Mathematical modelling of particle transport and deposition in the acinar region of the lung

par Pierre-Antoine Muller

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur

Sous la direction de Daniel Isabey.

Soutenue le 01-03-2011

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Institut Mondor de Recherche Biomédicale (Créteil) (laboratoire) et de Institut Mondor de Recherche Biomédicale (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuel Durand.

Le jury était composé de Daniel Isabey, Valérie Deplano, Vincent Fleury, Marine Pichelin.

Les rapporteurs étaient Chantal Darquenne, Marcel Filoche.

  • Titre traduit

    Modélisation du transport et du dépôt de particules dans la région acinaire du poumon


  • Résumé

    Cette thèse a pour cadre la modélisation du dépôt de particules dans le poumon humain afin d'optimiser l'administration de médicaments par voie inhalée. La région alvéolaire du poumon jouant un rôle physiologique et fonctionnel crucial, l'objectif de ce travail est de mettre en place un modèle de dépôt au sein de la région acinaire qui soit intégrable à un modèle intégrant le poumon complet. Les deux premiers chapitres rappellent les caractéristiques anatomiques et fonctionnelles du poumon et en particulier de la région alvéolaire ainsi que les principes physiques mis en jeu lors de l'écoulement de l'air et du transport de particules dans l'arbre pulmonaire. Puis un modèle numérique d'écoulement dans une géométrie alvéolaire simplifiée est présenté. Le transport d'un bolus d'aérosol y est étudié par une approche eulérienne, au cours de plusieurs cycles respiratoires ; l'impact des irréversibilités de l'écoulement sur la dispersion du bolus est ensuite quantifié. Le dernier chapitre présente l'intégration des résultats précédents au sein d'un modèle analytique de dépôt de particules dans le poumon. Les résultats générés par ce modèle sont ensuite comparés aux données expérimentales issues de la littérature ou obtenues lors d'une étude clinique en cours, spécifiquement orientée sur la mesure du dépôt de particules dans les voies aériennes. Les résultats du modèle montrent une augmentation du dépôt de particules dans la région acinaire, présentant un bon accord avec les données expérimentales. Ce modèle pourrait aider à la conception de thérapies ciblant spécifiquement la région alvéolaire du poumon


  • Résumé

    The context of this thesis is the modelling of particle deposition in the human lung in order to optimise the administration of inhaled drugs. As the alveolar region plays a crucial role both physiologically and functionally, especially for systemic delivery, the objective of this work is to set-up a particle deposition model specific to the acinar region which could be integrated in whole lung deposition model. The first two chapters concentrate on the anatomical and functional aspects of the lung and on the physical principles involved in the flow and particle transport mechanisms in the lung. Then a computational fluid dynamics model was setup in a simplified alveolar geometry. Aerosol bolus transport was studied through an Eulerian approach, for one or several breathing cycles. The impact of flow irreversibilities on bolus dispersion was quantified. The last chapter deals with the integration of the previous results in an analytical model of particle deposition in the whole lung. The results generated by this model are then compared to experimental data from the literature or obtained from an ongoing clinical trial. The results of the new theoretical model show an increase of particle deposition in the acinar region which improves correlation of theory with experimental data. This model could favourably help designing therapies targeting the alveolar region of the lung


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