Etude expérimentale et numérique du comportement dynamique du collapsus dans le cadre de la ventilation liquidienne totale

Abstract

Les grands prématurés (de moins de 32 semaines à la naissance) sont de plus en plus nombreux chaque année. Ils représentaient 7.8 % des naissances au Québec en 2010 [1]. L’un des principaux défis lors de leur venue au monde est de respirer. Le manque de surfactant dans leurs poumons, encore immatures, rend difficile le remplissage de ces derniers avec de l’air, car la tension de surface alvéolaire y est très élevée. C’est dans ce contexte qu’a été introduit le respirateur liquidien Inolivent. Ce respirateur a été développé dans le but de contourner ce problème et de permettre les échanges gazeux nécessaires, grâce à un liquide, le perfluorocarbone. Cependant, un phénomène se déclenche lors du retrait du liquide des poumons, le collapsus, qui se traduit par l’affaissement des voies respiratoires avant le retrait du volume de liquide souhaité. Ceci engendre une accumulation de liquide dans les poumons et par conséquent une surdistension pulmonaire. De plus, le renouvellement de l’oxygène dans le liquide est compromis. Des stratégies de contrôle ont été développées sur des animaux dans le cadre du projet Inolivent afin de non seulement éviter, mais aussi gérer le collapsus lorsque celui-ci apparait. Ces stratégies s’avèrent efficaces la plupart du temps, mais le manque de connaissance sur ce phénomène ne permet pas de les généraliser. Le but de ce projet est de mieux comprendre le phénomène de collapsus ainsi que sa dynamique afin de pouvoir améliorer et étendre les stratégies de résorption à d’autres mammifères (tel que les humains). Dans ce document, un état des connaissances sur les interactions fluide/structure dans des tubes flexibles est présenté. Le phénomène de collapsus sera présenté de manière générale, avant d’être introduit dans le cas spécifique de la ventilation liquidienne. Une étude expérimentale a ensuite été réalisée sur un banc d’essai basé sur le concept du résisteur de Starling. Au travers de ces expériences, le collapsus et sa dynamique ont pu être observés. La déformation du tube et les signaux de pression enregistrés lors d’un collapsus sont présentés et analysés. Le déclenchement des instabilités peut être identifié sur les signaux de pression en amont et en aval de l’écoulement. Une identification de type « boite noire », avec un modèle du second ordre, montre des résultats satisfaisants dans le cadre de petites déformations. Afin d’étendre le modèle aux grandes déformations, une simulation numérique fluide/structure avec un couplage fort est réalisée à l’aide de la suite ANSYS. Une étude stationnaire avec ce modèle apporte plus de précision sur le déclenchement du collapsus, identifié par un passage à un écoulement supercritique. Une étude dynamique permet de tester l’influence de la propagation d’onde de pression sur le déclenchement et la résorption du collapsus. Ce modèle servira à tester de nouvelles stratégies et d’extrapoler les conclusions sur un modèle plus proche de la trachée dans des travaux futurs.