Description anatomique et physiopathologique des trois géométries de voies aériennes

Trois modèles des voies aériennes supérieures ont été utilisés :

1. un modèle de tête plastiné qui est en réalité un modèle physique rigide des VAS nasales obtenues dans des conditions post mortem. Ce modèle a été choisi car il a permis d’effectuer des mesures expérimentales sur banc et de ce fait, offre des éléments de comparaison entre l’expérimentation et la simulation numérique ; 2. une géométrie des VAS recueillies in vivo à partir d’un patient considéré comme

« sain » par les ORL2. La géométrie de ce modèle des VAS a été utilisée pour réaliser un modèle physique 3D dans le but d’effectuer des mesures expérimentales. Ce modèle physique a été réalisé par stéréolithographie ;

3. une géométrie des VAS recueillies in vivo à partir d’un patient considérée comme « pathologique » par les ORL car présentant une déviation obstructive de la fosse nasale gauche.

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Position de repos du corps allongé à l'horizontale. Le décubitus est dit dorsal lorsque le sujet repose sur le dos (décubitus utilisé seul est en règle générale employé pour décubitus dorsal), ventral lorsque le sujet repose sur le ventre et latéral lorsque le sujet repose sur le coté.

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Figure 2-3 : Photo du modèle plastiné vue de biais. Le tube cannelé visible à l’arrière du crâne permet de relier le nasopharynx à un éventuel dispositif expérimental.

Chapitre 2 Matériels et Méthodes

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2.2.2.1. Modèle de nez plastiné

La géométrie du modèle de nez plastiné (Figure 2-3) est relativement complète. Elle inclut les deux fosses nasales et les sinus maxillaires. Ce spécimen anatomique a été obtenu à partir d’un « don de corps fait à la science ». Il nous a été prêté par le Docteur Marc Durand (Laboratoire d’Anatomie de la Faculté de Médecine Jacques Lisfranc, Saint-Etienne, et ORL au Centre Hospitalier Emile Roux, Le Puy). Du fait de la nature de ce don, les informations concernant le sexe ou l’age de la personne sont indisponibles.

La plastination est une technique bien connue pour la conservation anatomique. Elle a été créée par l’anatomiste Gunther von Hagens en 1977 [von Hagens G, 1979, von Hagens G et coll., 1987]. Cette technique consiste à éterniser les spécimens en extrayant l’eau et les graisses des tissus qui seront ensuite remplacés par des résines (polymères). L’architecture est ainsi préservée jusqu’à l’échelon cellulaire. [Durand M, 1999, Durand M et coll., 2001, Durand M et coll., 2005]

Cette méthode se pratique en quatre grandes étapes :

• Fixation : Cela commence par le prélèvement de la pièce sur cadavre « frais » car la durée entre le moment du décès et le prélèvement influence directement la qualité de la pièce plastinée (le délai conseillé est inférieur à 24 heures). La pièce anatomique est alors fixée dans du formol à 10%.

• Déshydratation et dégraissage : La pièce fixée et disséquée est plongée dans de l’acétone à -25°C. L’acétone va progressivement remplacer l’eau et les lipides dans les tissus par substitution à froid.

• Imprégnation forcée : Il s’agit du principe même de la plastination. Le spécimen est transvasé directement de la cuve d’acétone vers la cuve de silicone, non polymérisé à ce stade, et toujours à la température de -25°C. Le vide est ensuite progressivement appliqué, de façon rapide jusqu’à 25 mmHg, dépression à partir de laquelle l’acétone commence à s’évaporer.

• Polymérisation : Cette phase est la dernière du protocole. Elle permet d’obtenir une pièce stabilisée. Elle est appelée « curing » en anglais, qui est traduit littéralement par « cuisson » ou plus souvent par « durcissement ». Ce cycle est réalisé en plusieurs étapes :

Figure 2-4 : Coupe coronale issue du scanner de la tête plastinée et mettant en évidence la concha bullosa présente dans le cornet moyen droit.

Chapitre 2 Matériels et Méthodes

38 o C’est le début réel de la polymérisation. Elle est induite par un durcisseur,

le S6 qui est mis en barbotage par un générateur de bulles dans un réservoir hermétique.

La durée totale de la préparation par pièce (tête ou fragment de tête) est en moyenne de 6 mois.

Remarque :

La géométrie de la tête plastinée peut être vue comme un état de base pour la géométrie nasale. En effet, la technique de plastination permet de préserver correctement l’anatomie des voies aériennes nasales, mais en raison de l’origine post mortem du spécimen il y a une suppression du lit vasculaire irriguant les tissus des cavités. On notera que d’après les observations du spécimen plastiné faites par le Docteur Marc Durand, qui a lui-même préparé le spécimen, le processus de plastination a légèrement diminué l’épaisseur de la muqueuse des cornets. En conclusion, on peut estimer que la géométrie du spécimen se présente comme celle d’un sujet vivant sous vasoconstricteurs locaux. En effet, d’après von Hagens et coll. [von Hagens G, et coll., 1987], on peut admettre une rétraction du volume des tissus d’environ 10% en raison du processus de plastination. Le caractère réaliste de ce modèle de voies aériennes nasales a été préablement validé par un examen tomodensitométrique de la tête plastinée [Durand M, et coll., 2001]. D’après son diagnostic, ce modèle de cavités nasales présente une « concha bullosa3 » à droite (Figure 2-4) qui reste dans la limite physiologique (présente chez 20% de la population). Dans le cas de la tête plastinée, cette anomalie fait que le volume du cornet droit est supérieur à celui de son homologue controlatéral.

2.2.2.2. Modèle des voies aériennes supérieures « saines »

Contrairement au modèle de nez plastiné qui se termine par un tube cannelé horizontal, ce modèle de VAS saines comprend la totalité des VAS depuis l’entrée des narines jusqu’au niveau du pharynx ainsi que tous les sinus paranasaux. Les cavités nasales de ce modèle sont plus étroites que celles du modèle de nez plastiné et les aires des sections transversales de ce modèle des VAS saines sont en moyenne 20% plus petites que celles du modèle de nez plastiné.

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concha bullosa = pneumatisation du cornet moyen ou anomalie turbinale qui selon sa taille peut être génératrice d’obstruction nasale

Figure 2-5 : Coupe axiale issue du scan du sujet « sain » mettant en évidence la légère déviation septale postérieure.

Figure 2-6: Schéma représentant le principe de stéréolithographie

Chapitre 2 Matériels et Méthodes

39 L’examen clinique des coupes scanner effectué par le Pr André Coste, révèle que ce patient présente une légère déviation septale postérieure vers la gauche (Figure 2-5). Le cornet inférieur opposé à la déviation présente une légère hypertrophie.

Malgré tout, cette anomalie structurale est relativement courante et n’a pas de réelle signification pathologique. L’examen tomodensitométrique n’est pas totalement non-invasif. Il ne peut pas être prescrit sans justification médicale. Ce modèle des VAS a donc été qualifié caractérisé, faute de mieux pour cette étude, de modèle des VAS « saines » même s’il est clair qu’il présente des anomalies à la limite du normal.

Un modèle physique de cette géométrie des VAS saines a pu être créé par un procédé de prototypage rapide, la stéréolithographie (Figure 2-6), afin d’effectuer une comparaison entre des mesures pression-débit obtenues expérimentalement et numériquement sur des géométries des VAS rigoureusement identiques.

La stéréolithographie développée en 1986 fut la première technologie de prototypage rapide. Aujourd'hui elle est utilisée dans le monde entier. Sous l'action d'un laser, une résine liquide photosensitive (Résine Epoxy) est solidifiée par une transformation chimique. Le faisceau de lumière émis par le laser est projeté à la surface de la résine par un jeu de miroirs dynamiques. Le mouvement de ces miroirs, pilotés par un ordinateur interprétant les données fournies par le logiciel de CAO fait parcourir au faisceau une trajectoire correspondant à une section de pièce considérée. Sur son passage, le laser polymérise la résine et seule la région balayée reste solidifiée. L’état de la surface et le temps de fabrication dépendent du choix de la hauteur de couche. Après réalisation d'une section, la plate-forme supportant l'objet en cours de fabrication descend dans la cuve de résine d'une hauteur correspondant à l'épaisseur de la section (habituellement entre 0,07 mm et 0,75 mm). L'empilement des couches permet de construire une pièce de géométrie tridimensionnelle. Consécutivement à la polymérisation d'une section, un dispositif de raclage intervient pour niveler uniformément la surface. Une fois que la surface de la cuve de résine est immobile, le laser peut démarrer la polymérisation d'une nouvelle section.

Pour créer ce modèle stéréolithographié, la géométrie 3D des VAS de ce sujet sain a été reconstruite numériquement via le logiciel AMIRA. La méthode de reconstruction 3D est décrite au paragraphe 2.2.3. Il est à noter que les contours externes de la géométrie reconstruite par la stéréolithographie ont été légèrement modifiés. En effet, la partie du visage située à l’avant des narines a été découpée pour ne garder que l’entrée du nez ; De plus un raccord a été créé virtuellement et ajouté à la sortie du pharynx pour permettre le branchement

Figure 2-7 : Vue tronquée de face du modèle numérique créé pour le prototypage rapide. L’épaisseur de 0,7 mm pour la paroi du modèle physique est bien visible sur cette image (en rose).

Figure 2-8 : Coupe axiale issue du scan du sujet « pathologique » mettant en évidence la déviation septale antérieure, l’éperon osseux s’impactant dans le cornet inférieur gauche et l’hypertrophie du cornet inférieur droit.

Chapitre 2 Matériels et Méthodes

40 du modèle physique au reste du circuit expérimental ; et enfin une épaisseur (0,7 mm) a été créée à partir de la face externe grâce au logiciel 3D StudioMax® (Autodesk, Inc. San Rafael, CA/Kinetix…) afin de donner corps au modèle physique (Figure 2-7). La fabrication pratique du modèle physique a été confiée à la société CRESILAS, le fichier numérique étant préparé au laboratoire.

2.2.2.3. Modèle des voies aériennes supérieures « pathologiques »

En terme d’anatomie, ce modèle des VAS est aussi complet que le modèle des VAS précédent sauf que la géométrie présente plusieurs anomalies structurales. L’examen des coupes scanner et l’examen clinique direct sur le patient révèlent qu’il présente une hypertrophie du cornet inférieur droit, une déviation septale antérieure vers la gauche ainsi qu’un éperon osseux s’impactant dans le cornet moyen gauche (Figure 2-8). Ce patient a subi de nombreux examens d’explorations fonctionnelles dont un test de compliance révélant une très forte compliance des parois des deux cavités nasales, ainsi qu’une mesure de résistance par rhinomanométrie postérieure [Coste A et coll., 1999] révélant des valeurs de résistance élevées pour la cavité nasale gauche (14,6 cmH2O soit 365% de la valeur normale).

Les cavités nasales de ce modèle des VAS sont plus étroites que celles du modèle de nez plastiné et les aires des sections transversales de ce modèle de VAS sont en moyenne 40 à 50% plus petites que celles du modèle de nez plastiné. Pour le clinicien la narine droite pourrait être considérée comme ne présentant pas de réel problème fonctionnel alors que la narine gauche présente quant à elle un caractère obstructif.

Ce modèle de VAS sera choisi comme modèle de VAS « pathologiques ».