Hémodynamique & Biophysique vasculaire PDF

Université d’Alger – Faculté de Médecine Hémodynamique & Biophysique vasculaire Dr HIMEUR MA Biophysique Médicale La connaissance de la circulation sanguine chez l’être humain donne de précieux renseignements sur les fonctions essentielles pour l...

Université d’Alger – Faculté de Médecine Hémodynamique & Biophysique vasculaire Dr HIMEUR MA Biophysique Médicale La connaissance de la circulation sanguine chez l’être humain donne de précieux renseignements sur les fonctions essentielles pour la vie de son organisme. Cette connaissance nécessite une compréhension de: La statique et la dynamique des fluides parfaits incompressibles, La dynamique des fluides réels, L’élasticité des vaisseaux sanguins, L’activité électrique du cœur, Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I A- Généralités: Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I  Fluides parfaits incompressibles: I-Statique: En chaque point d’un fluide, deux éléments de volume sont en contact sur une petite surface δ S. Le fluide est dit « parfait » si la force δ F qu’exerce un élément du fluide sur son voisin reste perpendiculaire à leur surface de contact quel que soit leur mouvement relatif, et si l’intensité de cette force ne dépend pas de l’orientation de cette surface. Le rapport P = δ F / δ S est la pression du fluide en ce point. Le fluide est dit « incompressible » si le volume de chaque élément ne dépend pas de la pression. La pression est donc la force par unité d’aire exercée perpendiculairement sur une paroi. Dans le système international, on l’exprime en pascals (Pa): 1 Pa = 1 N/m2 Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I Mais on peut aussi l’exprimer en atmosphères (atm), en millimètres de mercure (mmHg), en centimètres d’eau (cm H2O) ou en bars (bar): 1atm = 101,3 kPa = 760 mmHg = 1033 cm H2O = 1,013 bar Diverses expériences montrent que la pression augmente proportionnellement avec la profondeur ou diminue proportionnellement avec l’altitude. Dans un fluide de masse volumique ρ , à une variation d’altitude , dz, correspond une variation de pression, dP, telle que: dP + ρ g dz = 0 Si ρ et g sont indépendants de z, alors : P + ρ g z = constante. Ainsi, deux points situés au même niveau dans un même fluide en équilibre ont une même pression. Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I Application médicale: la pression artérielle (ou plus exactement la surpression par rapport à la pression atmosphérique) doit être mesurée sur un sujet allongé afin d’éliminer le terme de gravitation. Chez le sujet debout, la gravitation intervient de sorte que pour une valeur moyenne de 100mmHg au niveau du cœur, on trouve une PA de 60 mmHg à la tête et de 200 mmHg aux pieds. II- Dynamique: Au cours de l’écoulement d’un fluide parfait, incompressible en régime permanent, l’énergie mécanique totale (somme des énergies cinétique, potentielle et pressante) se conserve. L’écoulement obéit alors à l’équation de Bernoulli: ½ ρ ν2 + ρ g z + P = constante Par suite de l’incompressibilité du fluide, le débit est constant: D = S ν = S’ ν’ , pour deux sections S et S’ traversées aux vitesses ν et ν’ par le fluide. Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I B- Éléments de biophysique des écoulements sanguins: Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I  La viscosité du sang: La viscosité exprime la plus ou moins grande facilité avec laquelle les différentes couches d’un liquide peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. Elle témoigne des liaisons intermoléculaires qu’il faut rompre pour mobiliser les unes par rapport aux autres les molécules d’un liquide en écoulement. La viscosité η est définie comme le quotient de la contrainte de cisaillement ι (force nécessaire au déplacement d’une couche liquidienne par unité de surface) par le taux de cisaillement α (gradient de vitesse entre deux couches): η = ι / α. Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I Pour les liquides newtoniens comme l’eau ou le plasma, la viscosité est constante. Les solutions de macromolécules ont une viscosité supérieure celle solvant pur car la solubilisation crée des liaisons entre la macromolécule et le solvant. Pour des liquides comme le sang, la relation entre ι et α n’est plus linéaire et dans la majorité des cas, la viscosité diminue lorsque le taux de cisaillement augmente. Le sang est un liquide dont le comportement rhéologique est particulièrement complexe puisqu’il peut être assimilé à une suspension d’éléments cellulaires dans du plasma. Son comportement est fortement non newtonien. Ainsi la viscosité sanguine diminue considérablement quand le gradient de vitesse augmente (phénomène de rhéofluidification). La courbe …… exprime un comportement particulier des hématies qui, lorsque les taux de cisaillement sont faibles, ont tendance à s’agréger et à former des amas appelés rouleaux. Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I Cette agrégation des hématies provoque l’augmentation de la viscosité du sang. Ceci explique que des régimes d’écoulements sanguins lents sont propices à la création de phénomènes de stase (arrêt de débit sanguin). Quand les taux de cisaillement augmentent, ces formations de globules rouges sont dispersés, ils s’orientent dans le sens de l’écoulement et peuvent être déformés. Dans ces conditions la viscosité du sang décroit. La viscosité du sang dépend: de la composition du plasma en particulier des concentrations de certaines macromolécules plasmatiques (albumine, fibrinogène). dépend principalement de l’hématocrite (càd de la concentration du sang en globules rouges). Plus l’hématocrites est élevé, plus le sang est visqueux. De plus, le caractère non newtonien du sang s’accentue avec l’augmentation de l’hématocrite. Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I  L’écoulement du sang: I- La loi de Bernoulli: On appel « charge » l’énergie nécessaire à l’écoulement d’une unité de volume de liquide. Dans l’écoulement d’un fluide parfait (fluide incompressible de viscosité nulle), la charge en tout point est constante, la loi de Bernoulli s’écrit: Charge = énergie potentielle + énergie de pesanteur + énergie cinétique = P + ρ g h + ½ v2 ρ On remarquera que la loi de Pascal en est le cas particulier statique (càd lorsque la vitesse est nulle). Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I  II- l’effet Venturi: Le débit Q en un point A peut s’écrire QA = vA SA , où v est la vitesse de déplacement du fluide et S la section du vaisseau. Une conséquence de la loi de Bernoulli est le phénomène de Venturi: à charge constante, une sténose est associée à une augmentation de la vitesse de l’écoulement et à une diminution de la pression. Nous verrons que ce phénomène peut expliquer qu’un vaisseau se ferme brutalement au voisinage d’une sténose (spasme vasculaire). Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I  L’auscultation des vaisseaux: On a vu que la vitesse augmentait au niveau d’une sténose vasculaire. Cette augmentation peut faire passer l’écoulement du sang d’un régime laminaire à un régime turbulent. Or, un régime turbulent est généralement plus bruyant qu’un régime laminaire. Or peut entendre un « souffle » lorsqu’un stéthoscope est posé sur un vaisseau à l’endroit où le régime d’écoulement est turbulent. Il est ainsi possible de faire le diagnostic de sténose « à l’oreille ». Dr. HIMEUR MA Labo.Biophysique Médicale Alger I  III- Les écoulements de fluides réels: Lors de l’écoulement de fluides réels, il existe, à la différence des fluides parfaits, une dissipation de l’énergie sous forme de chaleur, due aux frottements internes au fluide. La charge n’est plus constante. Lors d’un écoulement entre deux points il existe une perte de charge. Une autre caractéristique des écoulements des fluides réels est l’existence de régimes d’écoulement différents. Selon le diamètre du conduit, les caractéristiques du fluide et la vitesse de l’écoulement, conditions résumées par le nombre de Reynolds (nombre de dimension 1 exprimant le rapport des forces d’inertie aux forces visqueuses: Re = v ρ D / η ), Le régime de l’écoulement dans un conduit peut être laminaire ou turbulant. Si Re est faible (