Modélisation physique et résolution numérique du transport et du dépôt des particules d'aérosols médicaments dans les voies respiratoires extrathoraciques humaines

Physical modelling and numerical resolution of aerosol medicine particles transport and deposition in human extrathoracic airways

• Auteur / Autrice : Julien Sandeau
• Direction : Daniel Isabey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 18/03/2009
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie, Matériaux, Modélisation et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 1994-2009)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Housset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Isabey, Bruno Housset, Charles Baroud, Michel Riethmuller, Olivier Boiron, Georges Caillibotte, Gabriela Apiou-Sbirlea, Xavier Maître
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles Baroud, Michel Riethmuller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie médicale

Inhalothérapie

Voies aériennes supérieures (anatomie)

Aérosolthérapie

Mots clés libres

Particules d'aérosols médicaments

Voies respiratoires extrathoraciques

Aerosols

Respiratory diseases

Résumé

D'abord développées pour traiter les maladies respiratoires (asthme, BPCO...), les thérapies inhalées sont depuis peu l'objet d'un intérêt particulier pour délivrer des molécules dans le sang via la barrière alvéolo-capillaire. Quelle que soit la cible de ces thérapies, leur efficacité dépend de la quantité de médicament qui arrive sur la zone à traiter dans l'arbre respiratoire. La région extrathoracique (appelée "région ET" et comprenant la bouche, l'oropharynx, le larynx et le début de la trachée) se comporte alors comme un "filtre" où se dépose une certaine masse de médicament. Afin d'optimiser une telle administration, il est nécessaire de connaître au mieux l'influence des facteurs caractéristiques de l'inhalation (entre autres, le débit d'inhalation, les diamètres des particules inhalées, les propriétés physiques du gaz porteur). Pour cela, un modèle réaliste de région ET a été construit à partir des données issues de l'imagerie médicale. Après la définition d'un maillage et le choix d'un modèle de turbulence et de paramètres adéquats, les équations de Navier-Stokes ont été résolues numériquement pour (i) décrire l'écoulement dans ce modèle et (ii) pour déterminer les trajectoires des particules inhalées. En parallèle, deux études expérimentales ont été menées sur l'exacte reproduction physique du modèle : l'une pour estimer les pertes de pression provoquées par des écoulements d'air et d'oxhel (mélange hélium (78 %) - oxygène (22 %)), l'autre pour mesurer les vitesses par IRM d'un écoulement d'hélium-3 hyperpolarisé. Les résultats obtenus en terme d'écoulement et de quantité de particules déposées dans la région ET sont en accord avec les rares données expérimentales existantes. Ils montrent l'influence prépondérante de la géométrie tant sur l'écoulement (marqué par la présence, vérifiée expérimentalement, du jet laryngeal) que sur le dépôt. Les zones préférentielles de dépôt se situent là où des variations géométriques brusques surviennent (rétrécissement de section et courbures près de l'épiglotte et en amont de la glotte), et là où le caractère turbulent de l'écoulement est prononcé (en fin de larynx notamment). Ces constatations ont permis de caractériser avec précision le dépôt à l'aide de deux nombres adimensionnés : le nombre de Stokes, caractéristique de l'impaction inertielle et le nombre de Reynolds, caractéristique du régime de l'écoulement. L'étude a permis une meilleure appréhension des influences des divers paramètres à considérer pour modéliser une inhalation d'aérosol médicament et, de surcroît, une prévision des quantités de médicament déposée et transmise à l'arbre respiratoire, soit un outil précieux pour l'optimisation des thérapies inhalées. La méthodologie, ainsi développée, est applicable aux morphologies issues d'une étude clinique en cours et permettra d'affiner la caractérisation

Inhaled therapies were originally developed to treat respiratory diseases (e.g., asthma and COPD). They are now the subject of research to deliver medicine to the blood through the alveolar-capillary barrier. The efficacy of such therapies lies in the quantity of medicine that reaches the targeted area in the respiratoy tree. The extrathoracic region (called "ET" and including the mouth, the oropharynx, the larynx and the beginning of the trachea) has the role of a "filter" limiting the amount of medicine that is deposited in the targeted area. In order to optimize the administration of aerosol medicine, it is necessary to know the influence of the various parameters of an inhalation (among others, the inhalation flow rate, the diameter of inhaled particles, the physical properties of the cariier gas). Therefore, a realistic model of the ET region has been constructed from data obtained from medical imaging. The Navier-Stokes equations were numerically solved (i) to describe the flow in the model and (ii) to determine the trajectories of inhaled particles. The numerical analysis required the development of an appropriate mesh and the choice of turbulence model and parameters. In parallel, two experimental studies were performed on an exact physical reproduction of the model : one to estimate the pressure losses in air and oxhel (a helium (78 %) - oxygen (22 %) mixture) flows and another to measure the velocity field using a MRI of a hyperpolarized helium-3 flow. The flow and deposition results that were obtained in the model of the ET region are in agreement with the few existing experimental data. They show the dominant effect of the geometry not only on the flow (marked by the experimentally verified presence of the laryngeal jet) but also on the particle deposition. The major areas of deposition are located where sudden geometrical changes are observed (like the constrictions and the bends near the epiglottis and upstream the glottis) and where the turbulent character of the flow is pronounced (particulary at the end of the larynx). These observations allowed for the accurate characterization of the deposition with non-dimensional numbers : the Stokes number, characteristic number of the inertial impaction, and the Reynolds number, characteristic number of the flow regime. The study allows for the improved comprehension of the influences of the various parameters that must be considered to model the inhalation of aerosol medicine. Furthermore, predictions in terms of the deposited and transmitted mass of medicine were possible. The methodology explained herein will be applicable to the morphologies that are to be obtained from an on-going clinical study