La délivrance de médicaments lors de la mise en œuvre de thérapies inhalées est dépendante de nombreux facteurs. Parmi ceux-ci la morphologie des voies aériennes supérieures(VAS) et en particulier celle de la région glottique est déterminante dans les mécanismes de dépôt de particules par impaction inertielle. Dans le cadre de ce travail, il est examiné d’une part la dynamique glottique durant différentes modalités de respiration et d’autre part déterminé numériquement l’effet de ces mouvements et des conditions de respiration associées sur le dépôt des aérosols dans les VAS.Une étude clinique a été menée dans un premier temps sur un panel de 20 sujets sains (10 hommes et 10 femmes) au sein du service ORL de l’hôpital de la Timone à Marseille pour déterminer le mouvement glottique durant différentes tâches de ventilation allant d’une respiration normale avec moins de 20 cycles/min à une ventilation accélérée jusqu’à 90 cycles/min. L’acquisition des mouvements glottiques a été réalisée par imagerie numérique durant un examen de laryngoscopie avec mesure simultanée des débits associés aux différentes tâches de respiration.Les mesures expérimentales montrent que la géométrie glottique varie pendant la respiration en fonction de la tâche de respiration, du volume courant et de la fréquence respiratoire. Une étude statistique a permis d’isoler deux comportements types l’un où l’aire glottique demeure sensiblement constante durant la respiration et l’autre ou une variation de cette même aire est observée. Sur ce dernier groupe d’individus la variation d’aire maximale observée sur les hommes est de 26%, l’ouverture maximale étant atteinte durant la phase d’inspiration et l’aire minimale durant l’expiration.Ces résultats, ainsi que des données anatomiques, ont permis de construire un modèle géométrique idéalisé des VAS. Ce modèle reproduit fidèlement les principales singularités des voies extrathoraciques en apportant un grand soin à la description de la région glottique. Le transport et le dépôt d’aérosols dans ce modèle a été étudié en ayant recours à des simulations numériques3D de l’écoulement cyclique. Une étude paramétrique a permis d’évaluer l’influence sur le dépôt de l’écoulement cyclique, de la nature du gaz porteur (Air vs mélange d’hélium-oxygène), de la prise en compte de la dynamique glottique et de la taille des particules.Les résultats mettent principalement en évidence une nette diminution de la part extrathoracique du travail respiratoire lors de l’emploi du mélange He-O2 et un écoulement de type jet en aval de la glotte durant l’inspiration associé à une recirculation sous le plancher glottique. Le mécanisme de dépôt principal étant l’impaction inertielle (pour les tailles des particules 1 - 10μm)le zone principale de dépôt est situé dans l’oropahrynx, quelles que soient les conditions pendant inspiration. La fraction de dépôt augmente rapidement avec le diamètre des particules atteignant près de 80% pour les particules de 10μm et diminuer deux fois pour He-O2 en comparaison avec air.Finalement, la dynamique du dépôt ne varie pas de façon significative entre le modèle où la glotte est considérée comme statique et celle où elle est mobile. Donc, dans les conditions de respiration normal le mouvement de la glotte peut être négligé. / During inhaled therapies several factors limits the amount of drug delivered to the lungs. E.g. the upper airways morphology and in particular the glottis, defined by the vocal-fold aperture, causes upper airways to narrow in a minimal cross section, which is determinant on aerosol depo sition by inertial impaction. This thesis aims to (i) investigate evolution of the glottal area during breathing, and (ii) predict the effects of a dynamic glottis and realistic airflow conditions on the aerosol deposition in upper airways using three-dimensional simulations.First, a clinical study was conducted on 20 healthy volunteers (10 males and 10 females) to explore the glottal motion during several specifie slow (below 20 cycles/min) and rapid breathing tasks (up to 90 cycles/min). The breathing was investigated simultaneously for the glottal area variations using laryngoscopie video recordings and for airflow rate using oral flowmeter.The experimental measurements showed that the glottal geometry observed during a breathing cycle can be extremely variable depending on the respiratory phase, tidal volume, and breathing frequency. Testing the dynamic behaviour of the glottis during breathing, two groups of subjects were identified: one with relatively constant glottal area and other with significant variations. In average, the variations for the latter group of subjects was observed for males at 26% comparing maximale and minimal glottal opening during inspiration and expiration respectively.The results of the clinical study together with anatomical morphological data served to create a madel with idealised geometry of upper airways. This madel represents the major geometrical characteristics of upper airways with special interest in the glottal region. Transport and deposition of aerosols was studied using 3D numerical cyclic simulations and parametrical analysis allowed to evaluate the influence of the cyclic flow, glottal dynamics, type of carrier gas (air or helium-oxygen mixture) and particle size on the deposition of aerosols in the upper airways.The numerical simulations demonstrated significant decrease of respiration work with He-02 and jet-like flow with recirculation zone in the oro-pharynx and downstream the glottal plane. The principal deposition mechanism is inertial impaction (for the particle diameters 1 - lOiJ.m) with most significant deposition region in the oro-pharynx. Important parameters for deposition are the particle size and the nature of carrier gas. For He-02 the deposition reaches two times smaller values than for air and the fraction of deposited particles increases significantly with diameter, reaching 80% of deposited efficiency for 10 iJ.m particles. Finally, the CFD results demonstrated negligible differences in aerosol transport and deposition between different glottal characteristics. Therefore, in normal breathing conditions the glottal motion can be neglected
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2015ECDM0001 |
| Date | 12 January 2015 |
| Creators | Scheinherr, Adam |
| Contributors | Ecole centrale de Marseille, Boiron, Olivier, Bailly, Lucie |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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