Le rythme respiratoire est un signe vital qui permet le diagnostic de plusieurs maladies respiratoires. Cependant, la surveillance du rythme respiratoire à l'extérieur du milieu hospitalier pose un défi qui a présentement peu de solutions. La plupart des capteurs existants ont des problèmes qui causent un non-fonctionnement dans certains environnements ; il n'existe pas de capteurs qui donnent l'information de manière quasi-parfaite en tout temps. Le mémoire présente une solution incluant plusieurs capteurs pour répondre à ce problème. La solution proposée permet de fusionner les informations en provenance de plusieurs capteurs hétérogènes afin d'obtenir l'information complète sur le rythme respiratoire, même dans des conditions ou un capteur individuel ne peut fournir cette information. Cette solution proposée utilise deux capteurs disponibles couramment sur le marché, soit un microphone MEMS et des accéléromètres. La solution comprend aussi une mesure de bioimpédance par un système qui pourrait être adapté pour être portable. Le mémoire présente ces capteurs et la procédure pour transmettre les signaux de ceux-ci vers un ordinateur. Le mémoire traite toutes les étapes de traitement de signal nécessaires pour tirer les informations du signal de respiration donné par ces capteurs. Le traitement de signal permet de réduire plusieurs types de bruits ainsi que de trouver des informations spécifiques au type de signal étudié. Le système cherche à reconnaître chacune des phases du cycle respiratoire pour chaque capteur individuel. Il utilise les informations sur les états possibles fournis par chaque capteur pour les fusionner ensuite avec un système de poids. Dans un environnement contrôlé, le système avec les données fusionnées permet d'avoir un taux d'erreur pouvant atteindre 0,88% pour un segment de 30 secondes, par rapport à des systèmes avec des capteurs uniques qui donnent des taux d'erreur variant entre 4,42% et 17,70% pour ces mêmes 30 secondes.

La relation entre la mère et l'enfant a un impact sur le développement du système nerveux du nouveau-né. La séparation maternelle néonatale (SMN) est un modèle de stress, chez le rat, perturbant cette relation. Nous nous sommes intéressés aux conséquences à long terme de ce stress néonatal sur les mécanismes contrôlant la ventilation lors d'un excès sanguin de CO2 (hypercapnie). Une altération de ce réflexe ventilatoire est une des causes de plusieurs troubles respiratoires tels que les apnées du sommeil. Il a été observé, dans notre laboratoire, que la SMN altère la réponse ventilatoire à l'hypercapnie (RVHC) de façon différente selon le sexe de l'animal. Cette thèse a pour but de trouver les mécanismes, affectés par la SMN, responsables des altérations de la RVHC. Nous nous sommes premièrement intéressés à la contribution des chémorécepteurs et barorécepteurs carotidiens chez les mâles. Cette étude a révélé une inhibition de la contribution des chémorécepteurs carotidiens à la ventilation et une augmentation du baroréflexe inhibant la ventilation. Par contre, il subsiste toujours une diminution de la sensibilité de la RVHC qui n'est pas attribuable aux corps carotidiens. Nous avons donc évalué la chémodétection centrale, mais elle ne semble pas responsable du phénotype. Par la suite, nous avons testé l'influence des récepteurs bronchopulmonaires d'étirement sur la ventilation. Nous avons observé une inhibition du réflexe d'Hering-Breuer chez les rats SMN qui pourrait expliquer l'altération de la RVHC dans certaines conditions. Finalement, chez les rates adultes, nous avons découvert que la SMN n'affecte pas la production d'hormones sexuelles et que l'augmentation de la RVHC est inhibée par l'anesthésie. Nous concluons que, chez les rats mâles, la SMN affecte la contribution des afférences périphériques probablement par une altération de l'intégration au niveau central et que, chez les femelles, l'augmentation de la RVHC, chez les rats éveillés, est probablement causée par l'effet anxiogène du CO2.

On propose dans ce mémoire un nouveau type de capteur pour la mesure des fonctions respiratoires et cardiaques à des fins médicales. Le système offre la possibilité de mesurer le rythme respiratoire et la profondeur de respiration et de transmettre les données vers une station locale pour une analyse plus poussé et un diagnostic. Le capteur proposé est basé sur une approche électromagnétique où on utilise deux antennes posées sur la cage thoracique du patient. Lorsque le patient inspire et expire l’air avec ses poumons, le diamètre de la cage thoracique de ce dernier va augmenter et par conséquent la distance entre les deux antennes aussi. Le système mesure l’écart relatif entre les deux pour extraire le rythme respiratoire. Le point clé du capteur est d’encoder le signal de respiration sous forme de différence de phase entre l’onde émise et l’onde reçue conférant au système une bonne immunité contre les bruits des signaux externes. Le design a été implémenté sur un PCB (46mm x 46mm) pour fournir une preuve de concept de la méthode proposée. Les tests ont été conduits sur trois sujets de deux sexes et d’âges distincts. Les données mesurées démontrent que le système fonctionne sur différentes morphologies physiques. Finalement, le capteur a été capable de recueillir avec grande précision le rythme respiratoire et même la fréquence cardiaque. / We propose in this project a wearable electronic Patch Radar sensor that can monitor respiration rate and respiration depth continuously in real-time and transmit data to a base station for analysis. The device relies on a two-antenna configuration. Both antennas are bent to the patient chest, and when the patient breathes, the mechanical movement of the chest wall changes the distance between them. The system measures the relative distance between the antennas to extract the respiration pattern. The key feature of the sensor is that it transduces respiration movements to phase shifts in RF wave signals which make it very robust against external interferences. The design was implemented on a PCB (46mm x 46mm) to demonstrate a proof of concept for the proposed device. The system was able to acquire respiration signals and even cardiac frequency. Experimental results are presented for three different subjects, an adult male and female and a child. The data gathered gives enough sensitivity and accuracy to state that the device can work with different physical morphologies.

L’érythropoïétine (Epo) est une cytokine exprimée dans le système nerveux central (CNS). A l’âge adulte, elle agit comme modulateur respiratoire dans le tronc cérébral en augmentant la réponse ventilatoire à l’hypoxie (RVH) chez l’homme et la souris. Les troubles respiratoires chez les nouveau-nés étant répandus, trouver un traitement adapté est d’un intérêt primordial. J’ai émis l’hypothèse qu’une stimulation chronique à l’Epo du CNS des nouveau-nés aiderait le développement de la commande centrale respiratoire et sa réponse à l’hypoxie. Afin de tester cette hypothèse, j’ai enregistré la respiration de souris transgéniques surexprimant l’Epo spécifiquement dans le CNS (Tg21). La RVH, qui se met normalement en place au cours du développement post-natal, apparaît légèrement plus tôt chez les souris Tg21, mais n’est pas accentuée avant le sevrage, comme elle l’est à l’âge adulte. Nous avons quantifié l’expression d’Epo et de son récepteur (EpoR) dans le tronc cérébral des souris Tg21. L’expression d’EpoR diminue au cours du développement post-natal, mais la surexpression d’Epo augmente. Ceci pourrait expliquer cette apparition tardive de l’augmentation de la RVH. J’ai par la suite étudié les mécanismes impliqués. J’ai montré par enregistrements électrophysiologiques que la dépression du rythme due à l’hypoxie n’est pas présente dans les troncs cérébraux provenant de souris Tg21. In vitro, le tronc cérébral Tg21 est capable de maintenir le rythme respiratoire en hypoxie. De plus, le patron de décharge des troncs cérébraux Tg21 le jour de la naissance ressemble à celui à trois jours de vie, ce qui laisse penser à une maturation accélérée de la commande centrale respiratoire. Cette dernière observation reste cependant à confirmer. Dans ses autres rôles (e.g. érythropoïétique et neuroprotecteur), l’Epo met en jeu différentes voies de signalisation, dont les voies de signalisation MEK-ERK et PI3K-Akt. J’ai émis l’hypothèse que ces voies de signalisation étaient également mises en jeu dans l’effet que l’Epo a sur la commande centrale respiratoire, et grâce à l’utilisation d’inihibiteurs, mis en évidence que l’une ou l’autre de ces voies de signalisation n’est pas suffisante pour expliquer l’effet bénéfique de l’Epo sur le rythme respiratoire, ce qui laisse penser à un mécanisme compensatoire. / Erythropoietin (Epo) is a cytokin expressed in the central nervous system (CNS). At adulthood, Epo acts as a respiratory modulator which enhances hypoxia ventilatory response (HVR) in both human and mouse. Respiratory disorders in newborns are common, as such finding an adapted treatment is of first interest. I hypothesized that chronic Epo stimulation on the CNS of newborns is helpfull to the central respiratory command to develop and respond to hypoxia. To test this hypothesis, I recorded breathing of transgenic mice overexpressing Epo in the CNS only (Tg21). HVR, which normally sets up during post-natal development, appears earlier in Tg21 mice, but is not higher as observed at adulthood in Tg21 mice. We quantified Epo and EpoR expression in Tg21 brainstems. EpoR expression decreases during post-natal development, while Epo overexpression is enhanced. These results could explain the late apparition of HVR enhancement. Then, I studied the underlying mecanisms. By electrophysiological recordings, I showed that usual rhythm depression due to hypoxia is not present in Tg21 brainstems-spinal cord preparations. In vitro, Tg21 brainstem is able to maintain the respiratory rhythm during hypoxia. Moreover, burst pattern from Tg21 mice on the first day of post-natal life looks like the burst pattern at three living days, which suggests an earlier maturation of the central respiratory system. However, this observation needs to be confirmed. In other roles (e.g. erythropoietic and neuroprotector) Epo recruits different pathways, mostly MEK-ERK and PI3K-Akt pathways. I hypothesized that these pathways are also involved in Epo effect on the central respiratory command. Thank to specific inhibitors, I highlighted that one of these pathways is not sufficient to support Epo role on newborn breathing, suggestiong a compensatory mechanism.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / La séparation maternelle néonatale (SMN) est une forme de stress qui perturbe le développement de l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HHS) et induit des conséquences à long terme sur l'activité de ce dernier. L'activation de l'axe HHS est contrôlée par le noyau paraventriculaire de l'hypothalamus (PVH) qui est toniquement inhibé au repos. De plus, le PVH est un important modulateur de l'activité respiratoire. Ainsi, cette thèse avait pour objectif de déterminer si la séparation maternelle néonatale avait des effets persistants sur le système de contrôle respiratoire. Premièrement, des rats mâles et femelles SMN ont été exposés à l'hypoxie à l'âge adulte. La SMN a amplifié la réponse ventilatoire à l'hypoxie chez les mâles alors qu'elle a atténué la réponse chez les femelles, suggérant que la sensibilité aux variations d'02 est augmentée chez les mâles. De surcroît, la SMN a rendu les rats mâles hypertendus. Lors de l'étude du chémoréflexe à l'hypercapnie, les effets de la SMN se sont avérés une fois de plus spécifiques au sexe. La SMN a induit une atténuation de la réponse ventilatoire à l'hypercapnie chez les rats mâles alors que chez les femelles, la réponse a été augmentée, suggérant une sensibilité au CO2 accrue chez celles-ci. De plus, le marquage de PARNm de c-fos a révélé une activation des raphés magnus et pallidus, du groupe parapyramidal et du locus coeruleus chez les mâles SMN seulement. La SMN semble donc agir par des mécanismes différents du chémoréflexe à l'hypoxie bien que ses effets soient toujours spécifiques au sexe. La dernière étude a démontré que l'inhibition entourant le PVH était augmentée chez les rats mâles SMN. Les microinjections de GABA, muscimol et bicuculline avaient des effets plus importants sur la réponse ventilatoire à l'hypoxie des rats SMN. De plus, la SMN a augmenté le nombre de récepteurs GABAA au niveau du PVH. Bien que l'inhibition du PVH soit amplifiée chez les rats SMN, elle n'est pas suffisante pour maintenir une réponse ventilatoire à l'hypoxie normale, suggérant une augmentation des afférences excitatrices directes au PVH. Ces résultats indiquent qu'un stress non respiratoire en période néonatale perturbe de façon persistente une fonction aussi importante que la régulation de la respiration.

Le corps carotidien est le principal senseur périphérique de l'oxygène impliqué dans le contrôle de la ventilation en condition de base et en réponse à l'hypoxie. Cette sensibilité se développe avec l'âge postnatal. Une activité inadéquate du corps carotidien en période néonatale peut prédisposer le nouveau-né prématuré à des instabilités respiratoires. La cotransmission par l'acétylcholine (récepteurs nicotiniques) et l'adénosine tri-phosphate (récepteurs purinergiques P2X) joue un rôle prépondérant dans le fonctionnement du corps carotidien chez le mammifère adulte, mais demeure très peu caractérisé chez le sujet en développement. L'objectif général de cet ouvrage est de déterminer, à l'aide de différentes approches méthodologiques, le rôle de l'acétylcholine et de l'adénosine tri-phosphate dans la ventilation, l'activité du corps carotidien et le maintien d'un patron stable de la rythmicité respiratoire chez le rat à différents âges de développement. La première étude de cet ouvrage montre que le blocage des récepteurs nicotiniques atténue la réponse ventilatoire à l'hypoxie de manière âge dépendante à l'intérieur de la gamme d'âges étudiés. Ces changements sont en partie liés à l'activation des récepteurs nicotiniques de type α7 localisés au niveau des corps carotidiens. La deuxième étude révèle que le blocage des récepteurs purinergiques de type P2X réduit l'activité ventilatoire et l'activité des corps carotidiens en condition de base et en réponse à l'hypoxie. Ces effets impliquent en partie les récepteurs exprimant la sous-unité P2X3. Contrairement aux récepteurs nicotiniques, dans la gamme d'âges que nous avons testés, la contribution des récepteurs P2X sur l'activité ventilatoire ainsi que sur l'activité des corps carotidiens demeure stable avec l'âge postnatal. Enfin, l'étude du blocage combiné des récepteurs nicotiniques et P2X chez le rat nouveau-né démontre une importante interaction sur l'homéostasie ventilatoire en condition de base, très prononcée lors des premiers jours de vie. Cette étude montre également une augmentation de la fréquence des apnées et du coefficient de variation de la ventilation minute suite au double blocage des récepteurs nicotiniques et purinergiques P2X. Ces instabilités respiratoires sont très accentuées chez le jeune rat de 4 jours de vie comparé à celui plus mature de 12 jours de vie. L'ensemble des études présentées dans cet ouvrage montre que la transmission cholinergique (nicotinique) et purinergique (adenosine tri-phosphate) joue un rôle déterminant dans la régulation de la respiration et le maintien d'un patron stable de l'activité respiratoire chez le rat en développement.

Le principal objectif de ce travail est l’étude de l’influence de la pesanteur sur la mécanique <p>respiratoire et le contrôle de la respiration, ainsi que sur les interactions cardio-respiratoires pendant les différents stades du sommeil. <p><p>Le chapitre introductif présente le contexte général et les objectifs de la thèse. Des sections abordant le sommeil, la respiration, et l’interaction cardio-respiratoire y sont présentées, résumant l’état actuel des connaissances sur les effets de la pesanteur sur chacun de ces systèmes. <p>Dans le deuxième chapitre, l’expérience “Sleep and Breathing in microgravity”, qui constitue la source des données à la base de ce travail, est présentée en détail. <p>L’étude des signaux de longue durée requiert avant tout de disposer d’outils performants <p>d’analyse des signaux. La première partie de la thèse présente en détail deux algorithmes :un <p>algorithme de détection automatique d’événements respiratoires (inspiration / expiration) <p>basé sur des réseaux neuronaux artificiels, et un algorithme de quantification de l’amplitude <p>et de la phase de l’arythmie sinusale pendant le sommeil, utilisant la méthode des ondelettes. <p>La validation de chaque algorithme est présentée, et leur performance évaluée. Cette partie <p>inclut aussi des courtes introductions théoriques aux réseaux de neurones artificiels ainsi <p>qu’aux méthodes d’analyse temps–fréquence (Fourier et ondelettes). <p>Une approche similaire à celle utilisée pour la détection automatique d’événements respiratoires a été appliquée à la détection d’événements dans des signaux de vitesse du sang <p>dans l’artère cérébrale moyenne, mesures obtenues par Doppler transcrânien. Ceci est le <p>sujet de la thèse annexe. <p>Ces deux algorithmes ont été appliqués aux données expérimentales pour extraire des <p>informations physiologiques quant à l’impact de la pesanteur sur la mécanique respiratoire et <p>l’interaction cardio-respiratoire. Ceci constitue la deuxième partie de la thèse. Un chapitre <p>est consacré aux effets de l’apesanteur sur la mécanique respiratoire pendant le sommeil. <p>Ce chapitre a mis en évidence, pour tous les stades de sommeil, une augmentation de la <p>contribution abdominale en microgravité, suivi d’un retour progressif vers des valeurs observées avant le vol. L’augmentation initiale était attendue, mais l’adaptation progressive <p>observée ne peut pas être expliquée par un effet purement mécanique, et nous suggère la <p>présence d’un mécanisme d’adaptation central. Un deuxième chapitre présente les résultats <p>comparant l’arythmie sinusale pendant le sommeil avant le vol, en apesanteur et après le retour sur terre. Le rythme cardiaque pendant le sommeil dans l’espace présente une moindre <p>variabilité. Les différences NREM–REM observées sur terre pour les influences vagales et sympathiques sont accentuées dans l’espace. Aucun changement significatif n’est présent pour <p>le gain et la différence de phase entre les les signaux cardiaque et respiratoire en comparant <p>le sommeil sur terre et en apesanteur. <p>La dissertation termine par une discussion générale du travail effectué, incluant les prin- <p>cipales conclusions ainsi que les perspectives qui en découlent. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished