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1 Mesure de pression et débit Mesure de pression et débit Daniel ISABEY Daniel ISABEY M2_2007_2008 1 Inserm UMR 841 Equipe Biomécanique Cellulaire et Respiratoire Faculté de Médecine de Créteil Inserm UMR 841 Equipe Biomécanique Cellulaire et Respiratoire Faculté de Médecine de Créteil Évaluation des paramètres mécaniques du Mesures de pression, débit et volume Mesures de pression, débit et volume Asservissements du ventilateur (en ventilation artificielle) (en ventilation artificielle) M2_2007_2008 2 Évaluation des paramètres mécaniques du système respiratoire en ventilation artificielle Compliance : ΔV/ ΔP (ml/cmH2O) poumon - cage thoracique Résistance: ΔP/ (cmH2O/Ls −1 ) voies aériennes, tissus Travail respiratoire Compliance : ΔV/ ΔP (ml/cmH2O) poumon - cage thoracique Résistance: ΔP/ (cmH2O/Ls −1 ) voies aériennes, tissus Travail respiratoire V Schéma pneumatique du Galiléo (Hamilton) M2_2007_2008 3

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1

Mesure de pression et débitMesure de pression et débit

Daniel ISABEYDaniel ISABEY

M2_2007_2008 1

Inserm UMR 841

Equipe Biomécanique Cellulaire et Respiratoire

Faculté de Médecine de Créteil

Inserm UMR 841

Equipe Biomécanique Cellulaire et Respiratoire

Faculté de Médecine de Créteil

Évaluation des paramètres mécaniques du

Mesures de pression, débit et volumeMesures de pression, débit et volume

Asservissements du ventilateur

(en ventilation artificielle)(en ventilation artificielle)

M2_2007_2008 2

Évaluation des paramètres mécaniques du système respiratoire en ventilation artificielle

Compliance : ΔV/ ΔP (ml/cmH2O) ⇒ poumon - cage thoraciqueRésistance: ΔP/ (cmH2O/Ls−1) ⇒ voies aériennes, tissus

Travail respiratoire

Compliance : ΔV/ ΔP (ml/cmH2O) ⇒ poumon - cage thoraciqueRésistance: ΔP/ (cmH2O/Ls−1) ⇒ voies aériennes, tissus

Travail respiratoireV

Schéma pneumatique du Galiléo (Hamilton)

M2_2007_2008 3

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BiPAP Vision Respironics

Schéma de fonctionnement

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Calibration et tests des ventilateurs

Respironics

M2_2007_2008 5

Quelques principes généraux…Quelques principes généraux…

M2_2007_2008 6

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3

n

σ

Tension = contrainte normale + contrainte tangentielle

τ+σ=T

dS0→

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

dSdS

FdlimT n

σ

Tension = contrainte normale + contrainte tangentielle

τ+σ=T

dS0→

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

dSdS

FdlimT

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T

τ Fluide au repos :

n . pT −=

M T

τ Fluide au repos :

n . pT −=

M

pressionpression

Pressure = Force / SurfaceSystème International : MKSPressure = Force / Surface

Système International : MKS

kiloPascalkiloPascal ((kPakPa)) mmHgmmHg cmHcmH22OO

Force = masse . accélération = kg . (m . s? 2)= Newton

Surface = m2

Force = masse . accélération = kg . (m . s−2)= Newton

Surface = m2

1 Pascal (Pa) = 1 Newton / m21 Pascal (Pa) = 1 Newton / m2

M2_2007_2008 8

kPakPa 11 7,57,5 10 10 (10,2)(10,2)

mmHgmmHg 0,1330,133 11 1,361,36

cmHcmH22OO 0,1 0,1 (0,0981)(0,0981) 0,730,73 11

1 cmH1 cmH22O = 1 g / cmO = 1 g / cm2 2 1 Torr = 1 1 Torr = 1 mmHgmmHg1 mbar = 0,1 1 mbar = 0,1 kPakPa 1 psi = 70 cmH1 psi = 70 cmH22OO

Pressions dans un fluide en écoulement Pressions dans un fluide en écoulement dans un tubeavec changement de section et conservation du débit

Énergie totale = pression totaleénergie potentielle : ⇒ pression latérale

+ énergie cinétique : ⇒ pression dynamique Pdyn = 0,5. ρ.U2Plat

Ptot

M2_2007_2008 9V1 = V2 D1 >D2 U1 < U2V1 = V2 D1 >D2 U1 < U2V1 = V2 D1 >D2 U1 < U2

VDébit

VDébit 1

2

Pdyn1Pdyn1 Pdyn2Pdyn2Plat1Plat1 Plat2Plat2

PtotPtot PtotPtot

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4

0 4

0,6

0,8

1,0 D = 0,8 cm D = 1,2 cm

D = 1 6 cm

2

2

12

(cmH O)

Pression dynamique (en cmH2O) dans des tubes de différents diamètres

212

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

VρA

M2_2007_2008 10

0,0

0,2

0,4

0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400

D = 1,6 cm

D = 2,0 cm

3(cm / s)V•

Débit

Principe de mesure de la pression latérale

1) Petite cavité 2) Élément sensible

La contrainte normale est mesurée à la paroiLa contrainte normale est mesurée à la paroi

M2_2007_2008 11fluide mort et de l ’écoulementContinuité matérielleContinuité entre les contraintes du

fluide mort et de l ’écoulement

2 mm 2 mm

=0,7 L/s

2 mm 4 mm

V

M2_2007_2008 12

2 mm 2 mm

6 mm 12 mm

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=0,26 L/sV

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Géométrie des prises de pression(recommandations)

Géométrie des prises de pression(recommandations)

1mm

2 mm

=0,7 L/sV

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L ≥ 2 d

Écoulement dans un tube courbeÉcoulement dans un tube courbe

M2_2007_2008 15

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Distributions des pressions latérales au passage d’un coude à angle droit

M2_2007_2008 16V=0,7 L/s

Comment mesurer la pression à l’entrée des voies aériennes ?

Comment mesurer la pression à l’entrée des voies aériennes ?

• Pas de solution simple :

M2_2007_2008 17

– pas d’aiguille, pas de pièce en T– séparer les énergies potentielle et cinétique

• perpendiculairement au tube• éviter de perturber les lignes de courant

Capteurs de Pression

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Types utilisés en ventilation

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Capteur de pression à reluctance variable

• étendue de mesure variable (membranes différentes)

P1 P2

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• haute sensibilité• faiblement dépendant de

la température• réponse en fréquence ±• cher

FMFM

Capteur de pression ValidyneCapteur de pression Validyne

M2_2007_2008 20

Capteur de pression piézorésistifCapteur de pression piézorésistif

• étendue de mesure fixe

• sensibilité ± σσ σ

I IR

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• sensibilité ±• effet température

• réponse en fréquence +

• bon marché

σ σ

σ

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mediastin

Ballonnet0.5 ml vide +8ml 7.5ml

Artéfact cardiaque

Pression pleurale = Pression pleurale = œsophagienne

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Coeur

-1 cmH2O debout-3 cmH2O couché (dos)

Valeurs absoluesdebout

variationsdebout et couché

volume

inspiration expiration0.5 l

Signaux de pression œsophagienne mesurés sur un patientSignaux de pression œsophagienne mesurés sur un patient

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Pressionœsophagienne

10 cmH2O10 sec.

Principe de l’étalonnage statique des capteurs de pression

pM−pC = ρm g h

Liquides : eau, mercure, alcool... p En réanimation

Au laboratoire

M2_2007_2008 24

h(cmH2O)

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Capteurs de débit = pneumotachographesrésistance + capteur de pression

Capteurs de débit = pneumotachographesrésistance + capteur de pression

• Les capteurs de débit utilisés pour mesurer les débits respiratoires sont souvent basés sur des mesures de pression.É l t d é i t h t d i (ΔP)

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• Écoulement dans une résistance: chute de pression (ΔP)• relation pression - débit linéaire

– pneumotachographe de Fleisch – pneumotachographe à grille

• relation pression - débit non-linéaire– pneumotachographe orificiel

Capteur Validyne

Flexible

Capteur Validyne

Flexible

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Pneumotachographe FleischPneumotachographe Fleisch

Pneumotachographe de Fleisch

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10

de FleischDébitmètre laminaire:Pneumotachographe de Fleisch

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Réponse en FréquenceRéponse en Fréquence

Rapport d’amplitudeMesurée / Vraie

Rapport d’amplitudeMesurée / Vraie

M2_2007_2008 29

Avance de phaseSignal mesuré / Signal vrai

Avance de phaseSignal mesuré / Signal vrai

Débitmètre Laminaire : Pneumotachorgaphe à grille (JAEGER)

Débitmètre Laminaire : Pneumotachorgaphe à grille (JAEGER)

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Débitmètre de VenturiDébitmètre de Venturi

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Débitmètre à perte de charge

Galiléo (Hamilton)

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Débitmètre Bird

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Capteurs de débit = pneumotachographes sans capteurs de pression

Capteurs de débit = pneumotachographes sans capteurs de pression

• Fil chaud– fil de platine - échange de chaleur

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• à ultrason

– mesure d’un temps de parcours

autres •

Vélocimétrie à fil chaudFil sensible

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Débitmètre à fil chaud

Horus (TAEMA)

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Débitmètre à ultrasons(Méthode des temps de transit)

Débitmètre à ultrasons(Méthode des temps de transit)

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Débitmètre à déviation de jetDébitmètre à déviation de jet

M2_2007_2008 38

Débitmètre à déviation de jetmasque

M2_2007_2008 39

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Calibration du débitmètreCalibration du débitmètre

volume1 litrez mV

volume1 litrez mV

débitdébit INTÉ

z = y = x . 1 x = z

1 litre

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tempstemps

volume

temps

1 litrey mV

volume

temps

1 litrey mV

débit

temps

1 litre/sx mV

1 seconde

débit

temps

1 litre/sx mV

1 seconde

tempstempsÉGRATION

Masse volumique relative à l’air

Viscosité dynamique relative à l’air

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Critères de choix d’un débitmètre :

1. Proximité par rapport au malade

2. Sensibilité aux bas débits

M2_2007_2008 42

3. Influence des propriétés physiques du gaz

4. Réponse en fréquence

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Mesures volume et débit

• Pas de mesure directe devolumes en réanimation

• Les volumes sont calculés par I EDÉBIT

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Les volumes sont calculés parintégration du signal de débit(ordinateur)

• Nombreux capteurs de débit

VOLUME

Problèmes posés par la mesure des volumesProblèmes posés par la mesure des volumes

• correction BTPS (Body Temperature and Pressure Saturated)

volume si température

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–volume si température –volume si contenu en vapeur d’eau –ex : 37°C, 100% 20°C, 50%

facteur correctif : -10%• compression dans le circuit du ventilateur

Ventilator circuit compression

VENT

VENT

gas compliance : 1 ml/cmH20 P.Vγ = k ΔV/ΔP = V/(1.4 P) volume ∼ 1 500 ml (1.6 m x 2, ID 22mm)

2 ml / cmH20

M2_2007_2008 45

patientTILATOR

TILATOR

tubing compliance1 ml/cmH20

2 ml / cmH20

ex : 50 cmH20100 ml

independent of Vt