Étude, modélisation et simulation du système respiratoire

Abstract

L'étude porte sur les oscillations de la respiration: l'analyse des signaux respiratoires dans le but de caractériser les modes oscillants et l'analyse du système pulmonaire lui-même. Trois approches sont proposées afin de quantifier et modéliser les oscillations respiratoires et la stabilité du système respiratoire. La première méthode abordée consiste en l'analyse auto-régressive intégrée à moyenne ajustable <ARIMA> de séries chronologiques. Les séries sont composées des paramètres, standard décrivant les cycles respiratoires: Ve, VT, VEX, ETFO2, ETFCO2, TI, TE, TT etc. Ce type d'analyse est tout à fait approprié pour l'analyse de phénomènes cycliques de séries d'évènements. Il s'agit d'établir une dépendance statistique entre une variable dépendante (un paramètre standard) et d'autres variables indépendantes de façon à modéliser la stratégie de contrôle guidant le comportement de la mécanique respiratoire. Le but est de définir (ou de prédire) les volumes échangés à chaque cycle respiratoire ainsi que les temps d'inspiration et d'expiration pour chaque cycle à partir de la consigne ventilatoire du système de régulation qui peut être représenté par la ventilation minute (Ve). La seconde méthode consiste à modéliser les modes oscillants de la modulation du débit respiratoire. La détection de cette modulation par l'utilisation de filtres à réponse impulsionnelle finie (FIR) et d'un algorithme d'identification permettent de construire des modèles décrivant l'oscillation de la ventilation moyenne. Les pôles du modèle quantifient l'amortissement et la fréquence oscillatoire, qui sont les caractéristiques les plus importantes des oscillations respiratoires. Cette technique est basée sur l'hypothèse qu'il s'agit d'une régulation en boucle fermée où les oscillations respiratoires proviennent de perturbations sur la consigne et les conditions environnantes. La troisième méthode est basée sur la formulation d'un modèle déterministe global du système respiratoire. Le modèle est à trois compartiments (poumon, tissus cérébraux et tissus musculaires) reliés par le système sanguin. La régulation de la respiration est simulé par un régulateur simple combiné aux principaux réflexes respiratoires. Ce modèle permet de reproduire le fonctionnement du système respiratoire dans son ensemble et de simuler le comportement de la respiration pour diverses situations pathologiques. Les paramètres du modèle sont extraits de données expérimentales ou tirées de la littérature. Plusieurs composantes du système respiratoire demeurent toujours inconnues, ceci implique l'ajustement du modèle de façon à obtenir un comportement similaire aux signaux mesurables et disponibles. Les données utilisées proviennent de signaux recueillis sur des agneaux agés de 2 à 10 jours. Les signaux sont les débits respiratoires, les fractions gazeuses (O2 et CO2) et la pression oesophagienne (i.e. la pression musculaire mesurée au niveau de l'oesophage, pour estimer la pression transpulmonaire). Ces signaux permettent de retrouver les paramètres cycliques de la respiration ainsi que plusieurs caractéristiques importantes pour la formulation du modèle déterministe du système respiratoire. Bien que peu nombreuses, les principales variables du système respiratoire sont difficilement mesurables: les trois approches mentionnées sont intéressantes puisqu'elles quantifient et définissent quelques variables importantes de la respiration. La première méthode permet de trouver des paramètres pour décrire la régulation centrale; la seconde méthode de quantifier et caractériser les oscillations respiratoires; la troisième méthode est une approche globale pouvant servir à l'analyse du système respiratoire dans son ensemble et, en particulier, elle peut être développée pour l'analyse des oscillations.