La manœuvre d’expiration forcée est l’une des techniques standard les plus pratiquées en Exploration Fonctionnelle Respiratoire (EFR). Il s’agit pour le patient, après quelques inspirations au repos, d’effectuer une inspiration à la Capacité Pulmonaire Totale (CPT), puis d’expulser tout l’air contenu dans ses poumons le plus rapidement possible. Le débit d’air ainsi que le volume restant dans les poumons sont alors enregistrés en fonction du temps, la courbe donnant le premier en fonction du deuxième étant appelée « courbe débit-volume en expiration forcée ». La spirométrie réalisée au cours d’une manœuvre forcée donne ainsi notamment accès au volume maximal expiré pendant la première seconde (VEMS). La diminution proportionnellement plus importante de ce volume par rapport à la capacité vitale (CV) – donc la diminution du rapport VEMS/CV – constitue le critère de définition clinique d’une obstruction des voies aériennes intra-thoraciques. Bien que robuste et cliniquement pertinente, cette définition par un simple scalaire de l’obstruction bronchique manque parfois de finesse. Les manœuvres forcées permettent alors d’étudier plus finement la relation entre débits instantanés maximaux et volumes pulmonaires grâce à l’étude détaillée de l’intégralité des courbes débit-volume. L’impact de l’obstruction bronchique est directement évaluable, qualitativement et quantitativement sur ces courbes. Cette analyse de la mécanique ventilatoire en condition de stress, non invasive et ne nécessitant qu’un équipement relativement peu coûteux ou complexe, permet ainsi un premier diagnostic rapide des anomalies du système aérien bronchique.
Néanmoins, même si les courbes débit-volume sont par essence bien plus riches que la simple donnée du VEMS/CV, ces analyses « en boîte noire » constituent une forte schématisation de la complexité pulmonaire de par la synthèse même qui est opérée entre un très grand nombre de caractéristiques mécaniques et physiologiques à l’échelle locale. Les travaux du groupe ont permis d’élaborer un modèle numérique complexe capable, pour la première fois, de simuler l’intégralité de la manœuvre d’expiration forcée dans l’ensemble de l’arbre trachéobronchique, puis de valider ce modèle sur des sujets humains (thèses de Magali Florens et d’Agnès Pradel). Ce modèle simule l’écoulement aérien dans tout l’arbre décrit comme un réseau de branches compliantes (via des lois dites « de tube »), en fonction du temps. Il permet ainsi d’avoir accès à la carte complète des flux en tout point de l’arbre bronchique et à tout moment de la manœuvre d’expiration. Ces travaux ont notamment été réalisés dans le cadre d’un projet ANR ANR10-BLAN-1119 baptisé SAMOVAR, coordonné par le candidat, dont étaient membres le laboratoire PMC de l’Ecole Polytechnique, l’ER10 de l’UPMC (Pitié-Salpêtrière) et l’équipe 13 de l’IMRB (Henri Mondor), membre également du DHU A-TVB partenaire de ce projet.
Quelques publications significatives :
- B. Mauroy, M. Filoche, J.S. Andrade Jr., B. Sapoval, “Interplay between geometry and flow distribution in an airway tree”, Phys. Rev. Lett. 90, 14 (2003).
- M. Florens, B. Sapoval, M. Filoche, “The optimal branching asymmetry of a bidirectional distribution tree”, Comput. Phys. Commun. 182:1932-1936 (2011).
- M. Filoche and M. Florens, “The stationary flow in a heterogeneous compliant vessel network”, J. Phys. : Conf. Ser. 319:012008 (2011).
- C.-F. Tai, S. Bian, D. Halpern, Y. Zheng, M. Filoche, J.B. Grotberg, “Numerical study of flow fields in an airway closure model”, J. Fluid Mech. 677:483–502 (2011).