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'ing?nieur

Sous la direction de Daniel Isabey.

Soutenue le 01-03-2011

à Paris Est , dans le cadre de ?cole doctorale Sciences, Ing?nierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Institut Mondor de Recherche Biom?dicale (Cr?teil) (laboratoire) et de Institut Mondor de Recherche Biom?dicale (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuel Durand.

Le jury était composé de Daniel Isabey, Val?rie Deplano, Vincent Fleury, Marine Pichelin.

Les rapporteurs étaient Chantal Darquenne, Marcel Filoche.

  • Titre traduit

    Mod?lisation du transport et du d?p?t de particules dans la r?gion acinaire du poumon


  • Résumé

    Cette th?se a pour cadre la mod?lisation du d?p?t de particules dans le poumon humain afin d'optimiser l'administration de m?dicaments par voie inhal?e. La r?gion alv?olaire du poumon jouant un r?le physiologique et fonctionnel crucial, l'objectif de ce travail est de mettre en place un mod?le de d?p?t au sein de la r?gion acinaire qui soit int?grable ? un mod?le int?grant le poumon complet. Les deux premiers chapitres rappellent les caract?ristiques anatomiques et fonctionnelles du poumon et en particulier de la r?gion alv?olaire ainsi que les principes physiques mis en jeu lors de l'?coulement de l'air et du transport de particules dans l'arbre pulmonaire. Puis un mod?le num?rique d'?coulement dans une g?om?trie alv?olaire simplifi?e est pr?sent?. Le transport d'un bolus d'a?rosol y est ?tudi? par une approche eul?rienne, au cours de plusieurs cycles respiratoires ; l'impact des irr?versibilit?s de l'?coulement sur la dispersion du bolus est ensuite quantifi?. Le dernier chapitre pr?sente l'int?gration des r?sultats pr?c?dents au sein d'un mod?le analytique de d?p?t de particules dans le poumon. Les r?sultats g?n?r?s par ce mod?le sont ensuite compar?s aux donn?es exp?rimentales issues de la litt?rature ou obtenues lors d'une ?tude clinique en cours, sp?cifiquement orient?e sur la mesure du d?p?t de particules dans les voies a?riennes. Les r?sultats du mod?le montrent une augmentation du d?p?t de particules dans la r?gion acinaire, pr?sentant un bon accord avec les donn?es exp?rimentales. Ce mod?le pourrait aider ? la conception de th?rapies ciblant sp?cifiquement la r?gion alv?olaire 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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