Un modèle numérique anthropomorphique et dynamique du thorax

Construction de modèle du thorax respirant
Chapitre 4. Construction d'un modèle
dynamique anthropomorphique de
thorax
101

Construction de modèle du thorax respirant
4.1 Introduction
Dans notre objectif de création d’un modèle entièrement numérique dédié à
l’évaluation, il est nécessaire d’envisager de pouvoir simuler des images de différentes
modalités d’imagerie. Quelle que soit la modalité envisagée, un modèle des structures
thoraciques et de leur dynamique au cours de la respiration est requis. Nous avons dans ce but
réalisé l’acquisition de données thoraciques en même temps que les données cardiaques avec
cependant quelques contraintes pratiques. La construction de ce modèle suit dans son principe
la même démarche que pour la construction du modèle de cœur. Nous présentons également
notre stratégie pour la superposition et la synchronisation temporelle des deux modèles pour
n’en obtenir qu’un unique.
4.2 Données médicales
4.2.1 Anatomie thoracique
La cage thoracique (Figure 4-1), entourée par les côtes, avec le sternum à l’avant et la
colonne vertébrale à l’arrière, maintient et protège les organes vitaux que sont le cœur et les
poumons. Elle se compose de 3 régions : les 2 hémithorax droit et gauche, qui contiennent
respectivement les poumons droit et gauche; et le médiastin, entouré du péricarde, qui
comporte le cœur et quelques vaisseaux (l'œsophage, la trachée, des nerfs, des vaisseaux
lymphatiques et sanguins).
Poumon droit Poumon gauche
Trachée
Diaphragme
Emplacement du cœur
Côtes
Poumon droit Poumon gauche
Trachée
Diaphragme
Emplacement du cœur
Côtes
Figure 4-1. Anatomie du Thorax
Le poumon est découpé en lobes par de profonds sillons, les scissures. Le poumon
droit comporte trois lobes, le poumon gauche deux lobes (supérieur et inférieur) seulement en
raison de la place nécessaire au cœur. Les poumons droit et gauche ne sont donc pas
symétriques (700g contre 600g), cette différence étant due à la position du cœur qui déborde
sur la gauche. Le volume total des deux poumons est en moyenne de 4.5 litres (Figure 4-2).
102

Construction de modèle du thorax respirant
Chaque poumon est enveloppé par la plèvre qui comporte un feuillet pariétal et un
viscéral (accolé au poumon). La plèvre est une mince membrane qui tapisse, à la fois, la paroi
intérieure du thorax et le côté externe des poumons. Entre les deux feuillets de la plèvre, une
infime quantité de liquide permet aux poumons de glisser doucement à l'intérieur de la cage
thoracique.
Les cavités abdominale et thoracique sont séparées par le diaphragme. Il recouvre
toute la partie inférieure du thorax et s’appuie étroitement sur les viscères de la partie
supérieure de l'abdomen, prenant la forme de deux coupoles, droite et gauche. Ce muscle joue
un rôle important dans la respiration.
Volume
résiduel
Volume résiduel
Volume de réserve
expiration
1,5 litres
Volume courant
0,5 litres
Volume de réserve
inspiration 1,5
litres
Capacité
résiduelle
fonctionnelle
Capacité
Inspiratoire
Capacité
pulmonaire
totale
5 litres
Capacité
vitale
3,5 litres
Expiration maximale
Inspiration maximale
Inspiration de repos
Expiration de repos
0 --
6 --
1 --
2 --
3 --
4 --
5 --
Temps
Volume
résiduel
Volume résiduel
Volume de réserve
expiration
1,5 litres
Volume courant
0,5 litres
Volume de réserve
inspiration 1,5
litres
Capacité
résiduelle
fonctionnelle
Capacité
Inspiratoire
Capacité
pulmonaire
totale
5 litres
Capacité
vitale
3,5 litres
Volume
résiduel
Volume résiduel
Volume de réserve
expiration
1,5 litres
Volume courant
0,5 litres
Volume de réserve
inspiration 1,5
litres
Capacité
résiduelle
fonctionnelle
Capacité
Inspiratoire
Capacité
pulmonaire
totale
5 litres
Capacité
vitale
3,5 litres
Expiration maximale
Inspiration maximale
Inspiration de repos
Expiration de repos
0 --
6 --
1 --
2 --
3 --
4 --
5 --
Temps
Figure 4-2. Évolution des volumes des poumons au cours de la respiration
4.2.2 Notions de physiologie respiratoire
La fonction respiratoire a pour mission d'assurer la transformation du sang veineux en
sang artériel, c'est à dire l'enrichissement du sang en oxygène et le rejet des déchets gazeux
dont il est chargé, notamment le gaz carbonique. Le caractère le plus remarquable des
mouvements respiratoires est leur automatisme : ils sont en effet indépendants de la volonté,
se poursuivant pendant le sommeil.
Les poumons sont ventilés par les mouvements thoraciques lors du cycle respiratoire
constitué des phases d'inspiration et d'expiration. L'air passe par le nez (la voie habituelle au
repos) ou par la bouche, pour traverser le pharynx et le larynx, qui constituent les voies
aériennes supérieures. Il parvient ensuite au niveau de la trachée qui se divise en deux, pour se
subdiviser de nombreuses fois, jusqu'à former les bronchioles terminales. Jusqu'à ce niveau, il
n'y a aucun alvéole, d'où son nom de partie conductrice. Ensuite s'embranchent les
bronchioles respiratoires, point de départ de la partie respiratoire. Celle-ci contient les
alvéoles, où peuvent avoir lieu les échanges gazeux.
103

Construction de modèle du thorax respirant
En même temps, les alvéoles reçoivent du sang pompé par le cœur droit. Au repos, 4
litres d'air et 5 litres de sang traversent les poumons par minute. Lors d'un effort, ces quantités
peuvent varier de manière importante (jusqu'à 160 litres d'air et 30 litres de sang par minute).
Ces apports permettent aux alvéoles de remplir leur rôle d'échanges gazeux, à travers de fines
membranes qui séparent les alvéoles des capillaires sanguins.
Les mouvements respiratoires sont causés par différents muscles, le plus important
étant le diaphragme : en se contractant, il descend, comprimant la partie abdominale et
augmentant le volume des poumons, créant ainsi un appel d’air. Le diaphragme (Figure 4-3)
peut bouger de bas en haut d’une amplitude de 10 cm pendant les respirations forcées et se
déplace d’environ 2cm pendant un cycle respiratoire normal. Les autres muscles impliqués
dans la respiration sont les muscles intercostaux qui en se contractant pendant l’inspiration
tirent les côtes vers l’avant et le haut, augmentant le diamètre transverse du thorax, et
d’autres muscles auxiliaires (les muscles abdominaux, les muscles du cou …). L'expiration est
le retour sur elle-même de la cage thoracique qui chasse l'air en dehors des poumons. Elle ne
réclame, dans la respiration normale, l'intervention d'aucune puissance musculaire active.
C'est, en effet, un phénomène purement passif. Les muscles inspirateurs n'interviennent que
dans l'expiration forcée.
Diaphragme au
moment de
l’inspiration
Diaphragme au
moment de
l’expiration Diaphragme au
moment de
l’inspiration
Diaphragme au
moment de
l’expiration
Figure 4-3. Déformation du diaphragme pendant la respiration. L’image présente une radiographie des
poumons en fin d’expiration forcée et au maximum d’inspiration
Nous pouvons distinguer quatre types respiratoires selon le mode de distension et
d'affaissement du thorax pendant la respiration :
1. Le type costal supérieur dans lequel les côtes supérieures ont une action
prépondérante
2. Le type costal inférieur où seules les côtes inférieures et le diaphragme
semblent respirer
3. Le type abdominal normal où les côtes sont à peu près immobiles, le
gonflement se faisant essentiellement dans le sens vertical (abaissement du
diaphragme). A l'inspiration, le ventre se gonfle, à l'expiration le ventre rentre
104

Construction de modèle du thorax respirant
4. Le type abdominal paradoxal ou inversé dans lequel le ventre se rétracte à
l'inspiration et se gonfle à l'expiration.
Au repos, un sujet sain a besoin de 10 à 15 respirations par minute pour
l'approvisionnement en O2 et l'élimination du CO2. Cette fréquence respiratoire est maintenue
automatiquement par une régulation nerveuse complexe dépendant du taux d'O2 et de CO2
dans le sang. Chaque poumon varie d’un volume d’environ 0.5 litre pendant un cycle
respiratoire qui peut être modélisé par une sinusoïde, la phase d’inspiration étant plus courte
que la phase d’expiration (Figure 4-4).
Figure 4-4. Variation du volume des poumons pendant le cycle respiratoire ([Segars-01a])
Le cycle respiratoire dure environ 5 secondes contre moins d’une seconde pour le cycle
cardiaque. Des études ont été conduites pour rechercher s’il existait une synchronisation entre
les deux cycles mais, bien qu’ils paraissent s’influencer, seules de courtes et rares périodes de
synchronisation ont pu être observées et dans des conditions particulières (respiration très
régulière notamment) [Lotric-00, Hu-06].
4.3 Méthode de construction du modèle de thorax
respirant
Dans cette partie, je vais détailler les étapes de construction du modèle de thorax
respirant. Le principe de construction des composantes anatomique et dynamique est
globalement le même que celui qui a été proposé pour la construction du modèle de cœur et
qui est détaillé au Chapitre 3. Une étape supplémentaire consiste en l’intégration du modèle
de cœur battant qui pose le problème de la synchronisation temporelle. Le principe est illustré
sur le schéma suivant (Figure 4-5).
105