Modélisation et analyse des rythmes dans les systèmes respiratoire et cardiovasculaire

Modelling and analysis of the rhythms in the respiratory and cardiovascular systems

• Auteur / Autrice : Alessandro Monti
• Direction : Daniel Claude
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Barorécepteurs

Résumé

Dans cette thèse, nous abordons différents aspects du système cardiorespiratoire. Afin d'analyser le centre nerveux respiratoire, nous avons abordé la modélisation du générateur du rythme respiratoire dans le cas simple des premiers stades du développement embryonnaire. Le modèle de rhombomère que nous avons proposé fournit un début d'explication sur la genèse des épisodes de décharges neuronales et sur l'évolution de ces rythmes au cours du développement de l'embryon. Afin d'étudier le système cardiorespiratoire, nous avons adopté principalement des méthodes du traitement du signal dans le but immédiat d'identifier des indicateurs, auxquels nous pouvons donner un sens physiologique. Nous avons montré que la stimulation du système nerveux à travers un changement du rythme respiratoire peut souligner une défaillance du contrôle. Nous avons établi l'intérêt de l'estimation des déphasages instantanés entre l'activité respiratoire et l'activité cardiovasculaire en recherche clinique car, chez les sujets malades, il peut y avoir un décrochage de phase entre les deux systèmes. Nous avons repris un modèle mathématique du système cardiovasculaire avec plusieurs boucles de régulation, ou arcs baroréflexes, afin d'étudier le système cardiorespiratoire à travers plusieurs indicateurs. Pour ce faire, nous avons proposé des modèles des différentes composantes contrôlées du système cardiovasculaire : les compartiments vasculaires actifs et les barorécepteurs. Le modèle du barorécepteur incorpore un mécanisme de régulation sympathique locale et nous avons proposé un estimateur de la pression transmurale qui, pour fonctionner, exploite le comportement pulsatile de la pompe cardiaque. Nous pourrons estimer la sensibilité des différents arcs baroréflexes qui fourniront dans une vision multi-entrée multi-sortie du système cardiovasculaire des nouvelles informations sur le système nerveux.

Throughout this report, we discussed different topics concerning the cardiorespiratory sys- tem. To analyse the respiratory neuronal centre, we modelled the respiratory rhythm generator in the simple case of the first development stages of a chick embryo. The model we propose provides an explication on the genesis of the episodic neuronal activity and on the rhythm evolution throughout the embryo development. To study the cardiorespiratory system, we applied frequency and time-frequency signal processing methods to identify markers with a precise physiological counterpart. We showed that the stimulation of the nervous system by a respiratory frequency change can establish a controller fault. We showed the interest on instantaneous phase estimation between respiratory and cardiovascular activity in clinical studies as for unhealthy subjects phase shifts may occur. We made a model of cardiorespiratory system taking into account its multi-feedback control loop structure to define others makers. We proposed models of different controlled part of the cardiovascular system such as baroreceptors and active vascular compartments. Baroreceptor model embedded a sympathetic local control and we proposed an algorithm for blood pressure estimation based on beat-to-beat functioning of the cardiac pump. We will estimate the sensitivity of these control loops providing, in a multi-input multi-output point of view of the cardiovascular system, new insights on the nervous system.