Modélisation du cycle respiratoire

Contexte

Les simulations numériques CFD ont permis une meilleure compréhension de la physiologie nasale et en particulier des écoulements d’air lors des cycles respiratoires. En effet, l’air et a fortiori ses mouvements ne sont pas directement observables. La difficile accessibilité des voies respiratoires supérieures rend la compréhension de son écoulement d’autant plus compliquée. La modélisation du flux d’air dans les voies nasales par des outils numériques CFD permet une description unique de ce mécanisme fondamental à la vie, ainsi que la quantification de différentes grandeurs utiles pour l’analyse de problèmes respiratoires ou encore pour la compréhension des interactions entre le fluide et le corps.

Objectif

Ce projet de simulation de la respiration nasale humaine porte sur la comparaison des paramètres respiratoires entre un patient sain et un patient présentant une déviation de la cloison septale. Réalisé en partenariat du Professeur Ludovic De Gabory, l’objectif de l’étude était d’analyser les principaux paramètres d’écoulement (pression, vitesse, contrainte de cisaillement, distribution de l’écoulement, temps de résidence des particules) dans un écoulement instationnaire dans toutes les cavités nasales à l’aide d’un modèle tridimensionnel (3D) précis et au cours de plusieurs cycles respiratoires. Les résultats mettent l’accent sur la pertinence clinique de la compréhension de la physiologie nasale normale et des changements attribués à la déviation septale.

Champ de pression en paroi nasale lors de l’inspiration

Simulation et résultats

OptiFluides a réalisé des simulations 3D permettant de caractériser l’écoulement d’air au cours de 2 cycles respiratoires complets. Les équations de Navier-Stokes pour des fluides incompressibles ont été résolues en régime transitoire.

Ces simulations ont permis de mettre en évidence les variations de pression et de vitesse lors du cycle respiratoire. Les trajectoires de l’air ont également pu être visualisées, mettant par exemple en évidence l’absence de mouvements d’air dans les cavités des sinus. On observe également que le temps de résidence des particules est plus important lors de la phase d’expiration que lors de la phase d’inspiration. Ceci est une conséquence de la forme particulière des voies respiratoires supérieures, les mêmes éléments physiologiques n’exerçant pas la même fonction ni la même résistance au flux lors de chaque phase. La stagnation de particules dans la fente olfactive a pu aussi être observée, pouvant être interprété comme une explication au phénomène de persistance olfactive.

Ces analyses rendues possibles par les modélisations CFD offrent une meilleure compréhension des phénomènes impliqués lors des cycles respiratoires, et leur lien possible avec certaines pathologies de la sphère ORL, donnant lieu à l’obtention d’un projet de recherche ANR et ouvrant la voie à la simulation des traitements associés !