Techniques de mesures non-invasives appliquées aux écoulements biologiques : étude des bifurcations pulmonaires successives

par Agnès Ramuzat

Thèse de doctorat en Mécanique des systèmes biologiques

Sous la direction de Michel L. Riethmuller et de Christian Oddou.


  • Résumé

    La mécanique des fluides est l'une des approches du domaine de la biomécanique, qui permet, par l'étude des écoulements physiologiques, d'approfondir la connaissance des systèmes biologiques. Ce travail est composé de deux parties. La première consiste à établir une revue générale de trois techniques de pointe, non-intrusives la vélocimétrie laser Doppler, la vélocimétrie par images de particules (PIV) et l'angiographie par contraste de phase. Dans cette partie, deux études consacrées aux écoulements sanguins sont abordées les e��coulements derrière une valve cardiaque et ceux dans une jonction cavo-pulmonaire. La deuxième partie de cette recherche étudie les écoulements stationnaires et oscillatoires dans un réseau de bifurcations pulmonaires. La zone modélisée correspond aux générations 5, 6 et 7 de l'arbre bronchique, région où l'écoulement est laminaire et où le processus de transport est convectif. Les écoulements stationnaires inspiratoires et expiratoires ont été mesurés à l'aide des techniques de vélocimétrie laser. A l'inspiration, il est montré que les bifurcations ne peuvent pas être considérées comme indépendantes les unes des autres, pour des nombres de Reynolds entre 400 et 1500. A l'expiration, des visualisations mettent en évidence les mouvements secondaires qui sont dépendants du débit et provoquent la déformation de l'écoulement axial. Pour l'étude des écoulements oscillatoires, un système de quatre pistons est placé à la sortie de chaque branche du modèle, et le système contrôle l'écoulement en imposant un débit sinusoi͏̈dal autour d'un débit moyen nul pour simuler les phases d'inspiration et d'expiration. Les mesures sont effectuées en utilisant la technique de PIV résolue dans le temps. Les effets du nombre de Reynolds et du nombre de Womersley sont caractérisés en étudiant le développement temporel des profils de vitesse pour différentes positions dans le modèle.

  • Titre traduit

    Non-invasive measurement techniques applied to biological flows : study of multiple lung bifurcations


  • Résumé

    Fluid mechanics is one of the approaches in the field of biomechanical engineering, which allows, thanks to the study of physiological flows, to get a better understanding of biological systems. This research is divided into 2 parts. The first one consists in establishing a general review of three advanced non-invasive measurement techniques: laser Doppler velocimetry, particle image velocimetry (PIV) and magnetic resonance phase velocity mapping techniques. In this section, two studies dealing with blood flows are presented: flow downstream of a heart valve and flow in a total cavo-pulmonary connection. The second part of this research deals with the study of steady and oscillatory flows in a network of pulmonary bifurcations. The pulmonary zone under investigation conesponds to generations 5, 6 and 7 of the bronchial tree, the zone in the conducting part of the respiratory tract where the flow is laminar. Steady inspiratory and expiratory flows were investigated with laser velocimetry techniques. At inspiration, it is shown that the bifurcations cannot be considered independent from each other, for Reynolds numbers varying between 400 and 1500. At expiration, some visualisations show that secondary motions, which are flow rate dependent, induce the deformation of the axial flow. For the study of oscillatory flows, a system of four pistons was placed at the out of each branch of the model. The system controls the flow in imposing a sinusoidal flow rate around a mean value equal to zero, to simulate the inspiratory and expiratory phases. The measurements were performed using a turne resolved PIV technique. The effects of the Reynolds and Womersley numbers were characterised by studying the temporal flow development of the velocity profiles for different locations in the model.

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Informations

  • Détails : 243 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 215-221

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  • Bibliothèque : Université Paris-Est Créteil Val de Marne. Service commun de la documentation. Section multidisciplinaire.
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