|
|
NOTIONS DE PHYSIQUE
ET
PHYSIOPATHOLOGIE
Définition et unités de mesure de la pression :
La pression (P) est une force (F) exercée sur une surface (S) :
P = F/S
où F est exprimé en Newton ,Unités utilisées
|
1 ATA = 1 atmosphère absolu (système de l'hyperbarie médicale) = 760 mmHg (Torr) (système médical) = 1,013 bar (système des ingénieurs) = 10,065 mètres d'eau de mer (systèmes des plongeurs) = 9,87 mètres d'eau douce = 33,646 feet of sea water (fsw) = 101,3 kilo Pa (kPa) = 105 Pa (système international) = 1,033 kg/cm2 = 9,81 N/cm2 |
On note que la pression est d'autant plus forte :
Pression en plongée :
Le plongeur subit une augmentation importante de pression lorsqu'il s'immerge.
L'atmosphère exerce une pression à la surface du globe terrestre. La pression atmosphérique au niveau de la mer est de 760 mm Hg ou 1013 mbar ou 1,013 bar (poids de la colonne d'air s'exerçant sur 1 cm2 de surface). Elle diminue avec l'altitude. (elle diminue de façon très approximative de 0,1 bar tous les 1000 m.)
La pression Hydrostatique ou pression relative : En immersion, le poids de l'eau exerce une pression : c'est la pression hydrostatique.
Au cous de la plongée, la pression hydrostatique à laquelle est soumis le plongeur augmente avec la profondeur :
10,065 mètres d’eau de mer représentent une pression de 1,013 bar
10,033 mètres d’eau douce représentent une pression de 1,013 bar
ainsi en simplifiant on peut dire qu’à la surface de la mer la pression est de 1 bar et que la pression
augmente de 1 bar tous les 10 mètres ; cette pression hydrostatique ne dépend pas du volume d'eau mais ne dépend que de la hauteur d'eau.
Une colonne d'eau de 10 mètres de haut sur 1 cm2 de surface, représente 1 bar.
Pression absolue : la pression totale que le plongeur reçoit en immersion est la somme de la pression atmosphérique au niveau de la surface de la mer et de la pression hydrostatique ou relative exercée par l'eau.
P. Absolue = P. Atmosphérique + P. Relative
Conséquences en plongée :
En plongée, si l'on descend, la pression augmente, si l'on remonte, la pression diminue ; A 20 mètres de profondeur, la pression absolue est donc de 3 bar, à 30 mètres de 4 bar etc..
| profondeur en mètres |
pression relative en bar |
pression absolue en bar |
variation de pression en % |
 |
| 0 | 0 | 1 | ||
| 10 | 1 | 2 | 100 % | |
| 20 | 2 | 3 | 50 % | |
| 30 | 3 | 4 | 33 % | |
| 40 | 4 | 5 | 25 % | |
| 50 | 5 | 6 | 20 % | |
| 60 | 6 | 7 | 17 % |
La pression d'un gaz est la résultante de l'agitation thermodynamique des molécules. La loi des gaz parfaits décrit la relation qui unit la température, la pression et le volume dans lequel est contenu le gaz :
P . V = n . R . T = Constante
Cette relation suppose qu'il n'existe pas d'interaction entre les molécules. En fait, il faut il est nécessaire de tenir compte de la nature du gaz en introduisant un coefficient spécifique à la nature du gaz :
P . V = n . Z(p,t) . R . T = Constante
où Z(p,t) est le coefficient de compressibilité (Z<1) et dépend pour chaque gaz de la pression et de la température.
P . V = n . R . T = Constante
| profondeur en mètres |
pression absolue en bar |
volume en litres |
|
| 0 | 1 | 
| 
|
| 10 | 2 |  |
  |
| 20 | 3 | ||
| 30 | 4 |  |
|
| 40 | 5 | ||
| 50 | 6 | ||
| 60 | 7 | ||
| 70 | 8 |  |
A température constante : LOI DE BOYLE MARIOTTE :
A température constante, le volume (V) d'un gaz est inversement proportionnel à la pression (P) qu'il subit :
P . V = n . R . T = Constante
A température constante, si le volume varie de V1 à V2, la pression va alors varier de P1 à P2 selon la relation suivante :
P1 . V1 = P2 . V2
A pression constante : LOI DE GAY LUSSAC LOI DE CHARLES :
A pression constante, si la température varie de T0 à T1, le volume va alors varier de V0 à V1 selon la relation suivante :
P = (n . R. T0) / V0 = (n .R . T) 1 / V1
V0 / . T0 = V1 / . T1
V1 = V0 . (T1 / T0)
A pression constante, la variation de volume d'un nombre donné de molécules de gaz ne dépend que de la température.
A volume constant, la variation de pression d'un nombre donné de molécules de gaz ne dépend que de la température.
P1 = P0 . (T1 / T0)
Conséquences en plongée :
La pression partielle d'un gaz dans un mélange est la pression qu'aurait ce gaz s'il occupait seul tout
le volume du mélange. Dans un mélange gazeux, la somme des pressions partielles des composants de ce mélange
est égale à la pression du mélange et la pression totale est la somme des pressions partielles de chaque gaz
du mélange.
soit un mélange de gaz avec n(a) molécules du gaz (a), n(b) molécules du gaz (b) et n(c) molécules du gaz (c);
le nombre total de molécules est n = n(a) + n(b) + n(c)
Dans un volume V, la pression P est :
P = n . R . T / V = n(a) . R . T / V + n(b).R.T / V + n(c).R.T / V
ou bien P = P(a) + P(b) + P(c)
où P(a), P(b) et P(c) sont les pressions partielles des gaz (a), (b) et (c)P(a) = n(a).R.T /.V mais nous savons que P = n.R.T / V soit V = n.R.T / P
ainsi, P(a) = n(a) . P / n ou bien encore P(a) = F(a) . P ou F(a) = P(a)/ P
où le rapport F(a) = n(a) / n représente la proportion de molécules du gaz(a) dans le mélange; c'est la fraction du gaz.
La pression partielle d'un gaz dans un mélange est obtenue par la formule suivante :
Pp = (P absolue) . (% du gaz)
Application à la plongée :
Le plongeur respire de l'air comprimé. L'air est composé de plusieurs gaz qui, à partir d'une certaine pression peuvent devenir toxiques. Il faut savoir calculer la pression partielle de chacun de ces gaz.
Conséquences :
Loi :
Tout corps plongé dans un liquide reçoit, de la part de ce liquide, une poussée verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du liquide déplacé. Le poids apparent :
Poids apparent = Poids Réel - Poussée d'Archimède
Application à la plongée :
Conséquences :
avec la loi de Boyle Mariotte : la flottabilité augmente si la profondeur diminue, en effet avec la remontée, la pression diminue d’où une augmentation des volume d'air contenu dans le gilet de stabilisation et une diminution de l'écrasement de la combinaison; ainsi, le volume l'air augmente à la remontée, donc la poussée d'Archimède sera plus forte avec un risque de remonter rapidement.
Lorsqu'un gaz se trouve au contact d'un liquide, les molécules de gaz sous l'effet de leur énergie thermodynamique qui les agite (température, pression), vont pénétrer au travers l'interface gaz-liquide en fonction la nature du gaz et diffuser à l'intérieur du liquide : c'est la phase de dissolution.
La Loi :
A température donnée et à saturation, la quantité de gaz dissoute dans un liquide est proportionnelle à la pression du gaz au dessus du liquide.
Q = α . P
Q : quantité de gaz dissousOn parle de tension d'un gaz lorsqu'on est en phase dissoute dans un liquide, et de pression partielle d'un gaz dans un mélange lorsqu'on est en phase gazeuse.
Les différentes phases de la saturation :
Loi de Fick (diffusion des gaz)
La loi de Fick établit que le débit de transfert d'un gaz à travers une couche de tissu est proportionnel à sa surface ainsi qu'à la différence de pression partielle du gaz entre ces deux faces. La diffusion est également inversement proportionnelle à l'épaisseur du tissu.
De plus, la vitesse de ce phénomène est proportionnelle à une constante de diffusion qui dépend des propriétés du tissu et du gaz donné. Cette constante est proportionnelle à la solubilité du gaz et est inversement proportionnelle à la racine carré du poids moléculaire (PM) (loi de Graham : voir ci dessous).
La capacité de diffusion à travers la membrane dépend donc:
V = D . S . dP /e
D = coefficient de diffusion
S = surface de l’aire de diffusion
dP = gradient de pression
e = épaisseur de la membrane
Celle- ci stipule que « les vitesses de diffusion de deux gaz aux mêmes conditions de température et de pression sont inversement proportionnelles à la racine carrée de leurs masses molaires ou de leurs masses volumiques.
Selon la théorie cinétique moléculaire, l’énergie cinétique (Ek) est proportionnelle à la température absolue.
La physique nous enseigne que l’énergie cinétique d ’un corps possédant une masse (m) et une vitesse (V) se calcule à l’aide de l’équation suivante:
Ek = 1/2 m V2
Sachant que l’énergie cinétique d ’un système de particules dépend de sa température, des particules de masses différentes voyagent donc à des vitesses différentes. La vitesse de la diffusion des molécules varie selon la masse de ces dernières.
Donc, une particule lourde voyage plus lentement et Une particule légère voyage très rapidement
À partir de ce moment, on conclut que la vitesse de diffusion des gaz à la même température et à la même pression donne la formule suivante:
Ek1 = Ek2
1/2 m1 x V12 = 1/2 x m2 V22
m1 x V12 = m2 V22
Comme vous avez pu le constater, les gaz ne diffusent pas à la même vitesse dans l’air ambiant. La masse des molécules représente un facteur important de la vitesse de diffusion. C’est pourquoi certaines odeurs voyagent plus rapidement que d’autres
En plongée de loisir, on respire de l'air à la pression ambiante, l'organisme va se charger en azote sous l'effet de la pression. Pour éviter la sur-saturation rapide (avec bulles), le plongeur doit remonter lentement (10m/mn) et faire des paliers si nécessaire. Sinon il a de grande chance de faire un accident de décompression.
Conséquence : risque d’accidents de décompression à la remontée si celle ci est rapide ou si les paliers ne sont pas respectés.
Les facteurs de dissolution pour un plongeur :
MODELISATION MATHEMATIQUE DE LA PRODUCTION DE BULLES DANS L'ORGANISME
Tissus et compartiments :
Nous avons vu que la dissolution d'un gaz dépend, entre autre, d'une part du coefficient de solubilité du gaz donc de sa nature et aussi du coefficient de solubilité du liquide concerné; la composition des tissus anatomiques étant très hétérogène, il n'est pas possible de calculer le temps de saturation de ces derniers.
Ainsi, l'organisme a été modélisé comme une succession de compartiments qui n'ont aucune correspondance anatomique.
Les tables qui ont été établies à partir d'études de terrain (recensement d'accidents) sont donc basées sur un calcul théorique.
Modèle Haldanien :
Haldane, physicien anglais, a modélisé la décompression ; il a divisé l'organisme comme une succession de compartiments de périodes différentes : la période étant le temps pour atteindre la demi saturation.
Attention, par abus de langage, nous parlons de pression (et non pas de tension) pour les gaz dissous dans les liquides et les tissus de l'organisme.
La cinétique des gaz dissous dans l'organisme repose sur les hypothèses suivantes :
Ainsi, Haldane a exprimé la pression d'un gaz dissous dans un compartiment (tissu) par la formule suivante :
P = P0 + (Pf - P0) (1-0,5t/T)
où P est la pression du gaz dissous
P0 la pression initiale dans le compartiment
Pf la pression finale à saturation dans le compartiment
t le temps d'immersion
T la période du compartiment
Haldane a défini un coefficient de sursaturation critique ( CSC) pour modéliser la décompression; le coefficient de sursaturation critique est le rapport entre la pression du gaz dans le tissu et la pression ambiante; à chaque compartiment a été attribué un coefficient de sursaturation critique au dessus duquel les bulles apparaissent. Ainsi, les tables de plongées qui donnent la profondeur des paliers et leur durée, ont été calculées à partir du modèle haldanien.
Toutefois, il est nécessaire de savoir que la table MN90 a été élaborée à partir de plongeurs de la Marine Nationale. La plupart des plongeurs de loisirs sont loin de ces caractéristiques!
Pour ceux qui voudraient approfondir leur connaissance concernant la table de plongée MN90 : sur son élaboration et son mode d'emploi je vous renvoie : MN90 du comité technique régionale Bretagne et Pays de Loire - FFESSM
FORMATION DES BULLES CIRCULANTES
La formation de bulles dans les tissus pendant la décompression semble être le facteur déclenchant de l'accident de décompression; la formation de bulles dans l'organisme pourrait s'expliquer par le phénomène du gaz nuclei (noyau gazeux) : Entre les cellules existeraient en dehors de toute décompression des micro bulles; lors de la sursaturation, le gradient de pression entre le milieu et le noyau gazeux provoque un flux gazeux vers le noyau gazeux qui augmente de volume; il donne naissance à une bulle qui peut devenir circulante.
LES INCONNUS ET LES NOUVELLES HYPOTHESES
Formation de bulles :
La formation de bulles intra cellulaires n'a jamais été observée et en microscopie électronique, on n'a jamais mis en évidence de noyaux gazeux à la jonction de cellules adjacentes. Il existe d'autres théories concernant la formation de bulles :
Théorie du double gradient
Besnard S. dans un mémoire DIU médecine hyperbare (université de Bordeaux) a évoqué la théorie du double gradient :
A la descente, chaque organe reçoit un certaine quantité d'azote qui est proportionnelle à la densité capillaire et au flux sanguin; les cellules les plus proches des capillaires se saturent le plus vite; il se crée un front de saturation intra tissulaire qui va progresser à l'intérieur des tissus (gradient intra tissulaire). Plus la plongée est saturante plus ce front se déplace à l'intérieur du tissu.
A la remontée, il se crée un second gradient cellule-sang (gradient vasculaire) alors que le double gradient homogénéise le volume d'azote dans le tissu.
Pendant les phases transitoires de saturation-désaturation, la zone critique se situe entre le sang et les premières cellules : les bulles circulantes se formeraient dans le tissu interstitiel proche des vaisseaux sanguins (les bulles se formant à partir de noyaux liquidiens).
On peut définir le rapport ΔG = gradient vasculaire/gradient intra tissulaire
Si ΔG augmente : on accroît la désaturation et la formation de bulles.
Si ΔG diminue on réduit la production bullaire mais on augmente la saturation tissulaire.
Pour un désaturation idéale, il faudrait obtenir un gradient vasculaire modéré pour éviter la production de bulles et permettre une désaturation prudente des tissus.
Les tissus de courte et moyenne période correspondent aux zones tissulaires péri vasculaires et aux zones tissulaires plus éloignées ayant un taux de perfusion important; les tissus de longue période aux zones les plus éloignées de la zone péri vasculaire.
L'homogénéisation de la saturation d'un tissu dépend : du taux de perfusion, de la structure interne du tissu, de la quantité d'azote saturante ( profondeur, temps de plongée), du volume tissulaire.
L'homogénéisation de la désaturation dépend de ΔG : taux de perfusion, temps de paliers et vitesse de remontée.
Plus la vitesse de remontée est rapide, plus les paliers sont proches de la surface et plus le ΔG augmente, on aggrave donc le risque de production bullaire et de bulles circulantes et tissulaires.
La décompression garde de nombreux mystères d'où une multitude de tables de plongées à travers le monde. Les tables tout comme les ordinateurs ne sont pas fiables à 100%. Ils donnent une procédure de remontée avec un risque considéré comme faible. Les calculs des procédures de décompression sont basés encore sur la courbe des accidents de décompression donc de façon empirique.
De nombreux facteurs interviennent dans la production de bulles voir page sur la prévention dans laquelle sont développées les facteurs favorisant la production de bulles.
PHYSIOPATHOLOGIE DES ACCIDENTS DE DECOMPRESSION ET DE LA MALADIE DE DECOMPRESSION
Les bulles se forment du fait d’une élimination inadaptée de l’azote dissous dans les tissus de l’organisme au cours de la plongée. Les bulles deviennent pathogènes quand leur nombre ou leur diamètre est trop important. Elles peuvent se coincer dans un tissu interstitiel et comprimer les tissus avoisinants ou bien se coincer dans un vaisseau et l'obstruer, interrompant la circulation sanguine en aval. Si la zone située en aval est irriguée par d'autres vaisseaux, les conséquences seront minimes. Par contre, si le vaisseau est de type terminal, les lésions peuvent devenir irréversibles.
Les bulles apparaissent essentiellement dans le circuit veineux, puis après passage du cœur droit, sont éliminés par le filtre pulmonaire si elles sont peu nombreuses. Lorsque ces bulles deviennent suffisamment nombreuses, la circulation capillaire pulmonaire se trouve massivement embolisée avec apparition :
Les bulles intra vasculaires vont activés un ensemble de phénomènes biologiques responsable de la maladie de décompression :
Il va se produire alors une altération de la perméabilité vasculaire avec :
Par ailleurs, du fait de l’ensemble de ces phénomènes mécaniques et biologiques les résistances artérielles pulmonaires vont augmentées avec pour conséquence :
Ainsi, le passage paradoxal de bulles dans la circulation artérielle sera responsable des accidents de décompression
cérébraux.
Ces accidents surviennent à la remontée, aussitôt après la plongée ou dans les douze heures qui suivent la plongée
mais le délai d’apparition de certains signes (signes déficitaires sensitivo-moteurs ou sphinctériens) peut être très
long : plus de 20 heures jusqu’à 35 heures !
| SURSATURATION SURSATURATION SURSATURATION SURSATURATION | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Aggravation de la Sursaturation 
| |||||||||
| BULLES BULLES BULLES | ||||||||||
|
|
|
|||||||||
| BULLES Extra vasculaires | BULLES Intra vasculaires | |||||||||
|
|
|
|
||||||||
| COMPRESSION |
|
OBLITERATION |
|
embolisation artérielle si forçage et FOP | Embolisation veineuse | |||||
|
|
|
|
|
|
||||||
| Nerveuse | Lymphatique | Sanguine | POUMON HTP | |||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
| Stase | stase veines péri médullaires |
Altération ventilation perfusion |
||||||||
| DOULEUR | OEDEME |
|
|
|
||||||
|
|
HYPOXIE INFARCTUS |
|
dégazage et bulles intra médullaires | diminution des échanges gazeux |
| Diminution de l'élimination de l' azote | ||||
|
|
|
|
||||||||
| Maladie de décompression | Accident de décompression médullaire | HYPOXIE | ||||||||
AVOGADRO : Dans des volumes égaux de gaz, mesurés aux mêmes conditions de température et de pression, il y a le même nombre de molécules; à la température de 273 K et à la pression de 101.3 kPa, une mole de gaz (quel que soit sa nature) occupe un volume 22,4 litres.
P . V = n . R . T
V = (n . R. T) / P
V = (1 mole x 8.31 kPa . L /mol.K x 273 K) / 101.3 kPa
V = 22.4 L
La masse volumique d’un gaz ou densité gazeuse est le rapport de sa masse atomique par le volume d’une mole (22,4 l.), soit pour l’oxygène à la pression barométrique 32/22,4 = 1,43 g/l ; la masse volumique de l’air est de 1,29 g/l. La masse volumique d’un gaz varie avec la pression : à 40 mètres de profondeur, la pression absolue est 5 bar (1bar de pression atmosphérique à la surface de la mer + 1bar tous les 10 m. de pression hydrostatique) la masse volumique de l’air à cette profondeur est de 1,29 . 5 = 6,45 g/l. L’augmentation de la masse volumique est responsable d’une augmentation du travail respiratoire.
ECOULEMENT DES GAZ DANS LES VOIES AERIENNES
Ce chapitre assez complexe trouvera des explications et des applications dans le chapitre sur les modifications physiologiques. Il a été ici simplifié; les puristes pourront se référer à l'équation de ROHER et à la loi de POISEUILLE.
Le débit d'un gaz V* dans un tube va dépendre :
V* = ΔP / R
Mais l'écoulement peut être laminaire ou turbulent et donc R s'exprimera différemment selon le cas.
Lors de 'écoulement laminaire, les trajectoires des molécules de gaz sont parallèles à l'axe du tube et se produit aux faibles vitesses. La résistance R est proportionnelle à la viscosité cinématique du gaz ή
R = K1 . ή
La différence de pression est proportionnelle au débit :
ΔP = K1 . ή . V*
soit V* = ΔP /K1 . ή
La viscosité d'un gaz ne dépend pas de la pression , ainsi en écoulement laminaire, le débit est indépendant de la pression.
Par contre, le problème est différent en écoulement turbulent : dans ce cas, les molécules de gaz suivent des trajectoires tourbillonnantes; La résistance R est proportionnelle à la masse volumique; la différence de pression est proportionnelle au carré du débit :
ΔP = K2 . V*2
K2 (résistance turbulente) augmente avec la vitesse d'écoulement et avec la masse volumique et donc avec la pression.
Pour pouvoir ventiler, les muscles respiratoires doivent délivrer une pression suffisante égale à la perte de charge, correspondant à la somme des pressions nécessaire pour :
La perte en charge dépend de la densité du mélange respiré et du débit dans les bronches du sujet adulte sain! Au cours d'un effort, le débit augmente et si la densité est trop importante, les muscles respiratoires ne pourront pas faire face à la surcharge de travail!