CHU de Rouen
Invité
Christine Cheval, PH, Hôpital San Salvadour, Hyères

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 cardiovasculaire, 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 cardiorespiratoire.

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 patientventilator 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.

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