Dans le cadre du concept d'autonomie médicale pour les missions spatiales vers Mars et les régions éloignées du Canada, des technologies dites intelligentes peuvent permettre d'augmenter les capacités d'un médecin qui n'a souvent pas toutes les ressources humaines à sa disposition (Comtois, 2007). Le ventilateur mécanique NAVA (Neurally Adjusted Ventilatory Assist) se base sur l'activité électrique du diaphragme (EAdi) pour réguler automatiquement l'assistance respiratoire, et ce proportionnellement aux besoins du patient (Sinderby, 1999). Il assure aussi un synchronisme avec l'inspiration et un relâchement partiel du diaphragme (Sinderby, 2007). Dans le but d'assurer que NAVA puisse répondre adéquatement aux situations de demandes respiratoires élevées, il a été testé à l'exercice afin de recréer un rythme respiratoire qui s'apparente à celui des gens atteints d'inflammation des voies aériennes. Méthodologie: 5 sujets ont exécuté 6 minutes de respiration au repos, 10 minutes à 70% de la VO₂ max et 2 minutes avec une augmentation de 30 watts. Ce protocole a été réalisé en situation contrôle sans NAVA et répété, suite à une période de repos de 30 minutes, en situation expérimentale avec NAVA. Résultats: La condition avec NAVA a démontré une tendance vers une EAdi moindre sans toutefois qu'il n'y ait de différence significative. De plus, le déclenchement de NAVA s'est fait à chaque inspiration, démontrant qu'à fréquences respiratoires élevées les électrodes montées sur un tube naso-gastrique peuvent bien capter l'EAdi. Cette étude fût toutefois limitée par un ventilateur qui n'arrivait pas à délivrer une pression positive suffisante et dont les débits inspiratoires de pointe générés atteignaient le maximum dès les premières minutes à l'exercice. Conclusion: NAVA répond à plusieurs exigences pour les missions spatiales, c'est-à-dire léger, portatif et auto ajustable. De plus, NAVA dans la présente étude a été activé durant la demande respiratoire. Toutefois, NAVA dans son état actuel n'est pas arrivé à fournir le débit ventilatoire requis durant l'exercice. Les résultats obtenus permettent de bien enligner les futures recherches sans toutefois apporter de conclusions franches. L'utilisation de manoeuvres inspiratoires maximales volontaires serait une avenue possible pour éviter le plafonnement de l'appareil.

Cette recherche est centrée sur l’optimisation des réglages au cours de la ventilation artificielle ou ventilation mécanique (support respiratoire fourni aux patients atteints d’insuffisance respiratoire aigüe ou chronique, aux patients opérés ou aux patients dans le coma) avec des outils innovants. Nous avons développé et évalué un outil totalement innovant et original permettant de mesurer la taille des patients alités sous ventilation artificielle et de fournir au clinicien en charge du patient les données pour appliquer une ventilation protectrice. En effet, nous avons démontré l’importance de la taille pour optimiser ce réglage, comparé les méthodes de mesure traditionnelles à des méthodes alternatives pour mesurer les patients alités, et conclu que les méthodes alternatives étaient au moins aussi précises mais plus faciles à utiliser en pratique. Finalement, nous avons développé un outil optique original utilisable avec un iPhone permettant de faciliter la tâche du clinicien pour régler des volumes courants sécuritaires. L’idée de ce projet de doctorat est basée sur la nécessité de l’automatisation de la ventilation mécanique. Il existe un véritable bouleversement en ventilation mécanique depuis quelques années: l’apparition de systèmes réglant automatiquement certains paramètres majeurs du ventilateur sans intervention humaine. Ce virage est lié à un autre bouleversement: le doublement prévu du nombre de patients ayant recours à la ventilation mécanique d’ici à une quinzaine d’années. L’augmentation prévisible du nombre de patients sous ventilation mécanique sans augmentation du nombre de cliniciens à même de prendre en charge ces patients, est un problème majeur de santé publique. Cette augmentation est liée à la pyramide des âges et à la sévérité croissante des patients traités qui présentent de plus en plus de comorbidités. D’autre part, ces systèmes automatisés permettront de réaliser de façon automatisée le « transfert de connaissance ». En effet, il a bien été démontré les difficultés de mise en place des recommandations cliniques. L’utilisation de systèmes automatisés de ventilation pourrait permettre d’implémenter automatiquement les recommandations dans ce domaine et ainsi de réaliser automatiquement le transfert des connaissances. Par exemple, la nécessité de réduire le volume courant au cours du syndrome de détresse respiratoire aigüe (SDRA) pour réduire les lésions induites par la ventilation et la mortalité a été bien démontrée mais les difficultés d’application de ces mesures ont été rapportées dans de nombreuses études. Nous nous sommes concentrés sur ce problème en apparence simple : mesurer simplement les patients sous ventilation artificielle, calculer le poids prédit et le volume courant à utiliser chez les patients. Ce nouveau système pourra probablement aider les cliniciens pour appliquer chez un grand nombre de patients la ventilation protectrice et ainsi réduire les complications associées à la ventilation mécanique. / This research focuses on artificial ventilation or mechanical ventilation (respiratory support provided to patients with acute respiratory failure or chronic patients or operated patients in a coma) under the direction of Dr. François Lellouche at the Research Center of the Quebec Herat and Lung Institute. This research project has several themes: the automation of mechanical ventilation, the technology assessment of material used during mechanical ventilation and weaning from mechanical ventilation. My PhD project is based on the automation of mechanical ventilation (MV). There has been a revolution happening in mechanical ventilation for several years: the emergence of systems without human intervention that automatically adjust certain key parameters such as fan pressure used during the inspiratory phase or frequency of the fan cycles dispensed to patients. This move anticipates another major factor occurring in the health care system: the expected doubling of the number of patients using mechanical ventilation within the next fifteen years. The expected increase in the number of patients on mechanical ventilation without increasing the number of clinicians able to take care of these patients will be a major public health problem. This increase is related to the age and increasing severity of mechanically ventilated patients who have more co-morbidities. On the other hand, these automated systems enable automated knowledge translation (KT). It has been demonstrated that the implementation of clinical guidelines also encounters many barriers. We hope that our automated KT system will help implement recommended lower tidal volumes. For example, the need to reduce the tidal volume during acute respiratory distress syndrome (ARDS) in patients to reduce injuries and mortality has been well documented, but the difficulties in applying these measures have been reported in many studies. We focused on this seemingly simple problem: simply measuring patients with artificial ventilation, calculating the predicted body weight and the tidal volume to use for patients.

La progestérone stimule la respiration chez le rat en développement. Le rôle du récepteur nucléaire de la progestérone (nPR) dans ces effets est inconnu. Nous vérifions l’hypothèse que le nPR contribue au contrôle respiratoire en comparant la réponse ventilatoire à l’hypoxie (RVH) et les irrégularités respiratoires de souris Progesterone receptors knock-out (PRKO) à celles de souris sauvages (WT) âgées de 1 (P1) et 4 jours (P4). La ventilation minute est mesurée en normoxie (fraction inspirée d’oxygène (FiO2)=21% pour 10 minutes) et en hypoxie (FiO2=14%, 12% et 10% pour 20 minutes chacune) par pléthysmographie à corps entier. En normoxie, l’inactivation du nPR n’affecte ni les paramètres ni les irrégularités respiratoires. En hypoxie à 14%, l’inactivation du nPR diminue le volume courant et le nombre d’apnées des P1 et augmente le nombre d’apnées post-soupir des P4. Le nPR intervient de façon O2- et âge- dépendant dans la régulation respiratoire des souris nouveau-nées.

Thesis (doctoral)--Rijksuniversiteit te Utrecht, 1992. / Thesis statement, summary, afterword, and vita in Dutch. Includes bibliographical references.

Le syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) est caractérisé par des lésions alvéolairesdiffuses qui résultent d'une lésion de la membrane alvéolo-capillaire entrainant entre autresune réaction inflammatoire intense et une perte massive et hétérogène du volume pulmonaireaéré. La tomographie par émission de positons (TEP) et la tomographie par impédanceélectrique (TIE) sont deux techniques d'imagerie fonctionnelle permettant l'étude noninvasive, quantitative et régionale du poumon.Ce travail présente le résultat d'études expérimentales conduites dans le SDRA. Tout d'abord,nous avons comparé positivement la TIE à la TEP pour la mesure de la ventilation pulmonaireet du volume aéré. Nous avons ensuite décrit et validé une technique robuste d'obtention duvolume aéré et de la ventilation spécifique en TEP sans prélèvement invasif. Enfin, nousavons étudié en TEP l'influence de la pression expiratoire positive (PEP) et du décubitusventral (DV) sur la répartition de la ventilation, de la perfusion et de l'inflammationpulmonaires. Les poumons agressés par l'acide chlorhydrique inhalé ont une inflammationsignificativement plus élevée que le groupe contrôle. Aucune différence significatived'inflammation n'a été trouvée entre les groupes expérimentaux malgré des modificationsimportantes de la répartition de la ventilation et de la perfusion régionales lors de la mise enDV. Ces études donc ont permis le développement d'un modèle porcin stable d'agressionpulmonaire aiguë et la validation de techniques d'imagerie permettant l'étude non invasive deparamètres physiologiques importants pouvant aider au réglage de la ventilation mécanique aucours du SDRA.

Les poumons sont constitués d’un arbre par lequel circule l’air et qui alimente le parenchyme où ont lieu les échanges gazeux avec le sang. Certaines pathologies affectent la structure de l’arbre ou du parenchyme induisant des défauts dans l’approvisionnement en air ou des efforts respiratoires accrus. Etudier l’organe in-vivo est complexe. La modélisation mathématique peut apporter un éclairage utile sur les effets associés aux pathologies touchant le poumon, et la pertinence des traitements proposés. Dans la première partie de cette thèse, nous proposons un modèle mécanique de ventilation pulmonaire. Un arbre 0D est couplé de manière forte à un modèle de parenchyme 3D. On met en évidence l’impact sur la distribution de ventilation des conditions aux limites et d’altérations de l’arbre ou du parenchyme. Le comportement de ce modèle est comparé à celui d’un modèle plus simple et couramment utilisé.Dans une deuxième partie, on propose un modèle d’arbre asthmatique et on étudie dans quelle mesure respirer un gaz moins dense que l’air permet de diminuer les efforts et les défauts de ventilation. On propose ensuite une approche visant à déterminer la distribution des constrictions bronchiques les plus sévères à partir de données d’imagerie. Notre démarche s’appuie sur l’utilisation du modèle de ventilation, enrichie par une technique d’apprentissage statistique.On présente finalement deux études prospectives. La première étend les modèles de ventilation introduits précédemment avec pour objectif de modéliser la spirométrie. La deuxième s’inscrit dans une perspective visant à déterminer la géométrie du poumon à partir de mesures simples prises sur le corps du patient. / The lungs contain a tree through which the air flows. It supplies a porous region, the parenchyma, where gas exchanges with blood take place. Some pathologies affect the tree structure or the parenchyma integrity. They can induce ventilation defects or increased respiratory efforts. In vivo-studies are complex and mathematical modeling can provide some insights on the lung behavior, the pathologies’ impacts or the efficiency of treatments.In the first part of this thesis, we propose a ventilation model of the lung based on a mechanical description. A 0D tree is strongly coupled to a 3D parenchyma model. We show the influence of chosen boundary conditions as well as tree or parenchyma alterations on the ventilation distribution. Results are compared with those provided by a simpler model, often used in the literature.In a second part, we use the tree-parenchyma coupled model to investigate how breathing gas mixtures less dense than air would potentially reduce efforts and ensure a better ventilation. To that end, we build an asthmatic tree model.In the next part, we develop an approach to get insights on severe constrictions distribution based on the analysis of dynamic lung ventilation images. To do so, the coupled ventilation model is used along with a machine learning technique.Finally, two prospective works are presented. First, we propose extensions to the ventilation models introduced in the first part as a step towards spriometry modeling. The last study is part of a global perspective that aims at getting insights on the lung geometry based on simple measurements on the patient’s body.

Il est bien établi chez les physiologistes, que si l’exercice de course en montée sollicite préférentiellement des contractions musculaires concentriques, l’exercice de course en descente requiert des actions musculaires frénatrices, majoritairement excentriques. L’exercice de course en descente à intensité sous-maximale génère un stimulus mécanique plus important pour un niveau de sollicitation métabolique moindre (i.e., V̇O2). Basée sur 3 études expérimentales, cette thèse de doctorat explore la physiologie spécifique de la course en déclivité, ainsi que ses prédicteurs physiologiques. Notre première étude montre une amplitude des réponses cardiorespiratoires amoindrie, une ventilation plus superficielle et une composante lente négative de consommation d’oxygène et de fréquence cardiaque en course en descente versus montée à vitesse constante et identique (8,5 km·h-1, pente de 15%). Lors de tests incrémentaux maximaux en course en descente vs montée vs plat, notre 2ème, partie A étude démontre que des coureurs bien entraînés, familiarisés avec la course en descente, peuvent atteindre FCmax, mais pas V̇O2max en descente. Lorsque les courses en descente et montée sont réalisées à même intensité métabolique (70% V̇O2max), notre 2ème (B) étude démontre que la course en descente (19 km·h-1, pente de -15%) induit des réponses cardiorespiratoires supérieures (FC et V̇E), une composante lente de V̇O2 significative et engendre une fatigue supérieure à la course en montée (6 km·h-1, pente de +15%). Enfin, une étude de terrain (étude 3) montre que les performances de 5 km de course en montée et en descente partagent quelques prédicteurs physiologiques communs (V̇O2max, force musculaire des membres inférieurs), bien que dans des proportions différentes. De plus, ces deux contre-la-montre sont également déterminés par des prédicteurs physiologiques spécifiques (i.e., raideur musculo-tendineuse en descente et indice de masse corporelle en montée). Nos résultats améliorent notre compréhension de la physiologie spécifique à la course en descente vs montée et ouvrent la voie des applications à l’entraînement des traileurs avec le but ultime d’optimiser leur performance. / It is admitted that uphill running mostly elicits concentric muscle actions whereas downhill running requires braking muscle actions inducing preferentially eccentric muscle action. Consequently, high running speed can be achieved in downhill (i.e., a high level of mechanical stress), despite low metabolic demands (i.e., low metabolic power). Using 3 experimental studies, this doctoral thesis explores the specific physiology of downhill vs uphill running as well as its physiological determinants. Our first study shows lower magnitude of the cardiorespiratory responses, a more superficial ventilation pattern and inverse V̇O2 and HR slow components in submaximal constant and same downhill vs uphill running velocity (8,5 km·h-1, 15% slope). During maximal incremental downhill vs uphill and level running, our study 2 part A demonstrates that well-trained endurance athletes, accustomed to downhill running, can reach maximal heart rate but not V̇O2max in downhill running. When downhill and uphill running are performed at similar metabolic demand (70% V̇O2max), our study 2 part B demonstrates that downhill running (19 km·h-1, -15% slope) elicits greater cardiorespiratory responses (HR and V̇E), a significant V̇O2 slow component and exacerbates muscle fatigue compared to uphill running (6 km·h-1, +15% slope). Finally, a field study (study 3) shows that 5-km downhill vs uphill running performances share some physiological predictors (V̇O2max, lower limb muscle strength) although in different proportions. In addition, this study also demonstrates that both time-trial performances are also determined by specific physiological predictors (i.e., musculotendinous stiffness for downhill and body mass index for uphill running). All in all, our results further our understanding of the specific physiology of downhill vs uphill running and open the way to training applications in trail runners with the ultimate goal to optimize trail running performance.

L’évaluation de la fonction pulmonaire est important pour la réduction des complications radio-induites des traitements de radiothérapie. En effet, plus de 30% des patients souffriront de pneumonie des suites de leur traitement [1]. L’implantation de la fonction pulmonaire dans la planification de traitement pourrait limiter les complications médicales. La ventilation pulmonaire, l’une des deux métriques permettant de caractériser la fonction pulmonaire, est habituellement obtenue à partir de mesures SPECT. Cependant, cette méthode demande d’effectuer des acquisitions de mesure supplémentaires sur les patients. L’objectif de ce projet est de valider l’utilisation de CT 4D afin d’extraire la ventilation pulmonaire. La preuve de concept a été effectuée sur une cohorte de 25 patients atteints de cancer du poumon. Grâce à des recalages déformables effectués à l’aide du logiciel ANTs, la ventilation a été extraite. Les valeurs obtenues ont été comparées à celles déterminées à partir des données de SPECT, analysées par un logiciel clinique nommé Hermès. Une corrélation modérée a été observée, avec un coefficient de Pearson de r =0:59 avec p<0:05. Les valeurs de ventilation obtenues par CT 4D ont été validées par les coefficients de Dice (DC > 0:9), la distance de Hausdorff (HD < 2 mm), le positionnement de marqueurs anatomiques et les valeurs de jacobien des transformations. Des incertitudes provenant de l’acquisition de données et l’initialisation des paramètres des recalages déformables peuvent expliquer ces résultats. / The assessment of pulmonary functionality is of prime importance to avoid radioinduced complications after radiotherapy treatments of lung cancer. Indeed, more than 30% of patients will suffer from a radiation-induced pneumonia following the treatment [1]. Implementing functionality in treatment planning could limit the medical complications. The current community standard for measuring the ventilation - one of the two metrics concerning pulmonary functionality - is SPECT imaging. However, this method requires to perform additional image acquisitions on patients. The objective of this work is to validate an image analysis method that provides deformable image registration allowing us to estimate lung ventilation for each voxel with four-dimensional computed tomography imaging (4DCT). The proof of concept is performed on a cohort of 25 patients with lung cancer. Each patient is required to a 4DCT scan before their radiotherapy treatment. Those scans were processed retroactively with Advanced Normalized Tools (ANTs) registration to evaluate the lungs deformation between the respiratory maxima. A vector field representing the deformation is produced for all voxels. Local behavior is estimated by the Jacobian of those vector fields. The deformation allows us to estimate the lung capacity to contain air, which can be linked to the ventilation. We showed that the values obtained with the 4DCT method are moderately correlated with those obtained by SPECT (r = 0:59; p < 0:05).Those results were validated using Dice coefficients (DC > 0:9), Hausdorff distance (HD < 2 mm) and targets registration error. The results of the lung ventilation obtained by 4DCT and with SPECT scans are moderately correlated. The uncertainties pertaining to data acquisition and deformable registration initialization might explain those differences.

Le syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) est caractérisé par des lésions alvéolairesdiffuses qui résultent d’une lésion de la membrane alvéolo-capillaire entrainant entre autresune réaction inflammatoire intense et une perte massive et hétérogène du volume pulmonaireaéré. La tomographie par émission de positons (TEP) et la tomographie par impédanceélectrique (TIE) sont deux techniques d’imagerie fonctionnelle permettant l’étude noninvasive, quantitative et régionale du poumon.Ce travail présente le résultat d’études expérimentales conduites dans le SDRA. Tout d’abord,nous avons comparé positivement la TIE à la TEP pour la mesure de la ventilation pulmonaireet du volume aéré. Nous avons ensuite décrit et validé une technique robuste d’obtention duvolume aéré et de la ventilation spécifique en TEP sans prélèvement invasif. Enfin, nousavons étudié en TEP l’influence de la pression expiratoire positive (PEP) et du décubitusventral (DV) sur la répartition de la ventilation, de la perfusion et de l’inflammationpulmonaires. Les poumons agressés par l’acide chlorhydrique inhalé ont une inflammationsignificativement plus élevée que le groupe contrôle. Aucune différence significatived’inflammation n’a été trouvée entre les groupes expérimentaux malgré des modificationsimportantes de la répartition de la ventilation et de la perfusion régionales lors de la mise enDV. Ces études donc ont permis le développement d’un modèle porcin stable d’agressionpulmonaire aiguë et la validation de techniques d’imagerie permettant l’étude non invasive deparamètres physiologiques importants pouvant aider au réglage de la ventilation mécanique aucours du SDRA. / Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is characterized by diffuse alveolar damage andresulting from an increased permeability of the alveolar-capillary membrane. Of notice, thereis an intense lung inflammation. Positron emission tomography (PET) and electricalimpedance tomography (EIT) allow noninvasive assessment of pulmonary ventilation,perfusion and inflammation. We use these techniques to decipher the impairments ofventilation and inflammation throughout the lungs in an experimental model of acute lunginjury by hydrochloric acid inhalation in pigs.In a first study, we compared EIT to PET in quantifying pulmonary aerated volume andventilation, using PET as a gold standard. We found that lung ventilation and volume wereaccurately measured with EIT over a wide range of lung volume and minute ventilation. Wehave then described and validated a new model to obtain lung aerated volume and ventilationwith PET, without the requirement of gas sampling in the respiratory circuit. Finally, weconducted a controlled study with PET to evaluate the effects of positive end-expiratorypressure and body position on regional lung inflammation, ventilation and perfusion.Inflammation was significantly higher in injured groups than in control. However, there wasno significant change in inflammation across ALI groups despite significant differencebetween ventilation and perfusion repartition.We have developed in this work a stable experimental model of acute lung injury andvalidated noninvasive imaging tools allowing studying of important physiologic parametersthat could help setting up mechanical ventilation.