Consequences of asymmetry and bronchi compliance on the hydrodynamic properties of the lung, applications to chest physiotherapy
Conséquences de l’asymétrie et de la compliance des bronches sur les propriétés hydrodynamiques du poumon, applications à la kinésithérapie respiratoire
Résumé
The lung is an organ whose the role is to transport oxygen from the ambient air to the blood and to extract carbon dioxide from the blood. It is a tree-like structure of bronchi, the bronchial tree, connected to an exchange surface, the acini.
The bronchial bifurcations are asymmetric: the bronchi divides into two daughter bronchi of different sizes. The topology of the tree is asymmetric : the number of bifurcations that connect the trachea to the acini is not constant. The bronchi wall is deformable (compliance) and their geometries are affected by the transmural pressure, i.e., the pressure difference between the surrounding tissue and the air flowing inside the bronchi. These characteristics affect the hydrodynamic properties of the tree.
As an interface with the external air, it is constantly in contact with external particles. The bronchial mucus plays a protective role by capturing these particles. Normally, the mucus is naturally drained out of the lung. The mucus should not stagnate in the bronchi because stagnation increases the probability of developing an infection. When stagnation occurs, chest physiotherapy is often prescribed. The physiotherapists usually perform technics using the air shear stress to stimulate the mucus extraction. However, the expiratory conditions that allow to mobilize the mucus are not clearly defined.
This thesis is based on three steps that allow to analyze the influence of the bifurcations asymmetry and of the compliance on the distribution of the shear stress induced by the airflow in the bronchi. Our three studies use a 0D model for each bronchus. The air hydrodynamic into each bronchus is simplified, either with a Poiseuille flow or with a “modified Poiseuille” flow that includes some inertial effects.
The first step consists in understanding the air shear stress repartition in a symmetric tree with compliant bronchi. We show that this repartition exhibits a maximum whose location and amplitude depend on the flowrate in the trachea and on the pressure in the pulmonary tissue. This study shows also that one partial obstruction might “hide” others localized deeper in the lung. The comparison of our results with a typical yield shear stress of the mucus allows to develop, in the limits of our model, idealized chest physiotherapy technics for mucus draining.
The second step aims at understanding the link between the bifurcation’s asymmetry and the hydrodynamics in a fractal and rigid tree. We propose in this part the hypothesis that the pulmonary asymmetry selection is linked to the optimization of a cost linked to the tree’s hydrodynamic resistance, under a constraint on the tree’s volume. Our analysis allows to propose a scenario that explains the difference in asymmetry observed between mammals.
Finally, the third step aims at studying the shear stress repartition in a tree with asymmetric bifurcations and compliant bronchi. We show that the distribution of the air shear stress induced by a Poiseuille flow in trees with symmetric bifurcations and with asymmetric bifurcations have similar behaviors. However, the asymmetric case presents a spread of the shear stresses in the distal part of the tree, and bronchi with similar properties can have very different shear stresses.
This research, based on the alliance of mathematics, physics, biology and medicine, allowed to improve our understanding of both the bifurcation asymmetry, the bronchi compliance and their effect on the airflow hydrodynamic. Particularly, this allowed to further understand the influence of the air shear stress on the mucus flow during chest physiotherapy.
Le poumon est un organe dont le rôle est de transporter l'oxygène de l’air ambiant vers le sang et d’en extraire le dioxyde de carbone. Il est constitué d’une structure arborescente de bronches, l’arbre bronchique, connecté à une surface d'échange, les acini.
Les bifurcations bronchiques sont asymétriques :
les bronches se divisent en deux bronches filles de taille différente. La topologie de l’arbre est asymétrique : le nombre de bifurcations nécessaires pour connecter la trachée aux acini est variable. Les bronches ont une paroi déformable (compliance) et leur géométrie dépend de la pression transmurale, i.e. la différence de pression entre les tissus les entourant et l'air y circulant. Ces caractéristiques affectent leurs propriétés hydrodynamiques.
En tant qu'interface avec l'air extérieur, il est constamment sous l'afflux de particules externes. Le mucus bronchique joue un rôle protecteur en piégeant ces particules. En temps normal, le mucus est naturellement drainé hors du poumon. Si le mucus stagne dans les bronches, les risques de développement d’infections deviennent élevés. Dans ce cas, de la kinésithérapie respiratoire est souvent prescrite. Les kinésithérapeutes utilisent, entre autres, les forces de cisaillement de l’air pour aider à l’extraction du mucus. Toutefois, les conditions expiratoires qui permettent de mettre le mucus en mouvement ne sont pas clairement établies.
Cette thèse est constituée de trois étapes qui nous permettent d’analyser l’influence de l’asymétrie et de la compliance des bronches sur la distribution des contraintes de cisaillement induites par l’air dans les bronches. Nos trois études utilisent une modélisation 0D de chaque bronche. L’hydrodynamique de l’air à l’intérieur de chaque bronche est simplifiée, soit par un écoulement de Poiseuille, soit par un écoulement de « Poiseuille modifié » incluant certains effets inertiels.
La première étape consiste à comprendre d’abord la répartition du cisaillement dans un arbre symétrique avec des bronches compliantes. Nous montrons que cette répartition présente un maximum dont la position et l’amplitude sont déterminées en fonction du débit à la trachée et de la pression dans les tissus pulmonaires. Cette étude montre aussi qu’une obstruction partielle « cache » d’autres obstructions plus profondes dans le poumon. La comparaison des résultats avec un cisaillement seuil représentatif du mucus a permis de développer des techniques idéalisées de kinésithérapie visant à l’extraction de mucus.
La seconde étape vise à comprendre le lien entre l’asymétrie des bifurcations et l’hydrodynamique dans un arbre fractal et rigide. Nous proposons dans cette partie l’hypothèse que la sélection de l’asymétrie pulmonaire est associée à l’optimisation d’un coût lié à la résistance hydrodynamique de l’arbre, sous une contrainte de volume de l’arbre. Notre analyse permet de proposer un scénario pour expliquer les différences d’asymétrie observée chez les mammifères.
Enfin, la troisième étape vise à étudier la distribution des contraintes de cisaillement dans un arbre à bifurcations asymétriques et à bronches déformables. Nous montrons que les distributions du cisaillement dues à un écoulement de Poiseuille dans un arbre à bifurcations asymétrique et symétrique sont comparables. Toutefois, celle du cas asymétrique présente un étalement dans l’arbre distal, et des bronches avec des propriétés similaires peuvent avoir des cisaillements très différents.
Ces travaux, basés sur l’alliance des mathématiques, de la physique, de la biologie et de la médecine ont permis d’améliorer notre compréhension à la foi de l’asymétrie des bifurcations bronchiques, de la compliance bronchique et de leurs effets sur l’hydrodynamique de l’air en son sein. En particulier, cela nous a permis de mieux comprendre le rôle du cisaillement de l’air sur l’écoulement du mucus dans les techniques de kinésithérapie.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)