Estimation continue d'indices de la commande nerveuse respiratoire par traitement numérique du signal de débit

Abstract

Le but principal de cette recherche est l'obtention d'un processus de traitement numérique permettant la détection et l'estimation continue de la commande nerveuse respiratoire par analyse de signaux de ventilation captés de façon non invasive. Cette recherche implique une description préalable des caractéristiques essentielles du système respiratoire. Une première étape consiste ainsi à analyser les différentes structures du système respiratoire autant sous son aspect de pompe respiratoire assurant la convection des gaz dans l'espace alvéolaire où s'effectue les échanges gazeux, que sous son aspect de contrôle par la description des centres nerveux respiratoires et de leurs connexions afférentes et efférentes. La description de la réponse à divers stimuli activant le système respiratoire met en évidence les processus de régulation permettant d'assurer de façon optimale la fonction principale du système respiratoire, soit la ventilation contrôlée du sang. Le chapitre 2 aborde les méthodes numériques pour l'exploration fonctionnelle respiratoire et en particulier d'un indice représentatif de la commande nerveuse respiratoire. La compression de données résultant de la caractérisation des cycles respiratoires en une série de paramètres permet une analyse continue de la dynamique ventilatoire. Cette approche euristique fournit une meilleure compréhension des problèmes soulevés par l'étude informatique des signaux respiratoires. S'appuyant sur cette caractérisation et disposant d'un indice ponctuel de la commande nerveuse, une étude approfondie de la cinématique respiratoire peut être abordée au chapitre 3. La conception théorique d'un modèle du système respiratoire permet la dissociation des processus de commande neurale et des caractéristiques passives mécaniques de l'appareil respiratoire. S'appuyant sur des études bibliographiques et de simulation, un modèle linéaire d'ordre 2 est choisi. La composante inertielle pulmonaire est reconnue non négligeable aux changements de phase respiratoire. L'approximation de linéarité du système respiratoire est effectuée en fonction de l'hypothèse de quasi stationnarité des signaux respiratoires sur des périodes inférieures au demi cycle et pour de faibles oscillations de la dynamique ventilatoire. L'objet de ce travail est d'estimer le flux neuromusculaire qui régit le système pulmonaire par analyse de chaque cycle de débit respiratoire. Le signal de débit respiratoire capté par un pneumotachomètre fournit une information très riche sur la cinématique respiratoire. Une segmentation précise de ce signal permet l'estimation des périodes respiratoires nerveuses non synchrones avec les périodes respiratoires mécaniques. Cette détection des occurrences de transition nerveuse permet l'application des algorithmes adaptatifs de prédiction linéaire sur la séquence d'expiration nerveuse. Une étude de l'innovation estimée et du signal d'accélération aux transitions nerveuses d'inspiration permet la synthèse de nouveaux paramètres respiratoires proportionnels respectivement à la commande nerveuse respiratoire et à la pression effective disponible en début d'inspiration. Des paramètres représentatifs de la variation de la commande respiratoire et de l'énergie emmagasinée dans la composante élastique pulmonaire en fin d'inspiration, sont également synthétisés. La mise en oeuvre du traitement numérique de modélisation est analysée au chapitre 4. Des méthodes originales et fonctionnelles sont décrites pour filtrer et segmenter les signaux respiratoires et finalement un projet de système numérique à micro-processeur est proposé dans le but d'effectuer la modélisation du système respiratoire en temps réel sur le site des enregistrements expérimentaux. La validation des nouveaux paramètres de commande est obtenue par la comparaison de la réponse des nouveaux paramètres de commande vis à vis des indices classiques représentatifs du contrôle nerveux respiratoire. De très bonnes corrélations ont été obtenues entre ces paramètres durant tous les tests physiologiques spécifiques effectués sur cinq patients. Une discussion sur les limites de cette validation et sur les unités des nouveaux paramètres aboutit à des propositions de nouveaux tests physiologiques spécifiques d'étude et de nouvelles voies de recherche.