Mécaniques des fluides

Questions techniques, théoriques, le biomédical...

Modérateur : Marc

mikabeny
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Mécaniques des fluides

Message : # 86051Message non lu mikabeny »

Bonjour à toutes et à tous.

Je recherche un ouvrage expliquant les grands principes de la mécanique des fluides associés à l'anesthésie. Je n'en trouve mais qui ne rassemblent que les principes généraux de ces lois.
Auriez-vous des références à me donner?

Merci d'avance...

Si tant pis, j'irai revoir mes cours de lycée....
Yves Benisty
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Re: Mécaniques des fluides

Message : # 86052Message non lu Yves Benisty »

Bonjour,

À ma connaissance, il n'y a pas de livre spécifique. Je vous propose deux ouvrages intéressants, mais peut-être pas faciles à trouver. Et pas très faciles à comprendre...

Comprendre la physiologie cardiovasculaire

Anesthésie, réanimation: Travaux pratiques de physique. Georges Bénichou.

D'une façon plus globale, les lois physiques qui nous intéressent en anesthésie réanimation sont assez nombreuses mais peuvent toujours être expliquées simplement. On peut s'intéresser à la pression, au volume, à travers les lois de Boyle Mariotte et Dalton. La solubilité des gaz, loi de Henry. La diffusion des gaz, loi de Fick. L'écoulement d'un fluide laminaire, loi de Hagen-Poiseuille. Un petit coup d'œil sur la poussée d'Archimède. Un peu de thermodynamique avec les échanges de chaleur et l'évaporation.

Si vous vous intéressez à la plongée, vous vous rendrez compte qu'il y a pas mal d'analogies entre plongée et anesthésie, en particulier parce qu'on s'intéresse aux mêmes problèmes physiques.

Si vous avez des questions, vous pouvez les poser sur ce forum.

Allez, un petit dernier que j'aime bien : « La glace et la vapeur. Qu'est-ce que c'est ? » de Jean-Pierre Maury. C'est accessible à un enfant de CM2 et on y apprend plein de choses.
Yves Benisty
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Re: Mécaniques des fluides

Message : # 86321Message non lu Yves Benisty »

Bonjour,

Il existe des MOOC (Massive Open Online Course, formation en ligne ouverte à tous, FLOT) sur le sujet. Par exemple ici.
veviti
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Re: Mécaniques des fluides

Message : # 86422Message non lu veviti »

Bonjour,
Actuellement en première année, je suis en train de travailler les cours sur la loi des gaz, et je doute beaucoup de ce que j'ai pu prendre en note durant le cours :mmmmm:

En application de la loi des gaz, l'intervenant nous a parlé de ce qui se passait lors de l'insufflation de gaz par un respirateur.
Si j'ai bien compris :
Les gaz muraux sont délivrés en conditions ATPS.
Lors de l'insufflation, la pression des gaz augmentent (du fait de la résistance du circuit).
D'après la loi de Charles : si le volume est constant alors la pression est proportionnelle à la température (et inversement) donc l'augmentation de pression à l'intérieur du circuit se traduit par une augmentation de la température des gaz délivrés c'est-à-dire vers des conditions BTPS.
Jusque là, je pense avoir compris.
Ensuite, j'ai noté que cela entraînait : le volume délivré au patient est inférieur au volume délivré par le respirateur.
est-ce que l'explication est : dans le poumon, pour une quantité de gaz et une température donnée, alors, en application de la loi de Boyle et Mariotte, la pression est inversement proportionnelle au volume. :mmmmm: :mmmmm: ce qui revient à dire que si la pression augmente à l'intérieur des poumons (ce qui est le cas lors de l'insufflation) alors le volume distribué est diminué (la température étant constante dans l'organisme).

J'espère que ces quelques lignes sont compréhensibles, mais je ne suis pas vraiment certaine de mon raisonnement! :smt025. Ce qui est certain, c'est qu'il me semble nécessaire de bien appréhender toutes ces notions.

Bref si certains d'entre-vous peuvent jeter un regard neuf sur ce point et me dire, cela serait super.

Cordialement
Yves Benisty
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Re: Mécaniques des fluides

Message : # 86423Message non lu Yves Benisty »

Bonjour,

Je ne sais pas ce qui a été raconté et ce que vous avez noté (et si ça diffère). Je n'ai pas les connaissances pour vous faire un cours de thermodinoumouk... euh... de thermodynamique ou de physique des gaz (les problèmes que vous posez sont plus dans ce domaine que dans celui de la mécanique des fluides). Je vais tenter de décrypter ce qui vous a été raconté et de vous donner quelques “take home message”, des trucs utiles à la compréhension de la ventilation artificielle.

Étant donné que je suis un nain dans ces domaines, il se peut que je fasse des erreurs. Je laisse le soin à ceux qui sont plus instruits que moi de les corriger.
veviti a écrit :Les gaz muraux sont délivrés en conditions ATPS.
Ça serait plutôt ATPD...

En premier lieu, un décryptage des abréviations.

ATP : “ambiant temperature and pressure”, ou « conditions ambiantes de température et de pression ». C'est l'état d'un gaz auquel on s'intéresse, à la température et à la pression à laquelle il est au moment où on s'intéresse à lui.

ATPD : “ambiant temperature and pressure”, dry. On considère l'état du gaz auquel on s'intéresse dans ses conditions de pression et de température, mais on considère uniquement les gaz secs, sans tenir compte de la présence éventuelle (et donc de la quantité et de la pression) de la vapeur d'eau. Les gaz médicaux délivrés par un réservoir de gaz comprimé (obus d'oxygène) ou par la centrale des gaz de l'hôpital sont secs, on peut donc parler de leur délivrance ATPD.

ATPS : “Ambient temperature and pressure, saturated”. On considère le gaz à sa température et à sa pression, mais saturé en vapeur d'eau. C'est par exemple le cas d'un gaz délivré par un respirateur après son passage dans un humidificateur chauffant. Par exemple, à 37°C, un gaz saturé en eau contient environ 44 mg/L d'eau, soit une pression de 6 274 Pa (≈ 63 hPa, 47 mmHg).

BTPS : Body temperature (37°C) and pressure, saturated. À la température du corps et saturé en eau. Ce sont les conditions des gaz à l'intérieur des poumons (on considère que le gaz inspiré, pour un patient respirant spontanément, est réchauffé à 37°C et saturé en eau un peu après la carène, l'essentiel du réchauffement et de l'humidification se faisant dans le pharynx, et le reste dans la trachée et les premières divisions des bronches).

STPD : “Standard temperature, pressure, and dry”. Ce sont les conditions standard pour décrire un gaz, c'est-à-dire à la pression atmosphérique (101 325 Pa) et à 0°C (ou 273,15°K).
veviti a écrit :Lors de l'insufflation, la pression des gaz augmentent (du fait de la résistance du circuit).
C'est exact, mais un circuit de ventilateur a une résistance très faible. Si quelqu'un lit ce message, ce paramètre est probablement donné par l'écran d'affichage après un auto-test. Au pif dans le brouillard, je dirais que l'augmentation de pression liée à la résistance du circuit est de l'ordre de 0,3 hPa.
veviti a écrit :Ensuite, j'ai noté que cela entraînait : le volume délivré au patient est inférieur au volume délivré par le respirateur.
Si on considère le volume délivré à la sortie du respirateur, c'est exact. Ça n'est pas une histoire de température ou de pression, mais tout simplement de compliance du circuit.

La compliance, c'est le fait qu'un système augmente de volume quand on augmente la pression à son entrée. C'est le cas pour les poumons, et ce qui est souhaitable, c'est que la compliance soit élevée, pour que l'on puisse délivrer un volume en augmentant peu la pression dans les voies aériennes. Mais c'est le cas du circuit de ventilation. Je vous propose un exemple numérique.

Quand on teste un respirateur Elysée 250 ou 350, la compliance totale du circuit s'affiche. Elle est de l'ordre de 1,5 mL/cmH2O. Je vous fais grâce la conversion en unités du système international, on va continuer le raisonnement en utilisant ces unités (pour mémoire, la pression atmosphérique standard au sol est de 1 013,25 hPa et de 1 033,2 cmH2O ; on peut donc considérer sans faire une grosse erreur que hPa ≈ cmH2O).

Si on ventile un patient avec une pression de 20 cmH2O, le circuit de ventilation va augmenter de volume de 1,5 x 20 = 30 mL. Donc le patient ne recevra pas ce volume. En quelque sorte, comme le circuit a augmenté de volume lors de l'insufflation, une partie du volume insufflé « reste » dans le circuit.

Les respirateurs modernes (ça fait une bonne vingtaine d'années que ça existe) compensent cette compliance du circuit, à condition d'avoir réalisé l'auto-test, car c'est pendant l'auto-test que cette compliance est mesurée.

Petit complément, le volume du circuit augmente lors de l'insufflation, et le circuit revient à son état de départ lors de l'expiration. Les volumes liés à la compliance du circuit sont appelés « volumes de compression-détente» et ils ne concernent pas le volume mort. En ventilation artificielle, le volume mort du circuit débute à la pièce en Y. En ventilation invasive, c'est donc le filtre, le raccord annelé et la sonde d'intubation.

Certains respirateurs mesurent les volumes délivrés par une cellule de spirométrie qui se place à la pièce en Y. Dans ce cas, le volume inspiré mesuré n'est pas influencé par le volume de compression-détente.
Modifié en dernier par Yves Benisty le 08 févr. 2020, 16:27, modifié 1 fois.
Yves Benisty
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Re: Mécaniques des fluides

Message : # 86424Message non lu Yves Benisty »

Petit complément pour ceux qui veulent se faire des nœuds au cerveau... On pourrait considérer le gaz sortant du respirateur avant son passage dans l'humidificateur (ou le filtre échangeur de chaleur et d'humidité). Dans ce cas, il s'agit d'un gaz sec à la pression ambiante augmentée de la pression de ventilation, et donc ATPD. En passant dans le système d'humidification, il va devenir chaud et humide (si on utilise un réchauffeur humidificateur, 37°C, 100 % d'humidité relative, pression de vapeur d'eau 63 hPa, cf. supra ; environ 32°C et 80 % d'humidité relative avec un filtre échangeur de chaleur et d'humidité, je vous laisse faire les calculs). Pour ceux qui ont fait de la physique des gaz, on peut faire des calculs de correction ATPD/BTPS.

Pour la température, ça n'est pas trop compliqué, mais il faut connaître la température à laquelle le respirateur délivre le gaz. Il est difficile de donner une approximation car il y a plusieurs raisons pour que la température change :

-pour le gaz mural, sa température est sous l'influence de son contenant (tuyaux à l'intérieur du bloc, mais également à l'extérieur) et sa pression est autour de 4 bar ; la détente du gaz à une pression proche de la pression atmosphérique va entraîner son refroidissement ;

-l'air peut être de l'air médical fourni par le circuit de l'hôpital, ou de l'air ambiant (certains respirateurs puisent l'air dans l'air ambiant et ne nécessitent pas d'alimentation en air) ;

-le fonctionnement du respirateur génère de la chaleur…

Par exemple, si on considère que le gaz fourni par le respirateur est à 20°C, en exprimant la température en degré Kelvin, on peut calculer le rapport des températures :

20°C <==> 293,15°K
37°C <==> 310,15°K

310,15/293,15 = 1,058. La variation de pression est donc de 6 %. Et là, c'est des histoires de loi de Charles...
Yves Benisty
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Re: Mécaniques des fluides

Message : # 86425Message non lu Yves Benisty »

Un petit dernier pour la route... J'ai l'impression de refaire une partie des explications que je donne aux étudiants lors de la vérification d'un respirateur...
Si on ventile un patient avec une pression de 20 cmH2O, le circuit de ventilation va augmenter de volume de 1,5 x 20 = 30 mL. Donc le patient ne recevra pas ce volume. En quelque sorte, comme le circuit a augmenté de volume lors de l'insufflation, une partie du volume insufflé « reste » dans le circuit.
Lors de l'expiration, le circuit reprend sa forme et son volume initial. Il se peut qu'une partie de ce volume de compression-détente passe par la cellule de spirométrie qui mesure le volume de gaz expiré, et donc soit considéré comme du gaz expiré, alors que le patient n'en a pas vu la couleur...

Le volume de compression-détente n'est pas un problème tant qu'il reste petit par rapport au volume courant (et ce d'autant plus que les respirateurs actuels en tiennent compte). Mais si on considère un enfant de 10 kg, son volume courant est de l'ordre de 60 mL. Là, le volume de compression-détente est beaucoup plus important en proportion. C'est pour cette raison qu'en pédiatrie, on utilise des circuits de ventilation différents. En général, on utilise un type de circuit pour les patients de plus de 20 kg, un deuxième type de circuits pour les patients de plus de 5 kg et de moins de 20 kg, et un troisième type de circuit pour les patients de moins de 5 kg. Et quand on change de circuit, il faut refaire l'auto-test du respirateur, ou au moins une partie de l'auto-test qui mesure la compliance du circuit.
veviti
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Re: Mécaniques des fluides

Message : # 86426Message non lu veviti »

Merci pour toutes ces informations

Effectivement, je me suis trompée sur les conditions de délivrance du gaz : a priori, notre intervenant devait considéré les gaz à la sortie du respirateur, et non depuis les prises murales, et donc en condition ATPS (c'est là où je me rend compte que la prise de notes est loin d'être exhaustive!!). Ceci dit, sur ce point-là, c'est certain : il nous a parlé de STPD, ATPS et BTPS et pas de ATPD … (probablement pour nous simplifier un peu les choses).
Concernant la suite du raisonnement, je le comprends mais je ne pense pas que l'intervenant parlait de la compliance du circuit… Enfin là encore, on voit la limite de la prise de note : à l'instant t, cela a du me paraître clair et, maintenant beaucoup moins…
Concernant le petit complément : en cours, nous avons fait la conversion entre ATPS et BTPS pour la pression de l'oxygène.
Bref...En tous les cas, merci pour les explications.
Bonne fin de journée,
Cordialement
Yves Benisty
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Re: Mécaniques des fluides

Message : # 86427Message non lu Yves Benisty »

veviti a écrit :Concernant la suite du raisonnement, je le comprends mais je ne pense pas que l'intervenant parlait de la compliance du circuit…
Je mets un mot sur la conversion dans le deuxième message. La conversion sera ATPD/BTPS si on considère le gaz sortant du respirateur. En ne corrigeant que la température, on arrive à une modification estimée du volume de 6 %. C'est pourquoi j'ai évoqué le problème de la compliance du circuit qui, en proportion, est beaucoup plus important.

Pour simplifier les choses, je vous propose un exemple de calcul plus accessible. Considérons l'air atmosphérique, 1013,25 hPa ou 760 mmHg, 20,96 % d'O2. La pression partielle (loi de Dalton) de l'O2 dans l'air inspiré est donc 0,2096 x 1 013,25 = 212 hPa ou 159 mmHg. Une fois parvenu à la carène, il sera réchauffé à 37°C et saturé en eau. Cette vapeur d'eau est à la pression de 62,74 hPa ou 47,055 mmHg. On peut calculer la pression partielle de l'O2 à la carène PcarO2 :

PcarO2 = (1 013,25 - 62,74) x 0,2096 = 199 hPa = 149 mmHg.

Dans l'air alvéolaire, qui contient du CO2, la pression de l'O2 va encore diminuer et se situer autour de 105 mmHg (140 hPa). Étant donné que la quantité d'O2 contenue dans le sang veineux est plus faible, l'O2 va diffuser de l'alvéole vers les capillaires.
veviti
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Re: Mécaniques des fluides

Message : # 86429Message non lu veviti »

Oui c'est bien ce calcul que nous avons effectué.

Merci pour votre aide,
Bonne soirée
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