Model-based analysis of cardio-respiratory interactions in newborns

Les mécanismes physiologiques à l’origine des épisodes d’apnée chez le nouveau-né, ne sont pas encore entièrement élucidés. Cette thèse vise à utiliser des modèles computationnels pour améliorer notre compréhension de la réponse cardio-respiratoire aux événements d'apnée chez les nouveau-nés prématurés. Pour cela, un modèle des interactions cardio-respiratoires a été amélioré et adapté à la physiologie des nouveau-nés et des prématurés. Des analyses de sensibilité ont été réalisées pour étudier l'adaptation cardio-respiratoire due à la présence ou à la fermeture d'un canal artériel persistant, une malformation cardiaque courante chez les prématurés. Sur le même principe, des analyses ont souligné l'importance de certaines grandeurs physiologiques sur la réponse à l'apnée-bradycardie, telles que la fraction d'oxygène inspiré, les taux métaboliques et le volume pulmonaire. À partir de ces résultats, un sous-ensemble de paramètres a été identifié pour étudier la dynamique de la fréquence cardiaque pendant une apnée-bradycardie mixte à partir d'une base de données clinique de 37 apnées-bradycardies détectées sur 18 patients. Les résultats obtenus apportent de nouvelles connaissances sur les interactions cardio-respiratoires et sur les mécanismes sous-jacents de l’apnée de la prématurité. Ils permettent notamment de mettre en avant que la présence du canal artériel ne semble pas avoir d'impact sur la réaction cardio-respiratoire à l'apnée et sur la régulation après celle-ci. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour la prise en charge et l'optimisation des thérapies en unités de soins intensifs néonatals.The physiological mechanisms underlying apnea episode in neonates are not yet fully understood. This thesis aims to use computational models to improve our understanding of the cardio-respiratory response to apnea events in preterm neonates. To achieve this, a model of cardio-respiratory interactions has been improved and adapted to the physiology of newborns and preterm. Sensitivity analysis were performed to study the cardio-respiratory adaptation due to the presence or closure of a persistent ductus arteriosus, a common heart malformation in premature infants. Based on the same principle, analysis highlighted the importance of certain physiological parameters such as inspired oxygen fraction, metabolic rates and lung volume. Based on these results, a subset of parameters has been identified to study the heart rate dynamics during mixed apnea-bradycardia from a clinical database of 37 apnea-bradycardias events detected in 18 patients. The results provide new insights into cardio-respiratory interactions and the underlying mechanisms of apnea of prematurity. They suggest that the presence of a patent ductus arteriosus does not appear to have an impact on the cardiorespiratory response to apnea and its regulation. These results open new perspectives for the management and optimization of therapies in neonatal intensive care units