L'objectif de cette thèse était d'une part la caractérisation des muscles respiratoires lors d'un effort incrémental jusqu'à l'épuisement et d'autre part, l'étude des effets de l'entraînement et de désentraînement spécifique des muscles inspiratoires. La première étude a confirmé le développement de la fatigue musculaire respiratoire lors d'un exercice incrémental maximal. À travers l'enregistrement de l'oxygénation au niveau du 7ème espace intercostal, la deuxième étude a montré la réduction de la désoxygénation des intercostaux et de la fatigue des muscles inspiratoires avec un exercice inspiratoire antérieur. Ensuite, nous avons montré que 5 semaines d'entraînement spécifique des muscles inspiratoires (IMT) que ce soit à haute ou à basse intensité réduit la fatigue musculaire respiratoire induite par l'exercice incrémental maximal. Cette réduction corrobore la diminution parallèle observée dans l'utilisation de l'O2 au niveau des muscles intercostaux et donc de leurs demandes métaboliques en lien avec la diminution de leur fatigabilité (Études 3 et 4). Ceci pourrait refléter une augmentation de l'apport d'oxygène au niveau des muscles locomoteurs. Ces améliorations étaient plus importantes avec l'IMT à haute résistance. Néanmoins, ces phénomènes adaptatifs gagnés à l'IMT étaient perdus après 10 semaines de désentraînement (Étude 5). Toutefois, la réduction de la fréquence d'IMT à deux séances par semaine tout en préservant la même charge résistive était suffisante pour maintenir les adaptations déjà obtenues. Les travaux de cette thèse ont donc mis en évidence l'implication des muscles respiratoires dans la limitation de l'effort incrémental jusqu'à l'épuisement et ont contribué à mieux comprendre les mécanismes explicatifs de l'amélioration de la performance après l'IMT et en particulier la fatigue et l'oxygénation musculaire respiratoire / The aim of thesis was on one hand to characterize the respiratory muscles during an incremental effort until exhaustion and on the other hand, to study the effects of specific inspiratory muscle training and detraining. We first confirmed the development of respiratory muscle fatigue during a maximal incremental exercise. Through recording of oxygenation at the 7th intercostal space, the second study showed reduced intercostal muscle deoxygenation and inspiratory muscle fatigue with a prior inspiratory exercise. Then, we showed that 5 weeks of specific inspiratory muscle training (IMT), whether at high or low intensity, reduces respiratory muscle fatigue induced by maximal incremental exercise. This reduction corroborates the parallel decrease observed in the intercostal muscle oxygen utilization and therefore in their metabolic demands in relation to their fatigability decrease (Study 3 and 4). This may reflect an increase in the oxygen supply of the locomotor muscles. These improvements were greater with high-resistance IMT. However, the IMT induced adaptations were lost after 10 weeks of detraining (Study 5). Nevertheless, reducing training frequency by up to two sessions per week while preserving the same training load was sufficient to maintain the already achieved adaptations. These results highlighted the respiratory muscle implication in the limitation of incremental effort until exhaustion and have contributed to a better understanding of the mechanisms underlying the improvement of performance after IMT particularly respiratory muscle oxygenation and fatigue

Thèse d'exercice : Médecine. Médecine générale : Université de Nantes : 2007. / Bibliogr.

L'objectif de ce travail était d'étudier l'oxygénation globale et musculaire au cours de l'exercice intense tout en vérifiant les hypothèses explicatives de l'excès (Δ) de VO2 et la composante lente (CL) de VO2 observés respectivement au cours de l'exercice incrémental et à charge constante. La première étude a renforcé le lien entre ΔVO2 et le travail respiratoire. La deuxième étude a montré les importantes sollicitations des muscles respiratoires au cours de l'exercice à charge constante corrélées avec CL VO2 comparées à l'exercice incrémental. De plus, cette étude a permis à travers de l'enregistrement de l'oxygénation au niveau du vaste externe de confirmer l'existence CL VO2 et l'absence ΔVO2 local. Malgré les origines communes entre CL VO2 et ΔVO2, ces deux phénomènes ne sont pas de corrélés. La corrélation entre l'oxygénation globale et locale au cours de l'exercice à charge constante nous a conduits à la troisième étude s'intéressant à investiguer cette relation en fonction de l'intensité de l'exercice. En effet, cette corrélation a été impactée par l'intensité avec une composante lente locale qui n'était pas différente entre les deux intensités. Associé à ceci, le taux total d'hémoglobine a diminué à l'exercice sévère avec des sollicitations ventilatoires plus importantes comparées à l'exercice intense. Dans ce sens, la dernière étude révèle que l'endurance des muscles respiratoire est corrélée à la baisse de saturation tissulaire en oxygène au niveau du vaste externe à la fin de l'exercice ainsi qu'à la performance.Ces résultats contribuent à la compréhension de l'oxygénation globale et musculaire et en particulier ΔVO2 et CL VO2 et leurs origines / The aim of this work was to study whole-body and muscle oxygenation during heavy exercise with checking of underpinning mechanisms of excess (Δ) VO2 and VO2 slow component (SC) observed during incremental and constant-load exercises, respectively.The first study has endorsed the link between ΔVO2 and respiratory work. The second study highlighted the higher solicitation of respiratory muscles during the constant-load exercise correlated to the VO2 SC compared to incremental exercise. Additionally, this study confirms by means of recorded vastus lateralis oxygenation responses the existence of VO2 SC and the lack of ΔVO2. Even mechanistic basis induced VO2 SC and ΔVO2 are the same, a lack of correlation was observed between these phenomena. The significant correlation observed between whole-body and local oxygenation during the constant-load exercise has led us to investigate the effect of exercise intensity on this relationship in the third study. The local VO2 SC did not differ between two exercises intensities and its relationship with the whole-body VO2 SC was impacted. Furthermore, the total hemoglobin and ventilatory work have decreased and increased, respectively during severe compared to heavy exercise. In this context, the last study shows that respiratory muscles endurance is correlated to the decrease of vastus lateralis tissue oxygen saturation at the end of exercise and performance. These results contribute to the understanding of global and muscle oxygenation and especially ΔVO2, VO2 SC and their underpinning mechanisms

Certains enfants souffrant de maladies bronchopulmonaires et de maladies neuromusculaires présentent lors de l'évaluation de la force des muscles respiratoires des valeurs anormales et évaluent mal leur état dyspnéique. Le peu de gène respiratoire ressenti par ces patients permet d'émettre l'hypothèse qu'une anomalie de l'intégration corticale des afférences somesthésiques d'origines respiratoires serait responsable. Une nouvelle technique d'exploration neurophysiologique, les potentiels évoqués respiratoires (PER) provoqués par l'occlusion des voies aériennes permet d'investiguer cette voie.Des manoeuvres volitionnelles d'évaluation de la force des muscles respiratoires (Sniffs et SNIP) et non volitionnels (stimulation magnétique) ainsi que les PER ont été enregistrés chez des enfants sains et atteints de pathologies respiratoires et neuromusculaires.Les valeurs de force des muscles respiratoires enregistrées dans les différents groupes étaient semblables. Les composantes des PER enregistrées au sommet de la pariétale ascendante (C3-Cz ; C4-Cz) ont toutes été retrouvées chez les enfants sains et les enfants malades. Seules N1 et P2 ont été plus souvent recueillies chez les patients atteints de maladies neuromusculaires que chez les enfants souffrant de pathologies bronchopulmonaires (p < 0,005).Ces études ont montré que la force des muscles respiratoires peut être évaluée par différentes manœuvres chez les enfants atteints de maladies pulmonaires chroniques et de maladies neuromusculaires et que ces enfants présentent des altérations des PER. / Some children with chronic lung and neuromuscular diseases showed abnormal values of respiratory muscle strength and misjudge their dyspneic state. These breathing difficulties allow us to hypothesize an abnormal integration of cortical somatosensory afferents. A new neurophysiological approach, Respiratory Related Evoked Potentials (RREPs) caused by upper airways occlusion allows to investigate this pathway.Volitional manoeuvres assessment of the strength of respiratory muscles (Sniff and SNIP) and non-volitional (Magnetic stimulation) and RREPs were recorded in healthy and children suffering from respiratory and neuromuscular diseases.Respiratory muscle strength values recorded in different groups by these techniques were similar. The components of RREPs recorded at C3-Cz and C4-Cz have all been found in healthy children and patients. Only N1 and P2 were more often collected from patients with neuromuscular diseases than in children with lung disease (p <0.005).These studies have shown that muscle strength breathing can be assessed by different manoeuvres in children with chronic lung diseases, neuromuscular diseases and thatChildren show alterations of RREPs.

Chez un patient, les muscles respiratoires sont mis au repos lors de la défaillance de la fonction respiratoire, que cette défaillance soit involontaire (maladie, accident…) ou volontaire (anesthésie générale). Le patient est alors relié à un ventilateur artificiel, machine qui se charge de le faire respirer. Il existe de très nombreux types de ventilateurs artificiels, de qualité inégale, et chaque dispositif propose de multiples réglages pour ventiler le patient : les modes ventilatoires. Ces machines et leurs modes ventilatoires sont commercialisés et utilisés quotidiennement, mais très peu ont été évalués en situation clinique et leurs performances restent à démontrer. L'interaction de ces modes ventilatoires avec les muscles respiratoires du patient est ainsi actuellement méconnue. Dans ce travail, premièrement nous avons fait un état des lieux des pratiques de la ventilation mécanique en médecine péri-opératoire (patients au bloc opératoire et réanimation) ; secondairement, nous avons évalué sur banc d'essai au laboratoire les performances techniques des ventilateurs d'anesthésie et de réanimation de dernière génération dans des conditions statiques (ventilation contrôlée dans différentes conditions de pathologies pulmonaires) et dans des conditions dynamiques (ventilation spontanée assistée dans différentes situations de sevrage ventilatoire) et établi des critères de choix d'un ventilateur ; dans une troisième partie nous avons analysé chez le patient de réanimation au cours du sevrage de la ventilation mécanique le fonctionnement et le comportement des modes ventilatoires les plus évolués (Neurally Adjusted Ventilatory Assist (NAVA), Proportionnal Adaptive Ventilation + (PAV+), Adaptative Support Ventilation (ASV), Intellivent, Noisy-PSV) en comparaison avec le mode de référence qu'est la Ventilation Spontanée en Aide Inspiratoire (Pressure Support Ventilation). Finalement, nous présentons les perspectives de recherche et bénéfices potentiels attendus issus de ces études à travers nos projets de travaux expérimentaux et cliniques. / In case of respiratory failure, the patient's respiratory muscles are put at rest. The patient is then linked to an artificial ventilator, which makes him breath. There are a huge number of artificial ventilators, of varying quality, and each device offers many different settings : the ventilatory modes. These devices and their ventilatory modes are marketed and used daily, but few of them have ever been evaluated in a clinical situation and their performances still need to be proven. Interactions between these ventilatory modes and respiratory muscles are presently unknown. In this work, we first made an inventory of mechanical ventilation in peri-operative medicine (patients in operating rooms and in intensive care units). Then, we evaluated on a bench test the technical performances of the latest generation of anesthesia and intensive care ventilators, in static conditions (controlled ventilation in different pathologic pulmonary conditions) and in dynamic conditions (assisted spontaneous breathing in different weaning situations), and we established criteria to check before choosing a ventilator. Third, we analysed the behaviour of several advanced ventilatory modes (Neurally Adjusted Ventilatory Assist (NAVA), Proportional Assist Ventilation Plus (PAV+), Adaptive Support Ventilation (ASV), Intellivent, Noisy-PSV) during ventilator weaning of intensive care patients compared to the reference weaning mode : Pressure Support Ventilation. Finally, we present research perspectives and potential benefits from our studies through our experimental and clinical project.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative. Une insuffisance diaphragmatique apparaît quand les neurones phréniques sont atteints. La ventilation non-invasive (VNI) est un traitement efficace. Une hyperactivité des muscles inspiratoires extradiaphragmatiques (MIED) est fréquente. C'est un phénomène compensateur vital pour assurer une ventilation correcte mais ses conséquences extraventilatoires restent inconnues. La VNI, mettant au repos les MIED, pourrait avoir d'autres effets bénéfiques que la correction des échanges gazeux. Dans la partie 1, la dépense énergétique (DE) diminue de 7% sous VNI. Dans la partie 2, les tests d'endurance (VMM et PiMAX répétés) ne sont pas adaptés aux patients SLA avec faiblesse diaphragmatique. Une série de 10 SNIP est réussie par 90% d'eux. La réalisation de SNIP répétés suffit à induire une fatigue aux caractéristiques évocatrices de fatigue centrale : la pression chute alors que la vitesse de relaxation normalisée est conservée. La fatigue n'est pas corrélée à la sévérité de la SLA ou à l'utilisation de la VNI. Dans la partie 3, 57% des patients SLA ont un potentiel préinspiratoire (PPI) en ventilation spontanée (VS), réponse corticale au déséquilibre charge-capacité. L'activité corticale préinspiratoire influence l'activité des MIED et la perception de la dyspnée. La VNI inhibe quasi-complètement le PPI. La VNI réduit la DE en soulageant le travail respiratoire imposé aux MIED pour compenser la faiblesse diaphragmatique. Cette contribution métabolique plaide en faveur d'une initiation précoce de la VNI. Juger du moment pour initier la VNI est délicat. La présence d’un PPI en VS peut guider la décision. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease. Respiratory failure (RF) develops when phrenic neurons are involved. Noninvasive ventilation (NIV) is the only treatment for diaphragm weakness. Patients with ALS-related RF often exhibit strong activity of inspiratory neck muscles (INM) as a compensatory mechanism to maintain adequate ventilation.In chapter 1 of thesis, resting energy expenditure (REE) is lower under NIV (median decrease of 7%). Chapter 2 confirms that standard tests to measure respiratory muscle endurance (maximal voluntary ventilation and repeated maximal inspiratory pressures) are not adapted to ALS patients with diaphragm involvement while 90 % of them complete a series of 10 maximal sniff pressures (SNIP). This test is sufficient to initiate fatigue in ALS patients with a progressive decrease in sniff amplitude and preserved maximal relaxation rate. These results suggest that central fatigue contribute to RF in ALS. Different tests of respiratory muscle endurance were not linked to ALS severity or NIV use. Chapter 3 shows that 57 % of ALS patients with RF exhibit respiratory-related cortical activity during spontaneous breathing. Pre-inspiratory potentials (PIP) almost disappear on NIV. Presence of PIP interferes with dyspnea and INM activity.NIV can reduce REE probably by alleviating the ventilator burden imposed on INM to compensate ALS-related RF. This positive contribution to a better nutritional equilibrium supports the hypothesis that starting NIV early in the course of ALS could be beneficial. To determine the good timing to initiate NIV stay difficult. Recording PIP could provide a useful tool.

Réalisé en cotutelle avec l'Université Joseph Fourier École Doctorale Ingénierie pour la Santé,la Cognition et l'Environnement (France) / Les progrès en anesthésie et en réanimation ont pour objectifs la réduction de la durée de surveillance et l'amélioration de la qualité de la récupération. Pour le cas particulier de l'assistance respiratoire, la capacité de surveiller et d'optimiser l'adaptation entre le patient et sa machine d'assistance est déterminante pour la qualité et la conduite des soins. Ce travail de thèse concerne dans sa première partie la mise en place et la validation d'un outil instrumental permettant de caractériser un comportement respiratoire par l'étude cycle à cycle du délai d'activation inspiratoire entre les muscles des voies aériennes supérieures et de la cage thoracique. Cet outil doit prendre en compte les contraintes imposées par le milieu clinique telle qu'une mesure non-invasive des muscles respiratoires. Il repose sur une mesure électromyographique (EMG) de surface des muscles respiratoires. La mesure cycle à cycle et par voie de surface du délai d'activation est un véritable challenge dans un environnement clinique qui est fortement perturbé. La démarche choisie ici est double avec en parallèle : i) La mise en place d'un outil de détection d'évènements menée sous supervision. ii) La définition d'un protocole original sur sujets sains prenant en compte les contraintes cliniques et permettant de valider l'outil et de constituer une base de connaissances pour envisager l'automatisation des procédés dans un travail futur. D'un point de vue physiologique, l'influence de la fréquence respiratoire sur le délai d'activation de l'inspiration n'a pas été étudiée à ce jour. Ce délai a donc été mesuré en condition de normocapnie à différentes fréquences respiratoires imposées par un stimulus sonore. Une étude statistique montre que l'instrument permet de distinguer deux situations physiologiques du protocole expérimental, ce qui en dé- montre la sensibilité. La deuxième partie de ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une optimisation des méthodes de détection de singularités d'intérêt. La solution choisie ici se base sur l'intensité structurelle qui calcule la "densité" de maxima d'ondelettes à différentes échelles et permet une localisation des singularités d'un signal bruité. Une formulation de cet outil qui utilise la transformée de Berkner est proposée. Celle-ci permet le chaînage des maxima d'ondelette afin de positionner précisément les amers du signal. Le filtrage de l'artefact ECG dans l'EMG diaphragmatique sans signal de référence est proposé comme exemple d'application. / Better care in an anaesthesia and critical care could be achieved by reducing monitoring duration and improving the quality of recovery. For the particular case of respiratory assistance, the capacity to track and optimize patient-ventilator synchrony is essential to quality care. As a first step, this thesis adresses the development and validation of an instrument which characterizes respiratory behavior by studying the time lag between onset of upper airway muscles and rib cage muscles, cycle by cycle during respiration. This tool must take into account the constraints imposed by the clinical environment ; measuring respiratory muscles by surface electromyographic measurements (EMG). Measurement of the onset time lag, cycle by cycle and non invasively, is a true challenge in a critical care clinical environment. Here the approach is two-fold : i) The development of a tool for events detection. ii) The definition of an original protocol on healthy subjects. The tool development constitutes a knowledge bases to eventually develop automation of the processes in future work. From a physiological point of view, the influence of respiratory rate on the EMG onset time lag during inspiration has not been studied. Thus we measured this time lag in normocapnia at various respiratory rates imposed by a sound stimulus. Statistically, the instrumental tool can distinguish two physiological situations in this experimental protocol, which confirms its sensitivity. The second step of this thesis is part of an optimization of events detection methods with singularities of interest. The chosen solution is based on structural intensity which computes the "density" of the locations of the modulus maxima of a wavelet representation along various scales in order to identify singularities of an unknown signal. An improvement is proposed by applying Berkner transform which allows maxima linkage to insure accurate localization of landmarks. An application to cancel ECG interference in diaphragmatic EMG without a reference signal is also proposed.

Les progrès en anesthésie et en réanimation ont pour objectifs la réduction de la durée de surveillance et l'amélioration de la qualité de la récupération. Pour le cas particulier de l'assistance respiratoire, la capacité de surveiller et d'optimiser l'adaptation entre le patient et sa machine d'assistance est déterminante pour la qualité et la conduite des soins. Ce travail de thèse concerne dans sa première partie la mise en place et la validation d'un outil instrumental permettant de caractériser un comportement respiratoire par l'étude cycle à cycle du délai d'activation inspiratoire entre les muscles des voies aériennes supérieures et de la cage thoracique. Cet outil doit prendre en compte les contraintes imposées par le milieu clinique telle qu'une mesure non-invasive des muscles respiratoires. Il repose sur une mesure électromyographique (EMG) de surface des muscles respiratoires. La mesure cycle à cycle et par voie de surface du délai d'activation est un véritable challenge dans un environnement clinique qui est fortement perturbé. La démarche choisie ici est double avec en parallèle : i) La mise en place d'un outil de détection d'évènements menée sous supervision. ii) La définition d'un protocole original sur sujets sains prenant en compte les contraintes cliniques et permettant de valider l'outil et de constituer une base de connaissances pour envisager l'automatisation des procédés dans un travail futur. D'un point de vue physiologique, l'influence de la fréquence respiratoire sur le délai d'activation de l'inspiration n'a pas été étudiée à ce jour. Ce délai a donc été mesuré en condition de normocapnie à différentes fréquences respiratoires imposées par un stimulus sonore. Une étude statistique montre que l'instrument permet de distinguer deux situations physiologiques du protocole expérimental, ce qui en dé- montre la sensibilité. La deuxième partie de ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une optimisation des méthodes de détection de singularités d'intérêt. La solution choisie ici se base sur l'intensité structurelle qui calcule la "densité" de maxima d'ondelettes à différentes échelles et permet une localisation des singularités d'un signal bruité. Une formulation de cet outil qui utilise la transformée de Berkner est proposée. Celle-ci permet le chaînage des maxima d'ondelette afin de positionner précisément les amers du signal. Le filtrage de l'artefact ECG dans l'EMG diaphragmatique sans signal de référence est proposé comme exemple d'application. / Better care in an anaesthesia and critical care could be achieved by reducing monitoring duration and improving the quality of recovery. For the particular case of respiratory assistance, the capacity to track and optimize patient-ventilator synchrony is essential to quality care. As a first step, this thesis adresses the development and validation of an instrument which characterizes respiratory behavior by studying the time lag between onset of upper airway muscles and rib cage muscles, cycle by cycle during respiration. This tool must take into account the constraints imposed by the clinical environment ; measuring respiratory muscles by surface electromyographic measurements (EMG). Measurement of the onset time lag, cycle by cycle and non invasively, is a true challenge in a critical care clinical environment. Here the approach is two-fold : i) The development of a tool for events detection. ii) The definition of an original protocol on healthy subjects. The tool development constitutes a knowledge bases to eventually develop automation of the processes in future work. From a physiological point of view, the influence of respiratory rate on the EMG onset time lag during inspiration has not been studied. Thus we measured this time lag in normocapnia at various respiratory rates imposed by a sound stimulus. Statistically, the instrumental tool can distinguish two physiological situations in this experimental protocol, which confirms its sensitivity. The second step of this thesis is part of an optimization of events detection methods with singularities of interest. The chosen solution is based on structural intensity which computes the "density" of the locations of the modulus maxima of a wavelet representation along various scales in order to identify singularities of an unknown signal. An improvement is proposed by applying Berkner transform which allows maxima linkage to insure accurate localization of landmarks. An application to cancel ECG interference in diaphragmatic EMG without a reference signal is also proposed. / Réalisé en cotutelle avec l'Université Joseph Fourier École Doctorale Ingénierie pour la Santé,la Cognition et l'Environnement (France)