Systèmes de contrôle cardiovasculaire et respiratoire et leur interaction en période néonatale

par Sally Al Omar

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Guy Carrault et de Jean-Paul Praud.

Soutenue le 19-12-2017

à Rennes 1 en cotutelle avec l'Université de Sherbrooke, Québec , dans le cadre de École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes) , en partenariat avec Universite Bretagne Loire (ComuE) et de Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image (laboratoire) .


  • Résumé

    Les objectifs de cette thèse sont: i) de mettre au point de nouvelles techniques adaptées à la période néonatale d'analyse automatique des signaux physiologiques cardiaque (ECG) et respiratoire (RESP) afin d'étudier la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) et respiratoire (VFR), ainsi que les interrelations cardiorespiratoires; ii) de les valider et de les utiliser sur des modèles ovins pour mieux comprendre les altérations du contrôle cardiorespiratoire dans des différentes situations expérimentales. Durant les expérimentations, les agneaux étaient non sédationnés et libres de leurs mouvements, ce qui rend le traitement des signaux ECG et RESP enregistrés durant plusieurs heures difficile, à cause des artefacts. D'abord, une chaîne de traitement semi-automatique des signaux a été proposée. Elle comprend l'élimination automatique des périodes artefactuelles, l'extraction des séries temporelles des segments propres de l'ECG et du signal RESP, l'application d'un test de stationnarité sur ces séries temporelles pour extraire les segments stationnaires et le calcul de différents indices de la VFC et la VFR obtenus en appliquant des analyses linéaires et non linéaires. Ces analyses ont été complétées par la mesure des interrelations cardiorespiratoires. Cette chaîne de traitement a permis d'étudier les effets de trois situations expérimentales sur le contrôle cardiorespiratoire. La première situation cherche à étudier l'exposition d'agneaux nouveau-nés à la fumée de cigarette durant les deux premières semaines de vie. Une importante altération des interrelations cardiorespiratoires a été mise en évidence, surtout au niveau de l'arythmie sinusale respiratoire et du couplage cardioventilatoire. Ce résultat inédit donne un éclairage nouveau sur la physiopathologie des effets de l'exposition à la fumée de cigarette en période néonatale, incluant en particulier le syndrome de la mort subite du nourrisson. La deuxième situation expérimentale examine l'hyperbilirubinémie (HB) des agneaux prématurés. Une HB modérée a été induite durant 17h par injection intraveineuse de bilirubine. Les effets de l'HB modérée sur la VFC, la VFR et les interrelations cardiorespiratoires ont été évalués sur 7 heures d'enregistrement au moment de l'HB (J0) et 72h plus tard (J3), après normalisation de la bilirubinémie. À J0, une augmentation de la variabilité accompagnée d'une augmentation des indices fréquentiels de la VFC a été observée indiquant une coactivation sympathovagale. Tous ces effets ont disparu à J3. Une diminution de la fréquence respiratoire a été retrouvé avec une augmentation de la VFR; ces effets étaient maintenus jusqu'à J3. Une augmentation de l'arythmie sinusale respiratoire, de la synchronisation et du nombre de RR dans une inspiration et une expiration a été observée. Ces deux derniers effets étaient toujours présents au jour 3. La troisième situation expérimentale concerne l'application nasale d'une pression positive continue (PPC) de 6 cmH2O à des agneaux nouveau-nés sains pendant 6 heures. Une augmentation de la fréquence cardiaque a été observée avec diminution des indices temporels et fréquentiels de la VFC et augmentation de la complexité des intervalles RR. De plus, un ralentissement de la respiration a été montré avec allongement de la durée de l'expiration et diminution de la VFR indiquant une stabilisation de la respiration. Enfin, la seule altération des interrelations cardiorespiratoires retrouvée était une augmentation du nombre de RR dans le cycle respiratoire attribuable à l'augmentation de la fréquence cardiaque et à la diminution de la fréquence respiratoire. L'interprétation des résultats a été approfondie en utilisant une approche à base de modèles pour représenter le comportement des systèmes cardiovasculaire, respiratoire et du baroréflexe artériel dans les conditions expérimentales. Celle-ci permet d'accéder à des variables physiologiques difficilement observables durant les expérimentations.

  • Titre traduit

    Cardiovascular and respiratory control systems and their interaction in the neonatal period


  • Résumé

    The objectives of this thesis are: i) to develop new techniques, adapted to the neonatal period, for the automatic analysis of cardiac (ECG) and respiratory (RESP) signals in order to study heart rate variability (HRV), respiratory rate variability (RRV), as well as cardiorespiratory interrelations; ii) to validate these techniques and use them on neonatal ovine models to better understand alterations in the cardiorespiratory control in experimental situations mimicking exposure to postnatal environmental tobacco smoke, hyperbilirubinemia in the premature infant and continuous positive airway pressure application. In the different experimental situations, the lambs were without sedation and moving freely; this makes the treatment of ECG and RESP signals recorded for several hours difficult because of artifacts. As a first step, a semi-automated signal processing approach has been proposed. It includes the automatic elimination of artefactual periods, the extraction of time series from the clean segments of the ECG and RESP signals, the performance of a stationarity test in order to extract stationary segments, the application of linear (in time and frequency domains) and nonlinear HRV and RRV analysis as well as the calculation of cardiorespiratory interrelations indices. This approach was validated and allowed to study the effects of three different experimental conditions on cardiorespiratory control. The first condition explored the effects of exposing newborn lambs to postnatal environmental tobacco smoke (ETS) for the first two weeks of life. Significant impairment of cardiorespiratory interrelations was demonstrated, particularly for respiratory sinus arrhythmia and cardioventilatory coupling. This novel result sheds new light on the physiopathology of the effects of ETS exposure in the neonatal period, particularly for sudden infant death syndrome. The second experimental situation corresponds to hyperbilirubinemia (HB) of premature lambs. Moderate HB was induced for 17h by intravenous injection of bilirubin. The effects of moderate HB on HRV, RRV and cardiorespiratory interrelationships were assessed over 7 hours of recording during acute HB (D0) and after 72h (D3), following normalization of bilirubinemia. On D0, an increase in HRV accompanied by an increase in frequency indices of HRV was observed, indicating sympathovagal coactivation. These effects were absent on D3. A decreased respiratory rate and an increase in RRV were noted on D0; these effects were maintained until D3. The study of cardiorespiratory interrelations showed an increase in respiratory sinus arrhythmia, phase synchronization and the number of RRs in inspiration and expiration. The latter effects were still observed on day 3. The third experimental situation concerns the nasal application of a continuous positive pressure (CPAP) of 6 cmH2O in healthy neonatal lambs for 6 hours. An increase in heart rate associated with a decrease in temporal and frequency indices of HRV and an increase in RR interval complexity was observed. In addition, we observed a decrease in respiratory rate accompanied by a prolonged expiration and a decreased RRV, indicating a stabilization of breathing. Finally, no alterations of cardiorespiratory interrelations were observed excepted an increase in the number of RRs in the respiratory cycle explained by the increased heart rate and decreased respiratory rate. To further understand these results, a model of cardiorespiratory coupling comprising three compartments mimicking the functioning of the cardiovascular and respiratory systems and the arterial baroreflex, was adapted to the conditions of the experiment. Results obtained with the model allowed to gain access to variables that were not measured during the experiments.


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