Brevet FR3124637A1 — publié le 20221230

Il est proposé un procédé pour caractériser de l’effet d’un traitement appliqué à destination des voies respiratoires d’un individu, basé sur les étapes suivantes : - simulation (S2) de l’écoulement d’un fluide dans les voies respiratoires modélisées avant traitement, pour acquérir des données de pré-traitement ; - simulation (S5) de l’écoulement du fluide dans les voies respiratoires modélisées après traitement, pour acquérir des données de post-traitement ; - comparaison (S6) des données de pré-traitement et de post-traitement acquises sur une durée représentative d’au moins un cycle respiratoire complet pour déterminer au moins une information caractéristique de l’effet procuré par le traitement. Figure d’abrégé : Figure 1 Procédé de caractérisation de l’effet d’un traitement appliqué sur des voies respiratoires d’un individu, produit programme d’ordinateur et médium de stockage correspondants L’invention s’inscrit dans le domaine de la simulation numérique des écoulements respiratoires humains. Plus particulièrement, l’invention concerne une nouvelle approche pour caractériser l’effet procuré par un traitement appliqué aux voies respiratoires d’un individu, basée sur la mécanique des fluides numérique (MFN ou CFD pour « Computational Fluid Dynamics » ). L’invention trouve des applications notamment, mais non exclusivement, dans le secteur de la santé, en complément de l’imagerie médicale, en tant qu’outil d’aide à la compréhension de la dynamique des écoulements de fluide au sein des voies respiratoires, et plus spécialement au sein des cavités naso-sinusiennes, à des fins de caractérisations physiologiques, physiopathologiques, diagnostiques, thérapeutiques ou préventives. Arrière-plan technologique On s’attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire la problématique existant dans le cadre de l’étude des voies respiratoires supérieures adultes, et en particulier des cavités naso-sinusiennes. L’invention ne se limite bien sûr pas à ce contexte particulier d’application, mais présente un intérêt pour toute technique de caractérisation par simulation numérique d’écoulement dans des voies respiratoires d’un individu, quel que soit son âge, devant faire face à une problématique proche ou similaire. L’appareil respiratoire a pour fonction essentielle l’échange gazeux : apport d’oxygène et élimination de gaz carbonique. À cette fonction est associée la fonction d’épuration qui assure la bonne qualité de l’air inspiré qui arrive dans les alvéoles pulmonaires en éliminant les aérocontaminants. L’appareil respiratoire peut-être divisé en deux parties : les voies respiratoires (ou aériennes) supérieures comprenant le nez, la bouche, le pharynx et le larynx et les voies respiratoires (ou aériennes) inférieures comprenant la trachée-artère, et les poumons (arbre bronchique ramifié et alvéoles). Les voies respiratoires supérieures, et plus particulièrement les cavités naso-sinusiennes constituent une porte d’entrée de l’air ambiant dans l’organisme. Cette action physiologique permanente, reproduite en moyenne 15 à 20 fois par minute pour un individu au repos (soit un cycle respiratoire toutes les quatre secondes environ), permet de réchauffer, filtrer et d’humidifier l’air ambiant inspiré avant d’atteindre les poumons. L’air respiré est constitué essentiellement de gaz et de particules aéroportées dont une partie rentrent en contact avec les muqueuses des voies respiratoires. En effet, le nez fonctionne comme un conteneur dynamique qui interagit en permanence avec son environnement. Or la composition et la quantité de particules aéroportées inhalées par un individu sont des paramètres difficilement mesurables : l’écoulement d’air s’effectuant à l’intérieur de l’organisme ne sont pas directement observables d’une part et de tels paramètres varient significativement en fonction de l’environnement d’autre part. De plus, les cavités naso-sinusiennes sont des structures anatomiques présentent une grande variabilité morphologique pour un organe dont la relation structure-fonction est très étroite. La cloison nasale, qui est disposée sur le passage de l’air entrant et sortant, présente la morphologie la plus variable notamment. La déformation de la cloison nasale est présente dans plus de la moitié de la population générale d’origine caucasienne. Elle peut être l’origine d’obstruction nasale sans processus inflammatoire ou infectieux lié aux obstacles mécaniques à l’écoulement de l’air. Propre à chacun, l’anatomie interne nasale conditionne l’entrée et la sortie d’air, ce qui rend la compréhension des mécanismes de ventilation nasale et des interactions air-muqueuses associés relativement complexe. Par exemple, les mécanismes de transport et de dépôt des particules aéroportées restent encore mal connus du fait de la complexité anatomique et physiologique des voies aériennes supérieures (malgré le progrès des techniques modernes et les nombreuses études réalisées sur le sujet). De plus, beaucoup de recherches actuelles se fondent sur des modèles d’écoulement anatomiquement non réalistes, ne reproduisant pas le cycle de la respiration dans son intégrité. L’écoulement de l’air à l’intérieur des cavités nasales et son interaction avec les parois des muqueuses par exemple détermine le comportement de l’épithélium respiratoire, qu’il est essentiel de mieux maîtriser dans une optique d’amélioration des techniques de prévention et de soins des individus. En effet, le système respiratoire est source de nombreuses pathologies (telles que par exemple rhume, sinusite, rhinite, allergie, asthme, cancer, fibrose, etc.). Les maladies du nez et des sinus, et les symptômes liés aux sinus, sont un problème clinique de plus en plus courant ayant un impact négatif important sur la qualité de vie des individus. D’après certaines études, cette tendance est en constante augmentation en raison des stress environnementaux actuels (présence augmentée de particules allergènes et/ou polluantes dans l’air respiré). Les connaissances des mécanismes en jeu dans la respiration restent néanmoins diffuses et incomplètes à l’heure actuelle, et gêne les efforts dans l’amélioration des techniques de diagnostic, de thérapie ainsi que l’amélioration des contrôles pré-opératoires. Comme discuté ci-avant, les voies respiratoires peuvent être la source de certaines pathologies, mais elles constituent aussi un moyen d’administration de traitements. Il existe différents traitements et méthodes de traitement bien connus, tels que les traitements symptomatiques du type irrigation nasal par exemple (plus communément appelé « lavage de nez »). Actuellement, plusieurs techniques d’irrigations sont utilisées, telles que l’irrigation par gravité, l’irrigation manuelle ou l’irrigation par pulvérisation continue à l’aide d’un spray, sans pour autant connaître le lien entre les caractéristiques de l’écoulement du fluide pendant et après irrigation pour chacune de ces méthodes avec l’effet procuré par l’écoulement du fluide sur les particules responsables de la pathologie (dispersion, interaction avec les muqueuses, etc.). En effet, l’un des problèmes majeurs concernant les traitements appliqués aux voies respiratoires supérieures, et en particulier aux cavités nasales, réside dans le fait que cette région particulière de l’organisme n’est pas visible depuis l’extérieur de l’organisme. Bien que le mécanisme exact par lequel l’efficacité de l’irrigation nasale est atteinte n’est pas encore bien compris par la communauté de la recherche médicale et scientifique, il est probablement multiforme et comprend un certain nombre d’effets physiologiques qui, individuellement ou en combinaison, peuvent entraîner une amélioration de la capacité de la muqueuse nasale. Il apparaît donc particulièrement intéressant de pouvoir proposer un outil fiable et précis d’aide à la caractérisation des mécanismes d’écoulement respiratoire et des effets procurés par un traitement sur les voies respiratoires d’un individu, à des fins d’amélioration (ou de complétion) des techniques actuelles de prévention, de diagnostic, de thérapie. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, il est proposé un procédé de caractérisation de l’effet d’un traitement appliqué à destination des voies respiratoires d’un individu, le procédé comprenant les étapes suivantes : - réalisation d’un premier modèle numérique tridimensionnel, dit modèle de pré-traitement, d’au moins une portion de voie respiratoire dudit individu ; - exécution d’une première simulation de l’écoulement d’un fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans le modèle de pré-traitement, pour acquérir des données de pré-traitement ; - application d’un traitement à destination des voies respiratoires de l’individu ; - réalisation d’un deuxième modèle numérique tridimensionnel de ladite au moins une portion de voie respiratoire, dit modèle de post-traitement ; - exécution d’une deuxième simulation de l’écoulement du fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans le modèle de post-traitement, pour acquérir des données de post-traitement ; - comparaison des données de pré-traitement et de post-traitement acquises sur une durée représentative d’au moins un cycle respiratoire complet pour déterminer au moins une information caractéristique d’un effet procuré par le traitement en fonction des résultats de l’étape de comparaison. Ainsi la présente invention permet d’offrir un outil aidant à une meilleure compréhension des phénomènes relatifs à l’écoulement d’un fluide dans les voies respiratoires d’un individu. Le suivi au cours des phases d’inspiration et d’expiration de l’écoulement du fluide étudié avant et après l’application d’un traitement permet de fournir des informations pertinentes sur les effets procurés par un tel traitement, à des fins de mesures et de contrôles notamment et non exclusivement à des fins physiologiques, physiopathologiques, diagnostiques, thérapeutiques, préventives. Selon une mise en œuvre particulière du procédé, les première et deuxième simulation de l’écoulement du fluide sont exécutées en mettant en œuvre une méthode des éléments volumes finis basée sur une discrétisation d’un volume d’écoulement du fluide au moyen d’au moins un maillage polyédrique prédéfini, ledit volume d’écoulement correspondant ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée. Une telle méthode permet de prendre en compte, de manière simple, des géométries relativement complexes (comme celles de certaines parties des voies respiratoires) et tout type de conditions limites, par simple discrétisation du volume d’écoulement du fluide. Le maillage polyédrique retenu est celui offrant le meilleur compromis entre précision et temps de calculs. Les simulations sont réalisées par résolution d’un système d’équations spatio-temporelles modélisant le fluide dans chaque cellule discrétisée du volume d’écoulement pendant le ou les cycles respiratoires. Selon un aspect particulier de l’invention, les données de pré-traitement et de post-traitement sont acquises sur une durée représentative d’une pluralité de cycles respiratoires successifs. L’obtention d’informations sur un ensemble de cycles respiratoires successifs permet d’augmenter la fiabilité des données acquises et de mieux rendre compte des effets procurés par le traitement. Pour une mise en œuvre particulièrement fidèle à la physiologie de l’individu, le ou les cycles respiratoires sont composées chacun d’une première pause, d’une phase d’inspiration, d’une phase d’expiration de durée supérieure à celle de la phase d’expiration et une deuxième pause. En variante, le ou les cycles respiratoires sont composées chacun seulement d’une phase d’inspiration et d’une phase d’expiration, la durée de l’expiration étant supérieure à celle de l’inspiration. Selon une mise en œuvre particulière, le procédé comprend une étape de fourniture des données de pré-traitement et/ou de post-traitement. Ainsi, le procédé permet de fournir à un utilisateur (un médecin par exemple) ou à une machine les données de pré-traitement et/ou de post-traitement à des fins d’analyse du comportement du fluide dans les voies respiratoires de l’individu et l’effet du traitement appliqué. De tels résultats peuvent être fournis, via une interface homme-machine, sous la forme d’informations explicites ou bien sous la forme de représentations graphiques de synthèse (notamment, mais non exclusivement 2D, 3D, statique ou dynamique) représentatives des résultats de pré-traitement et/ou de post-traitement acquis à différents instants du/des cycles respiratoires. Une représentation dynamique représentative des résultats de simulations constitue un outil d’aide efficace à la compréhension des phénomènes induits par le traitement sur les voies respiratoires. Selon un aspect particulier de l’invention, l’étape de comparaison des données de pré-traitement et de post-traitement est effectuée par une machine, le procédé comprenant une étape de fourniture de ladite au moins une information caractéristique via une interface homme-machine. De cette façon, il est possible de confirmer ou non le diagnostic ou les hypothèses issues de l’analyse faite par le médecin. Il peut s’agir d’informations explicites ou bien de représentations graphiques de synthèse mettant en avant les différences de résultats issus du pré et du post-traitement. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le fluide est un fluide polyphasique comprenant une phase gazeuse et/ou une phase liquide et/ou une phase particulaire. Bons nombres de fluides peuvent ainsi être simulés. Selon une mise en œuvre particulière, l’étape d’application d’un traitement consiste en une administration du traitement aux voies respiratoires de l’individu. Bon nombre de traitements physiques (réels) peuvent être ainsi testés. Il peut s’agir d’un traitement chimique (par exemple un traitement médicamenteux), thermique ou chirurgical lequel traitement pouvant être mis en œuvre de manière locale, régionale ou générale. De manière alternative ou en complément, l’étape d’application d’un traitement consiste en une simulation numérique d’un traitement appliqué à ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans le modèle de pré-traitement. Bon nombre de traitements (virtuels) peuvent ainsi être simulés. Un avantage de cette approche est qu’elle permet de tester virtuellement l’application d’un traitement afin d’en caractériser les effets avant de l’appliquer réellement au patient. Ladite au moins une information caractéristique de l’effet procuré par le traitement appartient au groupe comprenant : - une information relative à l’efficacité du traitement ; - une information relative à l’impact physiopathologique du traitement ; - une information relative à au moins mécanisme d’action du traitement ; - une information relative à la présence d’une pathologie ; - une information relative à la manifestation d’au moins un symptôme. De telles informations aident à une meilleure compréhension du ou des effets procurés par le traitement. Ainsi, l’invention offre la possibilité d’évaluer l’efficacité du traitement appliqué sur les voies respiratoires du patient, en vue d’une adaptation éventuelle de celui-ci. L’administration du traitement est réalisée au moyen d’un dispositif nébuliseur destiné à une application nasale et/ou buccale, et dans lequel ladite au moins une information caractéristique de l’effet procuré par le traitement est une information relative à l’efficacité d’administration du traitement par ledit dispositif nébuliseur. Cette mise en œuvre est particulièrement avantageuse car elle permet de mieux comprendre les mécanismes d’administration du dispositif utilisé. Ainsi, l’invention permet d’évaluer l’efficacité d’administration du traitement appliqué du dispositif en fonction des résultats des simulation de pré et post-traitement. Ainsi, une amélioration du dispositif (ou de son utilisation) peut être envisagée en vue d’une administration plus efficace du traitement. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un produit programme d'ordinateur qui comprend des instructions de code de programme pour la mise en œuvre du procédé précité (dans l’un quelconque de ses différents modes de réalisation), lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un médium de stockage lisible par ordinateur et non transitoire, stockant un programme d’ordinateur comprenant un jeu d’instructions exécutables par un ordinateur pour mettre en œuvre le procédé précité (dans l’un quelconque de ses différents modes de réalisation). Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé une unité de caractérisation de l’effet d’un traitement appliqué sur des voies respiratoires d’un individu, comprenant : - des moyens de réalisation d’un premier modèle numérique tridimensionnel, dit modèle de pré-traitement, d’au moins une portion de voie respiratoire dudit individu ; - des moyens d’exécution d’une première simulation de l’écoulement d’un fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans le modèle de pré-traitement, pour acquérir des données de pré-traitement ; - des moyens d’application d’un traitement à destination des voies respiratoires de l’individu ; - des moyens de réalisation d’un deuxième modèle numérique tridimensionnel de ladite au moins une portion de voie respiratoire, dit modèle de post-traitement ; - des moyens d’exécution d’une deuxième simulation de l’écoulement du fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans le modèle de post-traitement, pour acquérir des données de post-traitement ; - des moyens de comparaison des données de pré-traitement et de post-traitement acquises sur une durée représentative d’au moins un cycle respiratoire complet pour déterminer au moins une information caractéristique d’un effet procuré par le traitement. Avantageusement, l’unité de caractérisation comprend des moyens de mise en œuvre des étapes qu’il effectue dans le procédé d’obtention tel que décrit précédemment, dans l’un quelconque de ses différents modes de réalisation. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : présente un organigramme d’un mode de réalisation particulier du procédé selon l’invention ; représente un schéma anatomique de la région naso-sinusienne d’un être humain; est une représentation numérique, en vue de profil, d’une modélisation de la région naso-sinusienne d’un individu ; est une représentation numérique illustrant le principe de simulation de la respiration nasal dans la région naso-sinusienne modélisée de la , pendant la phase d’inspiration ; est une représentation numérique illustrant le principe de simulation de la respiration nasal dans la région naso-sinusienne modélisée de la , pendant la phase d’expiration ; est une représentation numérique illustrant le principe de simulation d’un lavage nasal dans la région naso-sinusienne modélisée de la ; représente la structure simplifiée d’une unité de calcul mettant en œuvre le procédé selon un mode de réalisation particulier de l’invention. Procédé de caractérisation numérique des écoulements d'un fluide dans des voies respiratoires d’un individu, le procédé comprenant les étapes suivantes : - réalisation (S1) d’un premier modèle numérique tridimensionnel d’au moins une portion de voie respiratoire dudit individu , à partir d'une première série d'images bidimensionnelles obtenues par exemple à l'aide d'un scanner ou par IRM ; - exécution d’une première simulation (S2) de l’écoulement d’un fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans ledit premier modèle ; - réalisation (S4) d’un deuxième modèle numérique tridimensionnel de ladite au moins une portion de voie respiratoire, à partir d'une deuxième série d'images bidimensionnelles obtenues par exemple à l'aide d'un scanner ou par IRM ; - exécution d’une deuxième simulation (S5) de l’écoulement du fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans le deuxième modèle ; - comparaison (S6) des données délivrées par lesdites première et deuxième simulations, acquises sur une durée représentative d’au moins un cycle respiratoire complet, délivrant des résultats de comparaison desdites simulations. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les première et deuxième simulation de l’écoulement du fluide sont exécutées en mettant en œuvre une méthode des volumes finis basée sur une discrétisation d’un volume d’écoulement du fluide au moyen d’au moins un maillage polyédrique prédéfini, ledit volume d’écoulement correspondant ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les données délivrées par lesdites première et deuxième simulations sont acquises sur une durée représentative d’une pluralité de cycles respiratoires successifs. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il délivre des résultats sous la forme de représentations graphiques de synthèse. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’étape de comparaison des données délivrées par lesdites première et deuxième simulations est effectuée par une machine, le procédé comprenant une étape de fourniture de ladite au moins une information caractéristique via une interface homme-machine. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le fluide est un fluide polyphasique comprenant une phase gazeuse et/ou une phase liquide et/ou une phase particulaire. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de simulation numérique (S3) d’un traitement appliqué à ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée, entre ladite étape d'exécution d’une première simulation (S2) de l’écoulement d’un fluide et ladite étape de réalisation (S4) d’un deuxième modèle numérique tridimensionnel. Produit programme d'ordinateur, comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre du procédé selon au moins une des revendications 1 à 7, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Médium de stockage lisible par ordinateur et non transitoire, stockant un produit programme d’ordinateur selon la revendication 8. Unité de caractérisation numérique des écoulements d’un fluide dans des voies respiratoires d’un individu, comprenant : - des moyens de réalisation d’un premier modèle numérique tridimensionnel d’au moins une portion de voie respiratoire dudit individu , à partir d'une première série d'images bidimensionnelles obtenues par exemple à l'aide d'un scanner ou par IRM ; - des moyens d’exécution d’une première simulation de l’écoulement d’un fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans ledit premier modèle ; - des moyens de réalisation d’un deuxième modèle numérique tridimensionnel de ladite au moins une portion de voie respiratoire , à partir d'une deuxième série d'images bidimensionnelles obtenues par exemple à l'aide d'un scanner ou par IRM ; - des moyens d’exécution d’une deuxième simulation de l’écoulement du fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans le deuxième modèle ; - des moyens de comparaison des données délivrées par lesdites première et deuxième simulation et acquises sur une durée représentative d’au moins un cycle respiratoire complet pour déterminer au moins une information caractéristique des résultats sous forme de représentations graphiques de synthèse. Produit programme d'ordinateur, comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre d’un procédé de caractérisation numérique des écoulements d’un fluide dans des voies respiratoires d’un individu, ledit produit programme d'ordinateur effectuant les opérations suivantes : - réalisation d’un premier modèle numérique tridimensionnel d’au moins une portion de voie respiratoire dudit individu , à partir d'une première série d'images bidimensionnelles obtenues par exemple à l'aide d'un scanner ou par IRM ; - exécution d’une première simulation de l’écoulement d’un fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans le premier modèle ; - réalisation d’un deuxième modèle numérique tridimensionnel de ladite au moins une portion de voie respiratoire , à partir d'une première série d'images bidimensionnelles obtenues par exemple à l'aide d'un scanner ou par IRM ; - exécution d’une deuxième simulation de l’écoulement du fluide dans ladite au moins une portion de voie respiratoire modélisée dans le deuxième modèle ; - comparaison des données délivrées par lesdites première et deuxième simulation et acquises sur une durée représentative d’au moins un cycle respiratoire complet pour déterminer au moins une information caractéristique des résultats sous forme de représentations graphiques de synthèse.