Dynamic of the oxygen uptake into the pulmonary acinus
Dynamique du transport et du transfert de l'oxygène au sein de l'acinus pulmonaire
Résumé
The pulmonary acinus is the exchange unit between air and blood into the pulmonary airway system. In this thesis, we were interested more specifically for the oxygen. Its uptake from air to blood in the pulmonary acinus involves several successive processes: convection, diffusion in the gas phases, diffusion through the alveolar membrane and across plasma and finally capture by hemoglobin in the red blood cells. By the determination of the pulmonary diffusive capacity called DL, we can have a clinical evaluation of the efficiency and the performance of these mechanisms. This measure is currently used for the diagnostic in order to show probable deterioration of the alveolar membrane or else an exchange surface leakage. Experimentally, DL is calculated from two clinical measures: the alveolar pressure PA and the uptake V ̇. More precisely, in the case of oxygen, we talk about the oxygen partial pressure into the pulmonary alveolus P_(〖A,O〗_2 ) and the amount of oxygen exchanged in one minute V ̇_(O_2 ). A theoretical value of the oxygen diffusive capacity can be deduced from a classic and empiric formulation well-known in medicine. This theory is always the topic of several publications because it does not exactly report the experimental values. We implemented a numerical dynamical model of the oxygen transport and transfer into the pulmonary acinus able to recover the physiological value of P_(〖A,O〗_2 ) and V ̇_(O_2 ) in healthy patients. This model depends on a single physical parameter called the permeability W. It encloses all the complexity of the oxygen transfer to the blood. It is defined as an equivalent conductance induced by the different mechanisms taking place in the transfer to the blood. Thus, by the determination of the unique parameter W, we built an artificial acinus which is able to reproduce the behavior of the real acinus. From this model, we studied the influence of the asymmetric geometry of the pulmonary acinus on the oxygen transport and transfer. This study has shown an heterogeneity of the oxygen transfer. We can explain that with a phenomenon called diffusional screening, responsible for the fact that the oxygen partial pressure along the acinar tree decreases. This phenomenon is governed by the oxygen absorption across the alveolar membrane and the diffusion along the asymmetric structure of the acinar airways. This effect leads to a bad provision in oxygen in the distal regions, the major part being absorbed in the proximal zones. At rest, the influence of the diffusional screening is important. At exercise, the effects of the screening are weak because of the higher convection velocity. Thus, the quasi-totality of the exchange surface is used.
L'acinus pulmonaire constitue l'unité d'échange gazeux entre l'air et le sang dans les voies aériennes pulmonaires. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'oxygène. Plusieurs mécanismes sont mis en jeu depuis son entrée dans l'acinus jusqu'à sa capture par l'hémoglobine : les mécanismes de transport de l'oxygène dans l'air : convection et diffusion, le transfert par diffusion passive de l'oxygène à travers la membrane alvéolo-capillaire et sa capture par l'hémoglobine. Par la détermination de la capacité diffusive pulmonaire DL, il est possible d'évaluer cliniquement le fonctionnement et l'efficacité de ces mécanismes. Cette mesure est couramment employée pour le diagnostic, notamment pour mettre en évidence les détériorations de la membrane alvéolo-capillaire ou encore les pertes de surface d'échange. Expérimentalement, la DL s'exprime à partir des deux mesures cliniques suivantes: la pression alvéolaire PA et la consommation de gaz V. Plus particulièrement, dans le cas qui nous intéresse ici soit celui de l'oxygène, il s'agit de la pression partielle en oxygène contenue dans les alvéoles pulmonaires PA,O2 et de la quantité d'oxygène échangée en une minute VO2. Il est possible de déterminer une valeur théorique de la capacité diffusive pulmonaire grâce à une formulation classique et empirique très utilisée en médecine. Celle-ci est aujourd'hui encore le sujet de nombreuses publications car elle ne reproduit pas exactement les résultats de l'expérience. Nous avons mis en place un modèle numérique dynamique du transport et du transfert de l'oxygène au sein de l'acinus pulmonaire permettant de restituer les valeurs de PA,O2 et VO2 chez les sujets sains. Ce modèle dépend d'un unique paramètre physique ajustable qu'on appelle la perméabilité $W$. Celle-ci traduit toute la complexité du transfert de l'oxygène vers le sang. Elle se définit comme une conductance équivalente imposée par les trois mécanismes acteurs du transfert vers le sang. Par cette approche numérique, nous avons donc construit un acinus artificiel qui, à partir de la seule détermination de la perméabilité $W$ est capable de reproduire le fonctionnement de l'acinus réel. A partir de ce modèle, nous avons pu étudier l'influence de la géométrie asymétrique de l'acinus pulmonaire sur le transport et l'échange. Cette étude a mis en évidence une forte hétérogénéité de la répartition du flux d'oxygène échangé vers le sang dans l'acinus pulmonaire. Ceci peut s'expliquer grâce à un phénomène physique appelé masquage diffusionnel, responsable du fait que la pression partielle en oxygène dans l'acinus diminue. Ce phénomène est gouverné, notamment, par l'absorption à travers la membrane alvéolaire et la diffusion le long de la structure irrégulière de l'acinus. Cet effet entraîne que les parties profondes de l'acinus sont très peu alimentées en oxygène, la majorité ayant été absorbée dans les premières générations. Au repos, l'influence du masquage est élevée et le flux d'oxygène ne dépend que très peu du volume (proportionnel à la surface alvéolaire). A l'effort, l'effet du masquage est moindre, notamment grâce à la vitesse de convection plus élevée. Ainsi, la quasi-totalité de la surface alvéolaire est utilisée.
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