L'écoulement gazeux inspiratoire dans les Voies Aériennes Supérieures (VAS) nasales est étudié en condition stationnaire numériquement et expérimentalement dans trois géométries choisies pour leur caractère particulièrement réaliste : une géométrie nasale post mortem issue d'un modèle de tête plastinée, et deux géométries VAS (l'une « saine », l'autre « pathologique ») obtenues in vivo à partir de données tomodensitométriques de patients. Le modèle de « nez plastiné » est lui aussi scannographié et sa géométrie est numériquement reconstruite en 3D. L'étude numérique (calcul CFD) consiste à résoudre les équations de Navier-Stokes dans chaque géométrie reconstruite en 3D après facétisation (sur Amira) puis génération de différents maillages volumiques (Amira ou Gambit TGrid), en régime laminaire et/ou turbulent et des débits inspiratoires jusqu'à 1 L/s. L'étude expérimentale consiste à mesurer les relations chute de pression - débit (jusqu'à 1,5 L/s) entre la région d'entrée du nez et la sortie des VAS, sur le modèle de nez plastiné et sur le modèle physique des VAS saines obtenu par stéréolithographie. Après définition des sections d'intérêt de chaque modèle sur des critères anatomiques et mécaniques, l'axe central est défini par tronçon comme la ligne joignant les points médians des sections et leur validation est faite à l'aide de la méthode de réflexion acoustique sur le modèle de nez plastiné. Les résultats concernent: (i) la comparaison expérimentale-numérique conduite sur la chute de pression globale dans deux modèles qui montre un écart inférieur à 10% jusqu'à un débit de 0,4 L/s ; (ii) la caractérisation comparée des trois géométries à partir de l'évolution sur l'axe du nez des valeurs d'aire, de diamètre hydraulique et du nombre de Reynolds local ; (iii) l'importance relative, au demeurant très variable en fonction de la géométrie de chaque modèle, des trois courants délimités par les cornets inférieur, moyen et supérieur ; (iv) les pertes de charge et les variations d'énergie cinétique en fonction du nombre de Reynolds, définis globalement ou par tronçon. Dans l'ensemble, les résultats révèlent le caractère complexe de l'écoulement nasal : essentiellement laminaire mais perturbé par la succession des changements géométriques le long de l'axe nasal, présentant une similitude entre narines gauche et droite dans la géométrie de nez plastiné mais non observée dans la géométrie in vivo, probablement en raison des phénomènes vaso-moteurs. Cette étude confirme l'intérêt d'utiliser la CFD dans la géométrie nasale propre à chaque patient.

L'air que nous respirons au travers des voies aériennes supérieures est essentiel pour la vie et pour la communication orale. Dans les études de production de parole humaine, l'écoulement d'air est en général extrêmement simplifié. Or cet écoulement est complexe car turbulent et fortement sensible aux conditions limites. Dans le cas de la production de fricatives non voisées, une description plus fine de l'écoulement s'avère nécessaire pour pouvoir modéliser correctement les mécanismes aéroacoustiques sous-jacents. A l'aide d'expériences in-vitro et de simulations numériques, l'objectif de cette thèse est de contribuer à la modélisation et la caractérisation aéroacoustique d'écoulements dans des configurations de type canal avec obstacle(s), avec application à la production de fricatives non voisées. Une attention toute particulière est portée à l'influence des conditions limites et à la turbulence. / Airflow through the human upper airways is essential for life and for oral communication. In studies dealing with human speech production, airflow is mostly severely simplified. Nevertheless, this airflow is complex owing to turbulence and extreme sensitivity to boundary conditions. Recently, deeper attention has been given to characterize the airflow in the case of unvoiced fricative production and the necessity of obtaining a more detailed flow description has been outlined. With the aid of in-vitro experiments and numerical simulations, the aim of the current PhD research is to contribute to the aeroacoustic modeling and characterization of airflows through various configurations of ducts with obstacle(s), relevant for unvoiced fricative speech production. Special interest is given to the influence of boundary conditions and to turbulence.

La prise en charge des pathologies obstructives des voies aériennes supérieures (VAS) de l'enfant est actuellement basée sur l'évaluation de l'obstruction lors d'une endoscopie sous anesthésie générale. Cet examen a une morbidité non négligeable et les contraintes pesant sur un enfant atteint d'une pathologie obstructive des VAS sont lourdes. La difficulté de quantifier de manière simple et précise l'obstruction des VAS et son retentissement justifie l'évaluation de nouvelles techniques. L'objectif de ce travail a été d'étudier des méthodes d'explorations, non ou peu invasives, de ces pathologies obstructives : la méthode de réflexion acoustique (MRA) et la mesure du travail respiratoire. La MRA est basée sur l'analyse de la réflexion d'une onde sonore dans les VAS. Le travail respiratoire est la mesure de l'effort fourni par les muscles respiratoires au cours de la respiration. Nous avons démontré que la MRA était applicable chez l'enfant de plus de 2 ans. Des mesures sur des enfants atteints de mucoviscidose et de mucopolysaccharidose ont permis d'étudier les résistances des VAS et leur évolution au cours de la maladie. Chez l'enfant plus jeune, quand la MRA est impossible, nous avons mis en évidence chez des nourrissons atteints d'une séquence de Robin et présentant un travail respiratoire très augmenté qu'une ventilation non invasive était capable de diminuer l'effort fourni et d'améliorer l'évolution clinique Les méthodes d'explorations peu ou non invasives des VAS de l'enfant sont prometteuses car simples, sans danger, et potentiellement complémentaires d'autres examens plus invasifs. Leur réalisation en routine est envisageable dans de nombreux cas de figure

Les potentiels évoqués respiratoires (PER) correspondent aux projections corticales d'afférences mises en jeu lors d'occlusions inspiratoires brèves. Ils pourraient constituer un outil d'étude des voies afférentes et des systèmes d'intégrations cérébraux impliqués dans le contrôle supra-pontique de la ventilation et dans certaines sensations respiratoires. Les travaux présentés dans cette thèse visent à caractériser les déterminants des PER et à étudier leurs éventuelles modifications au cours du syndrome d'apnées obstructives du sommeil sévère. La première étude montre que la fatigue diaphragmatique ne modifie pas les caractéristiques des PER. La deuxième étude suggère un rôle déterminant des afférences provenant des voies aériennes supérieures dans la constitution des PER. La troisième étude montre que l'anesthésie locale des voies aériennes supérieures n'affecte pas les PER. La quatrième étude révèle que la transmission au cortex cérébral d'informations relatives à l'occlusion inspiratoire des voies aériennes supérieures, est normale au cours du syndrome d'apnées obstructives du sommeil, à l'éveil. Elle met cependant en évidence l'existence d'anomalies du traitement cortical d'informations de source respiratoire. Le rôle de ces anomalies dans une éventuelle prolongation des troubles respiratoires nocturnes, reste à déterminer. Au terme de ce travail, et aux vues des différentes données de la littérature, il apparaît que les déterminants des PER sont probablement multiples et complexes. La place de cette technique en tant qu'outil d'investigation des sensations respiratoire reste à préciser.

Le syndrome des apnées obstructives du sommeil (SAOS) est caractérisé par des épisodes répétitifs de collapsus des voies aériennes supérieures (VAS) durant le sommeil. Au cours du SAOS les propriétés mécaniques des voies aériennes supérieures sont altérées, dans le sens d'une réduction de leur capacité à laisser passer l'air, ce qui peut être assimilé à une "charge" inspiratoire. Les apnées obstructives ne se produisent jamais à l'éveil, suggérant qu'il existe, des mécanismes protecteurs d'origine corticale, de type " compensation de charge ", liés à l'éveil. Ce travail permis de caractériser ces mécanismes chez le sujet sain et le patient SAOS. Une première étude a décrit la relation pression/débit des VAS à l'éveil afin d'approcher le phénomène de compensation de charge, avant et après un traitement modulant le contrôle neurovégétatif des VAS par la compression du ganglion ptérygopalatin. La deuxième étude a mis en évidence à l'éveil chez les patients SAOS, une activité corticale motrice liée à la respiration (présence de potentiels électroencephalographiques - PPI), dont l'origine semble liée à la dysfonction des VAS, et qui est susceptible d'expliquer l'augmentation du niveau de contrôle respiratoire central connu dans le SAOS. La troisième étude a mis en évidence un phénomène de filtrage des sensations respiratoires à l'éveil chez des patients SAOS, avec restauration des ces sensations sous orthèse d'avancée mandibulaire, permettant de relier l'amélioration des propriétés mécaniques des VAS à l'intégration centrale des sensations respiratoires. Enfin la relation pression/débit a fait l'objet de deux modélisations. / The obstructive sleep apnoea syndrome (OSAS) involves recurrent sleep-related upper airways (UA) collapse. UA mechanical properties and neural control are altered imposing a mechanical load on inspiration. UA collapse does not occur during wakefulness, hence arousal-dependent compensation. Three studies in healthy and apnoeic patients allowed characterizing it. From upper-airway pressure-flow relationships, the first study described local compensation mechanisms, before and after a neurovegetative modulation based on ptérygopalatin node compression. The second study showed a respiratory-related cortical activity that could contribute to the increased neural drive to upper airway and to inspiratory muscles that has previously been described in OSAS, and could therefore contribute to the arousal-dependent compensation of upper airway abnormalities. The third study showed a sensory gating-out process of breathing sensations in OSAS that could be reversed by mandibular advancement device, allowing linking upper-airway stability improvement to central integration of respiratory sensations. Finally, upper-airway pressure-flow relationship was approached by two models.

Introduction : L’expansion palatine rapide assistée chirurgicalement (EPRAC) est une option de traitement privilégiée chez les patients ayant atteint la maturité squelettique et présentant une déficience transverse du maxillaire. L’effet bénéfique de l’EPRAC sur la fonction respiratoire est régulièrement mentionné, toutefois, encore peu d’études ont évalué son impact sur les voies aériennes supérieures. L’objectif de cette étude clinique prospective comparative consistait à évaluer les effets tridimensionnels de l’EPRAC sur la cavité nasale, le nasopharynx et l’oropharynx à l’aide de la tomodensitométrie. Méthodologie : L’échantillon était constitué de 14 patients (5 hommes, 9 femmes) dont l’âge moyen était de 23,0 ± 1,9 ans (16 ans 4 mois à 39 ans 7 mois). Tous ont été traités avec un appareil d’expansion de type Hyrax collé et l’expansion moyenne a été de 9,82 mm (7,5 - 12,0 mm). Tous ont eu une période de contention d’une année avant le début de tout autre traitement orthodontique. Une évaluation par tomodensitométrie volumique à faisceau conique a été réalisée aux temps T0 (initial), T1 (6 mois post-expansion) et T2 (1an post-expansion) et le volume des fosses nasales, du nasopharynx et de l’oropharynx ainsi que les dimensions de la zone de constriction maximale de l’oropharynx ont été mesurés sur les volumes tridimensionnels obtenus. Résultats : Les résultats radiologiques ont démontré une augmentation significative du volume des fosses nasales et du nasopharynx ainsi qu’une augmentation de la zone de constriction maximale de l’oropharynx à 6 mois post-expansion. Par la suite, une portion du gain enregistré pour ces trois paramètres était perdue à un an post-EPRAC sans toutefois retourner aux valeurs initiales. Aucun effet significatif sur le volume de l’oropharynx n’a été observé. De plus, aucune corrélation significative entre la quantité d’expansion réalisée et l’ensemble des données radiologiques n’a été observée. L’analyse de la corrélation intra-classe a démontré une excellente fiabilité intra-examinateur. Conclusions : L’EPRAC entraîne un changement significatif du volume de la cavité nasale et du nasopharynx. L’EPRAC ne modifie pas le volume de l’oropharynx, par contre, un effet significatif sur la zone de constriction maximale de l’oropharynx est noté. Les effets observés n’ont pas de corrélation avec le montant d’activation de la vis d’expansion. / Introduction: Surgically assisted rapid palatal expansion (SARPE) is a treatment of choice for patients who have reached skeletal maturity and present a maxillary transverse deficiency. It is often mentioned that SARPE has the benefit to improve respiratory function, however, only a few research projects have investigated the effects of SARPE on the upper airways. The objective of this clinical prospective comparative study was to evaluate the three-dimensional effects of SARPE on the nasal cavity, the nasopharynx and the oropharynx using computed tomography. Materials and Methods: The sample consisted of 14 subjects (5 males, 9 females) whose mean age was 23.0 ± 1.9 years (range: 16 y. 4 mo. to 39 y. 7 mo.). All patients were treated using a bonded Hyrax expander and the mean expansion was 9.82 mm (7.5-12.0 mm). A one-year retention period was undertaken before the beginning of any other orthodontic treatment. A cone-beam computed tomography (CBCT) evaluation was performed at T0 (initial), T1 (6 months post-expansion) and T2 (1 year post-expansion), and then the nasal cavity, nasopharyngeal and oropharyngeal volumes and the oropharyngeal minimal cross-sectional area were measured on the three-dimensional volumes that were obtained. Results: Radiological results have demonstrated a significant increase of the nasal and nasopharyngeal volumes and also an increase of the oropharyngeal minimal cross-sectional area at 6 months post-expansion. At one year post-SARPE, for these three parameters, a part of the gain was lost but did not return to the initial values. No significant effect on oropharyngeal volume was found. No significant correlation between expansion screw activation and radiological parameters were noted. Intra-class correlation analysis showed excellent intra-examiner reliability. Conclusions: SARPE causes significant changes of the nasal cavity and nasopharyngeal volumes. SARPE does not modify the oropharyngeal volume, but induces significant changes of the oropharyngeal minimal cross-sectional area. The observed effects do not have a correlation with the amount of expansion screw activation.

De nouveaux enjeux émergent dans le domaine de la Santé en raison du vieillissement de la population et du développement inquiétant de la Maladie d’Alzheimer (MA). Chez le sujet sain ou pathologique, peu d’études ont porté sur le vieillissement du contrôle nerveux de la respiration, en dépit de son rôle crucial pour l’oxygénation du cerveau. Cette thèse présente des recherches translationnelles, réalisées chez la souris, pour étudier le vieillissement physiologique et pathologique du contrôle nerveux de la respiration. Chez des souris transgéniques, modèles reconnus de la MA et du syndrome de Rett, nous décrivons le développement de neuropathologies respiratoires graves, conduisant à un décès prématuré. Nous montrons pour la première fois qu’une tauopathie du tronc cérébral altère le fonctionnement des voies aériennes supérieures, la vocalisation et la respiration. De plus, nos travaux suggèrent un rôle délétère de l’anesthésie pour la MA et identifient des pistes thérapeutiques nouvelles. En conclusion, nos travaux chez la souris peuvent avoir des retombées particulièrement intéressantes notamment pour la MA. / New issues are emerging in the field of Health care due to ageing of the population and the alarming development of Alzheimer’s Disease (AD). In healthy or pathological living being, very few studies are dealing with the ageing of the respiratory nervous control, in spite of the crucial role of respiration for brain oxygenation. This thesis presents translational research performed in mice to examine the physiological and pathological ageing of the respiratory nervous control. In mice from two transgenic strains, recognized models for AD and Rett syndrome, we describe the development of drastic respiratory neuropathologies leading to premature death. In the AD mouse model, we show for the first time that brainstem tauopathy triggers dysfunctions of the upper airways, impairs vocalization and alters respiration and respiratory control. In addition, our work suggests a deleterious effect of anaesthesia for AD and identifies new therapeutic strategies. This mouse research could well contribute to significant improvements in AD care.

Introduction : L’expansion palatine rapide assistée chirurgicalement (EPRAC) est une option de traitement privilégiée chez les patients ayant atteint la maturité squelettique et présentant une déficience transverse du maxillaire. L’effet bénéfique de l’EPRAC sur la fonction respiratoire est régulièrement mentionné, toutefois, encore peu d’études ont évalué son impact sur les voies aériennes supérieures. L’objectif de cette étude clinique prospective comparative consistait à évaluer les effets tridimensionnels de l’EPRAC sur la cavité nasale, le nasopharynx et l’oropharynx à l’aide de la tomodensitométrie. Méthodologie : L’échantillon était constitué de 14 patients (5 hommes, 9 femmes) dont l’âge moyen était de 23,0 ± 1,9 ans (16 ans 4 mois à 39 ans 7 mois). Tous ont été traités avec un appareil d’expansion de type Hyrax collé et l’expansion moyenne a été de 9,82 mm (7,5 - 12,0 mm). Tous ont eu une période de contention d’une année avant le début de tout autre traitement orthodontique. Une évaluation par tomodensitométrie volumique à faisceau conique a été réalisée aux temps T0 (initial), T1 (6 mois post-expansion) et T2 (1an post-expansion) et le volume des fosses nasales, du nasopharynx et de l’oropharynx ainsi que les dimensions de la zone de constriction maximale de l’oropharynx ont été mesurés sur les volumes tridimensionnels obtenus. Résultats : Les résultats radiologiques ont démontré une augmentation significative du volume des fosses nasales et du nasopharynx ainsi qu’une augmentation de la zone de constriction maximale de l’oropharynx à 6 mois post-expansion. Par la suite, une portion du gain enregistré pour ces trois paramètres était perdue à un an post-EPRAC sans toutefois retourner aux valeurs initiales. Aucun effet significatif sur le volume de l’oropharynx n’a été observé. De plus, aucune corrélation significative entre la quantité d’expansion réalisée et l’ensemble des données radiologiques n’a été observée. L’analyse de la corrélation intra-classe a démontré une excellente fiabilité intra-examinateur. Conclusions : L’EPRAC entraîne un changement significatif du volume de la cavité nasale et du nasopharynx. L’EPRAC ne modifie pas le volume de l’oropharynx, par contre, un effet significatif sur la zone de constriction maximale de l’oropharynx est noté. Les effets observés n’ont pas de corrélation avec le montant d’activation de la vis d’expansion. / Introduction: Surgically assisted rapid palatal expansion (SARPE) is a treatment of choice for patients who have reached skeletal maturity and present a maxillary transverse deficiency. It is often mentioned that SARPE has the benefit to improve respiratory function, however, only a few research projects have investigated the effects of SARPE on the upper airways. The objective of this clinical prospective comparative study was to evaluate the three-dimensional effects of SARPE on the nasal cavity, the nasopharynx and the oropharynx using computed tomography. Materials and Methods: The sample consisted of 14 subjects (5 males, 9 females) whose mean age was 23.0 ± 1.9 years (range: 16 y. 4 mo. to 39 y. 7 mo.). All patients were treated using a bonded Hyrax expander and the mean expansion was 9.82 mm (7.5-12.0 mm). A one-year retention period was undertaken before the beginning of any other orthodontic treatment. A cone-beam computed tomography (CBCT) evaluation was performed at T0 (initial), T1 (6 months post-expansion) and T2 (1 year post-expansion), and then the nasal cavity, nasopharyngeal and oropharyngeal volumes and the oropharyngeal minimal cross-sectional area were measured on the three-dimensional volumes that were obtained. Results: Radiological results have demonstrated a significant increase of the nasal and nasopharyngeal volumes and also an increase of the oropharyngeal minimal cross-sectional area at 6 months post-expansion. At one year post-SARPE, for these three parameters, a part of the gain was lost but did not return to the initial values. No significant effect on oropharyngeal volume was found. No significant correlation between expansion screw activation and radiological parameters were noted. Intra-class correlation analysis showed excellent intra-examiner reliability. Conclusions: SARPE causes significant changes of the nasal cavity and nasopharyngeal volumes. SARPE does not modify the oropharyngeal volume, but induces significant changes of the oropharyngeal minimal cross-sectional area. The observed effects do not have a correlation with the amount of expansion screw activation.

L'air que nous respirons au travers des voies aériennes supérieures est essentiel pour la vie et pour la communication orale. Dans les études de production de parole humaine, l'écoulement d'air est en général extrêmement simplifié. Or cet écoulement est complexe car turbulent et fortement sensible aux conditions limites. Dans le cas de la production de fricatives non voisées, une description plus fine de l'écoulement s'avère nécessaire pour pouvoir modéliser correctement les mécanismes aéroacoustiques sous-jacents. À l'aide d'expériences in-vitro et de simulations numériques, l'objectif de cette thèse est de contribuer à la modélisation et la caractérisation aéroacoustique d'écoulements dans des configurations de type canal avec obstacle(s), avec application à la production de fricatives non voisées. Une attention toute particulière est portée à l'influence des conditions limites et à la turbulence.

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