Morphology and transport in the human tracheobronchial tree : models, properties and applications

Les voies aériennes du système respiratoire humain sont constituées des voies extrathoraciques et de l'arbre bronchique, lui-même se divisant en deux sous-structures arborescentes, l'arbre trachéobronchique et les acini. L'arbre trachéobronchique, constitué des voies aériennes exclusivement conductives, a pour rôle d'acheminer l'air extérieur jusqu'aux unités d'échanges gazeux, les acini. Nous nous sommes intéressés dans cette thèse plus particulièrement à l'arborescence trachéobronchique. Nous avons développé tout d'abord un modèle géométrique de la morphologie trachéobronchique visant à établir un niveau de description intermédiaire entre un modèle trop simplifié, qui oublierait des caractéristiques géométriques de la morphologie essentielles à la compréhension de la ventilation, et un modèle exhaustif de la géométrie, difficilement exploitable dans son ensemble. Une fois cette géométrie élaborée, nous avons développé deux modèles de ventilation, l'un à l'inspiration au repos et l'autre à l'expiration forcée. Ces derniers reproduisent le comportement ventilatoire de l'arborescence trachéobronchique, tel que mesuré chez les patients. A partir de ces modèles géométriques et physiologiques, nous avons ensuite étudié l'influence de l'asymétrie de branchement, caractéristique morphologique essentielle de l'arborescence trachéobronchique, sur la ventilation. Nous avons mis en évidence l'existence d'un degré d'asymétrie optimal, permettant à la fois une ventilation efficace des acini et une robustesse face aux altérations de la structure bronchique. De façon intéressante, ce degré d'asymétrie correspond à celui mesuré chez l'homme, suggérant une possible adaptation de l'asymétrie au cours de l'évolution. Enfin, grâce aux modèles physiologiques mis au point dans cette thèse, nous avons étudié quelques pathologies pulmonaires modèles et reproduit les mesures spirométriques des patients. Également, nous avons entamé la simulation et l'étude d'images de ventilation pulmonaire, ainsi que du dépôt de particules dans l'arborescence trachéobronchique. De telles études ouvrent de nombreuses perspectives quant à la compréhension, au diagnostic et à aux possibles thérapies des pathologies pulmonaires.The human pulmonary airway system consists of the extrathoracic airways and the bronchial tree, which is divided into two sub-trees, the tracheobronchial tree and the acini. The tracheobronchial tree, which consists in conducting airways only, brings external air to the gas exchange units, the acini. We are focusing here on the tracheobronchial tree. First, we have developed a geometrical model of the tracheobronchial morphology: this model is an intermediate description between a too simplified model, which forgets some geometrical characteristics of the morphology that are determinant to understand the ventilation, and an exhaustive geometrical model, which is hardly usable. When this geometry has been built, we have developed two ventilation models, one at inspiration at rest and another at forced expiration. These models reproduce the ventilatory behavior of the tracheobronchial tree, as measured on the patients. Using these geometrical and physiological models, we have then studied the role of the branching asymmetry, which is an essential morphological characteristic of the tracheobronchial tree, on the ventilation. We have shown that there exists an optimal asymmetry level that permits to efficiently ventilate all the acini and to be robust with respect to the alterations of the bronchial structure. Interestingly, this asymmetry level corresponds to the measured human level. This can suggest that the asymmetry level could have been adapted throughout the evolution. At last, using the physiological models developed in this thesis, we have studied some pathological pulmonary models and reproduced the spirometric measurements of the patients. Moreover, we have started to simulate and to study images of the pulmonary ventilation and the particle deposition in the tracheobronchial tree. Such studies open perspectives concerning the understanding, the diagnosis and the possible treatments of the pulmonary pathologies