Les chercheurs identifient des processus physiques «  violents  » qui provoquent une respiration sifflante

Une équipe d’ingénieurs a identifié les processus physiques «violents» au travail à l’intérieur des poumons qui provoquent une respiration sifflante, une condition qui affecte jusqu’à un quart de la population mondiale.

Les chercheurs, de l’Université de Cambridge, ont utilisé des techniques de modélisation et de vidéo haute vitesse pour montrer ce qui cause la respiration sifflante et comment la prédire. Leurs résultats pourraient être utilisés comme base d’un diagnostic moins coûteux et plus rapide de la maladie pulmonaire qui ne nécessite qu’un stéthoscope et un microphone.

Une meilleure compréhension du mécanisme physique responsable de la production de sifflements respiratoires pourrait fournir un meilleur lien causal entre les symptômes et la maladie, et aider à améliorer le diagnostic et le traitement. Les résultats sont rapportés dans le journal Science ouverte de la Royal Society.

À un moment donné, la plupart d’entre nous ont ressenti une respiration sifflante, un sifflement aigu émis en respirant. Pour la plupart des gens, le phénomène est temporaire et résulte généralement d’une réaction allergique froide ou légère. Cependant, une respiration sifflante régulière ou chronique est souvent un symptôme de conditions plus graves, telles que l’asthme, l’emphysème, la bronchopneumopathie chronique obstructive (MPOC) ou certains cancers.

Parce que la respiration sifflante rend la respiration plus difficile, elle exerce une pression énorme sur les poumons. Les sons associés à la respiration sifflante ont été utilisés pour faire des diagnostics pendant des siècles, mais les mécanismes physiques responsables de l’apparition de la respiration sifflante sont mal compris, et il n’y a pas de modèle pour prédire quand une respiration sifflante se produira. « 

Dr Alastair Gregory, premier auteur de l’étude, Département d’ingénierie, Université de Cambridge

Le co-auteur, le Dr Anurag Agarwal, chef du laboratoire d’acoustique du département d’ingénierie, a déclaré qu’il avait eu l’idée d’étudier la respiration sifflante après des vacances en famille il y a plusieurs années. « J’ai commencé à avoir une respiration sifflante la première nuit où nous étions là-bas, ce qui ne m’était jamais arrivé auparavant », a-t-il déclaré. «Et en tant qu’ingénieur qui étudie l’acoustique, ma première pensée a été à quel point c’était cool que mon corps fasse ces bruits. Après quelques jours, j’avais de réels problèmes respiratoires, ce qui a fait disparaître la nouveauté assez rapidement.

La respiration sifflante d’Agarwal était probablement causée par une allergie aux acariens, qui était facilement traitée avec des antihistaminiques en vente libre. Cependant, après avoir discuté avec un voisin qui est également spécialiste en médecine respiratoire, il a appris que même s’il s’agit d’un phénomène courant, les mécanismes physiques qui provoquent une respiration sifflante sont quelque peu mystérieux.

«Étant donné que la respiration sifflante est associée à tant de conditions, il est difficile d’être sûr de ce qui ne va pas chez un patient en se basant uniquement sur la respiration sifflante, nous travaillons donc à comprendre comment les bruits de respiration sifflante sont produits afin que les diagnostics puissent être plus précis». dit Agarwal.

Les voies respiratoires du poumon sont un réseau ramifié de tubes flexibles, appelés bronchioles, qui se raccourcissent et se rétrécissent progressivement à mesure qu’ils s’enfoncent dans le poumon.

Afin d’imiter cette configuration en laboratoire, les chercheurs ont modifié un équipement appelé résistance Starling, dans lequel le flux d’air est entraîné à travers de minces tubes élastiques de différentes longueurs et épaisseurs.

Co-auteur et spécialiste de la vision par ordinateur, le professeur Joan Lasenby a développé une technique de stéréoscopie multi-caméras pour filmer l’air forcé à travers les tubes à différents degrés de tension, afin d’observer les mécanismes physiques qui provoquent une respiration sifflante.

«Cela nous a surpris à quel point le mécanisme de la respiration sifflante est violent», a déclaré Gregory, qui est également chercheur junior au Magdalene College. « Nous avons constaté qu’il existe deux conditions pour qu’une respiration sifflante se produise: la première est que la pression exercée sur les tubes est telle qu’une ou plusieurs bronchioles s’effondre presque, et la seconde est que l’air est forcé à travers les voies respiratoires effondrées avec suffisamment de force pour entraîner des oscillations. « 

Une fois ces conditions réunies, les oscillations se développent et sont entretenues par un mécanisme de battement dans lequel les ondes se déplaçant d’avant en arrière ont la même fréquence que l’ouverture et la fermeture du tube. «Un phénomène similaire a été observé dans les ailes des avions lorsqu’elles tombent en panne ou dans les ponts lorsqu’elles s’effondrent», a déclaré Agarwal. « Lorsque les vibrations de haut en bas sont à la même fréquence que les vibrations de torsion dans le sens horaire et anti-horaire, nous obtenons un flottement qui provoque l’effondrement de la structure. Le même processus est à l’œuvre dans le système respiratoire. »

À partir de ces observations, les chercheurs ont développé une «  loi du tube  » afin de prédire le moment où cette oscillation potentiellement dommageable pourrait se produire, en fonction des propriétés du matériau du tube, de la géométrie et de la tension.

« Nous utilisons ensuite cette loi pour construire un modèle qui peut prédire l’apparition de la respiration sifflante et pourrait même être la base d’un diagnostic moins coûteux et plus rapide de la maladie pulmonaire », a déclaré Gregory. « Au lieu de méthodes coûteuses et chronophages telles que les rayons X ou l’IRM, nous n’aurions besoin de rien de plus qu’un microphone et un stéthoscope. »

Un diagnostic basé sur cette méthode fonctionnerait en utilisant un microphone – les premiers tests ont été effectués à l’aide du microphone intégré sur un smartphone normal – pour enregistrer la fréquence du son de respiration sifflante et l’utiliser pour identifier quelle bronchiole est proche de l’effondrement, et si le les voies respiratoires sont inhabituellement rigides ou flexibles afin de cibler le traitement. Les chercheurs espèrent qu’en découvrant des changements dans les propriétés des matériaux dus à la respiration sifflante et aux emplacements d’où proviennent les sifflements, les informations supplémentaires permettront de distinguer plus facilement les différentes conditions, bien que des travaux supplémentaires dans ce domaine soient encore nécessaires.