Interplay Between Optimal Ventilation and Gas Transport in a Model of the Human Lung

Ventilation is at the origin of a spending of energy coming from air circulation in the bronchial tree and from the mechanical resistance of the tissue to motion. Both amplitude and frequency of ventilation are submitted to a trade-off related to this energy, but they are also submitted to a constraint linked to the function of the lung: to transport enough oxygen and carbon dioxide in order to respect metabolism needs. We propose a model for oxygen and carbon dioxide transport in the lung that accounts for the core physical phenomena: lung's tree-like geometry, transport of gas by convection and diffusion, exchanges with blood and a sinusoidal ventilation. Then we optimize the power dissipated by the ventilation of our model relatively to ventilation amplitude and period under gas flow constraints. Our model is able to predict physiological ventilation properties and brings interesting insights on the robustness of different regimes. Hence, at rest, the power dissipated depends very little on the period near the optimal value. Whereas, at strong exercise any shift from the optimal has dramatic effect on the power. These results are fully coherent with the physiological observation and raises the question: how the control of ventilation could select for the optimal configuration? Also, interesting insights about pathologies affecting ventilation could be derived, and our model might give insights on therapeutical responses, with specific breathing strategies or for better driving mechanical ventilation

Fluid-kinetic modelling for respiratory aerosols with variable size and temperature

In this paper, we propose a coupled fluid-kinetic model taking into account the radius growth of aerosol particles due to humidity in the respiratory system. We aim to numerically investigate the impact of hygroscopic effects on the particle behaviour. The air flow is described by the incompressible Navier-Stokes equations, and the aerosol by a Vlasov-type equation involving the air humidity and temperature, both quantities satisfying a convection-diffusion equation with a source term. Conservations properties are checked and an explicit time-marching scheme is proposed. Two-dimensional numerical simulations in a branched structure show the influence of the particle size variations on the aerosol dynamics.Dans cet article, nous proposons un modèle couplé fluide-cinétique prenant en compte la croissance en rayon des particules d'un aérosol due à l'humidité dans les voies respiratoires. Nous nous intéressons en particulier à l'étude numérique de l'impact des effets hygroscopiques sur le comportement des particules. L'air est décrit par les équations de Navier-Stokes incompressibles, et l'aérosol par une équation de type Vlasov impliquant l'humidité et la température de l'air. Chacune de ces deux quantités vérifie une équation de convection-diffusion avec un terme source. Nous montrons que le modèle couplé vérifie de bonnes propriétés de conservation. Il est ensuite discrétisé par un schéma explicite en temps. Enfin, des simulations numériques en deux dimensions dans une bifurcation montrent l'influence de la croissance en rayon sur la dynamique de l'aérosol

The origin of the allometric scaling of lung ventilation in mammals

A model of optimal control of ventilation recently developed for humans has suggested that the localization of the transition between a convective and a diffusive transport of the respiratory gas determines how ventilation should be controlled to minimize its energetic cost at any metabolic regime. We generalized this model to any mammal, based on the core morphometric characteristics shared by all mammals' lungs and on their allometric scaling from the literature. Since the main energetic costs of ventilation are related to the convective transport, we prove that, for all mammals, the localization of the shift from a convective transport into a diffusive transport plays a critical role on keeping that cost low while fulfilling the lung function. Our model predicts for the first time where this transition zone should occur in order to minimize the energetic cost of ventilation, depending on the mammals' mass and on the metabolic regime. From that optimal localization, we are able to derive predicted allometric scaling laws for both tidal volumes and breathing rates, at any metabolic regime. We ran our model for the three common metabolic rates -- basal, field and maximal -- and showed that our predictions accurately reproduce the experimental data available in the literature. Our analysis supports the hypothesis that the mammals' allometric scaling laws of tidal volumes and breathing rates at a given metabolic rate are driven by a few core geometrical characteristics shared by the mammals' lungs and the physical processes of the respiratory gas transport

3es Rencontres FORMIST - 2003 : Formation à la maîtrise de l\u27information à l\u27heure de l\u27harmonisation européenne : problématiques et perspectives.

Interventions des troisièmes rencontres FORMIST qui se sont déroulées à l\u27enssib le 12 juin 2003

Recrutement et consentement à la recherche : réalités et défis éthiques

Contribution au Colloque « Consentez-vous (toujours) à participer à ma recherche? » : processus d'obtention et de renouvellement du consentement auprès de personnes vulnérables, présenté dans le cadre du 83e Congrès de l'Acfas, à Université du Québec à Rimouski, le 28 mai 2015.Dans le cadre de la recherche qualitative, lorsque les problématiques portent sur des sujets sensibles ou s’intéressent à des populations restreintes, le recrutement est une étape cruciale qui peut s’avérer difficile. Dans certaines conditions, les réseaux sociaux peuvent représenter une solution intéressante pour optimiser le recrutement. Cette publication présente trois expériences de recrutement avec les réseaux sociaux Facebook, LinkedIn et ResearchGate, lors de trois projets de recherche qualitative et transdisciplinaire sur : (1) les perceptions et les préoccupations d’adolescent(e)s canadien(ne)s concernant les impacts de la neurofibromatose de type 1 (NF1) — une condition génétique pouvant avoir de nombreuses manifestations cliniques (physiques, neurologiques, psychologiques, psychosociales) — dans leur vie sociale et privée; (2) les besoins et les points de vue de femmes enceintes estriennes concernant les nouveaux tests génomiques prénataux; (3) les préoccupations de chercheurs/euses et médecins quant aux effets de l’intégration chromosomique de l’herpès virus humain de type 6 sur la santé. Pour chaque cas, nous abordons les particularités des réseaux sociaux que nous avons utilisés, nos expériences de recrutement, les contextes dans lesquels les difficultés de recrutement ont été rencontrées, les solutions apportées, les avantages et les inconvénients perçus. Avant de conclure, nous discuterons aussi des dimensions éthiques de l’utilisation des réseaux sociaux pour le recrutement à la recherche et des défis à relever par rapport à l’équité dans la représentativité et dans l’accès au bénéfice de recherche, à la confidentialité et à la protection de la vie privée, au respect de la personne et de l’intégrité de ses identités, ainsi qu’à l’importance d’une approche collaborative et co-constructive avec les comités d’éthique de la recherche

6es Rencontres FORMIST - 2006

Actes des 6èmes rencontres FORMIST qui se sont déroulées le 15 juin 2006 à l\u27ENSSIB. Tour d\u27horizon des usages des nouvelles technologies de l\u27information par les étudiants : pratiques documentaires, outils bibliographiques, aides et formation à la recherche d\u27information, réseaux sociaux. Synthèses sur des outils particuliers : cartes heuristiques, wikis, flux RSS, blogs, etc

Influence de la ventilation sur les propriétés de transport dans un poumon sain et enflammé

The main function of the lung is to supply the blood with oxygen and to drain the carbon dioxide from it. The lung captures the oxygen present in the ambient air where it rejects the carbon dioxide taken from the blood. This exchange results from the process of the lung's ventilation that repeatedly makes a volume of ambient air enter and leave the lung. In an idealized view, the ventilation can be characterized by two parameters: the maximum air velocity in the trachea (the amplitude) and the breathing frequency (the period). The goal of this thesis is to study and model the process of oxygen and carbon dioxide transport and exchanges in the lung. Gas transport is modeled by convection-diffusion-reaction equations in an idealized lung. A mathematical analysis of the model has been performed to prove the existence of a unique solution along with an asymptotic periodicity in time. Numerical simulations were performed to study a wide range of physiological configurations. In the healthy human case, the amounts of gas exchanged predicted by our model are close to physiology. The viscous and elastic energies spent during inspiration were then minimized assuming that our body needs in oxygen can be represented in our model by a constraint on the oxygen flow exchanged with the blood. Simulations were carried out for humans but also for any mammals using allometric scaling laws. The predictions of our model show that the ventilation parameters in mammals might be optimized to cost as little energy as possible. Then, we focused on the lung's ventilation of a human subject suffering from a pulmonary infection. The spread of a bronchial infection has been modeled in an idealized way and we studied how the ventilation is affected by the response of the immune system through bronchi wall inflammation. Our results show that the location of the transition zone between convection and diffusion mainly influence the quantity of oxygen exchanged with the blood. The location of this transition can be affected by the infection and hence alter the efficiency of the ventilation and modify its optimal configuration. Finally, to better understand the efficiency of a drug treatment delivered by aerosol, we modeled the deposit of aerosol particles in the first bifurcation of the bronchi of the human lung. Our model takes into account the evolution of the radius of the particles due to the exchange of water vapor and the evolution of the temperature of the particles due to the change of the surrounding environment. Our results show that the modeling of these parameters is important to represent more accurately the deposit of the particles on the walls of the bronchi. This work allows to better understand how the process of lung’s ventilation is adjusted and how it is affected by lung’s pathologies. Moreover, it highlights how ventilation can be used efficiently as a way to deliver drugs in the body.La fonction principale du poumon est d'alimenter le sang en oxygène et d'enlever le dioxyde de carbone du sang. Le poumon s'empare de l'oxygène présent dans l'air ambiant dans lequel il rejette le dioxyde de carbone prélevé dans le sang. Cet échange est rendu possible par le processus de ventilation pulmonaire qui fait entrer et sortir périodiquement un volume d'air ambiant. D'un point de vue idéalisé, la ventilation peut être caractérisée par deux paramètres : la vitesse maximale de l'air dans la trachée (l'amplitude) et la fréquence respiratoire (la période). Le but de cette thèse est d'étudier et de modéliser le processus de transport et d'échanges d'oxygène et de dioxyde de carbone dans le poumon. Le transport de gaz est modélisé par des équations de convection-diffusion-réaction dans un poumon idéalisé. Une analyse mathématique du modèle a été réalisée afin de prouver l'existence d'une solution unique ainsi que la périodicité asymptotique en temps. Des simulations numériques ont été réalisées pour étudier un large éventail de configurations physiologiques. Dans le cas d'un poumon humain en bonne santé, les quantités de gaz échangées prédites par notre modèle sont proches de la physiologie. Les énergies visqueuse et élastique dépensées lors de l'inspiration ont ensuite été minimisées en supposant que nos besoins en oxygène peuvent être représentés dans notre modèle par une contrainte du flux d'oxygène échangé avec le sang. Des simulations ont été réalisées pour l'homme, mais aussi pour tous les mammifères en utilisant les lois allométriques. Les prédictions de notre modèle montrent que les paramètres de ventilation chez les mammifères pourraient être optimisés pour dépenser le moins d'énergie possible. Ensuite, nous nous sommes concentrés sur la ventilation pulmonaire d'un humain souffrant d'une infection pulmonaire. La propagation d'une infection bronchique a été modélisée de manière idéalisée et nous avons étudié comment la ventilation est affectée par la réponse du système immunitaire à travers l'inflammation de la paroi bronchique. Nos résultats montrent que la localisation de la zone de transition entre convection et diffusion influence principalement la quantité d'oxygène échangée avec le sang. L'emplacement de cette transition peut être affecté par l'infection et donc altérer l'efficacité de la ventilation et modifier la configuration optimale. Enfin, pour mieux comprendre l'efficacité d'un traitement médicamenteux délivré sous forme d'aérosol, nous avons modélisé le dépôt de particules d'aérosol dans la première bifurcation des bronches du poumon humain. Notre modèle prend en compte l'évolution du rayon des particules due à l'échange de vapeur d'eau et l'évolution de la température des particules due au changement du milieu environnant. Nos résultats montrent que la modélisation de ces paramètres est importante pour représenter plus précisément le dépôt des particules sur les parois des bronches. Ces travaux permettent de mieux comprendre comment le processus de ventilation pulmonaire est ajusté et comment il est affecté par les pathologies pulmonaires. De plus, il souligne comment la ventilation peut être utilisée efficacement pour administrer des médicaments dans le corps humain

Enseignement de la relation médecin-malade (état des lieux et proposition d'un outil d'évaluation)

PARIS5-BU Méd.Cochin (751142101) / SudocPARIS-BIUM (751062103) / SudocCentre Technique Livre Ens. Sup. (774682301) / SudocSudocFranceF

Propagation of an idealized infection in an airway tree, consequences of the inflammation on the oxygen transfer to blood

A mathematical model of infection, inflammation and immune response in an idealized bronchial tree is developed. This work is based on a model from the literature that is extended to account for the propagation dynamics of an infection between the airways. The inflammation affects the size of the airways, the air flows distribution in the airway tree, and, consequently, the oxygen transfers to blood. We test different infections outcomes and propagation speed. In the hypotheses of our model, the inflammation can reduce notably and sometimes drastically the oxygen flow to blood. Our model predicts how the air flows and oxygen exchanges reorganize in the tree during an infection. Our results highlight the links between the localization of the infection and the amplitude of the loss of oxygen flow to blood. We show that a compensation phenomena due to the reorganization of the flow exists, but that it remains marginal unless the power produced the ventilation muscles is increased. Our model forms a first step towards a better understanding of the dynamics of bronchial infections

Evaluation gériatrique standardisée en onco-gériatrie (étude de 21 patients âgés de 75 ans et plus, présentant un cancer et suivis dans un secteur semi rural)

Le médecin généraliste est de plus en plus confronté à un accroissement du nombre de sujets âgés, polypathologiques, de plus de 75 ans et à une augmentation de l'incidence des cancers dans cette population. Malgré la grande hétérogénéité des sujets âgés, l'âge chronologique ne doit pas être le seul critère de décision diagnostique et thérapeutique. L'évaluation gérontologique standardisée et les recommandations qui en découlent apparaissent être un excellent moyen objectif de leur assurer une prise en charge adaptée. Nous avons réalisé une étude de vingt et un patients âgés de 75 ans et plus, atteints d'un cancer dans un secteur semi-rural. Ces patients appartiennent à deux cabinets de médecine générale. Nous avons ainsi comparé les patients d'un cabinet bénéficiant d'une évaluation gérontologique standardisée à leur domicile aux patients du deuxième cabinet ne recevant aucune évaluation. Un suivi est réalisé quatre mois plus tard. Nous avons ainsi démontré l'intérêt de l'évaluation gérontologique dans cette population.NANCY1-SCD Medecine (545472101) / SudocPARIS-BIUM (751062103) / SudocSudocFranceF