COVID-19 : Un moteur linéaire comme poumon artificiel dans les tests de masques
10 janvier 2022
Des chercheurs spécialisés dans les biofluides étudient l'effet protecteur des masques : les masques médicaux peuvent contribuer à réduire la propagation du virus COVID-19. De simples mesures complémentaires peuvent accroître considérablement cet effet protecteur.
Cela a été confirmé par des études systématiques et reproductibles menées par l'OTH de Ratisbonne à l'aide d'un simulateur pulmonaire équipé de Moteurs linéaires de LinMot arbeitetCes derniers ont permis aux chercheurs de mettre en place le dispositif de test en quelques jours et de commencer la série de tests.
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En savoir plusVidéo d'une respiration. D'abord sans masque, puis avec un masque (Vidéo : OTH Regensburg)
La lumière révèle la vérité : dans le laboratoire du Professeur Lars Krenkel, un laser à faisceau en éventail permet de visualiser clairement la fumée s'échappant des bords d'un masque chirurgical. Composée de particules de 200 nm à 2 μm, cette fumée est idéale pour modéliser les aérosols expirés par l'être humain. Lors du test, la fumée est particulièrement visible au-dessus des joues et sur les côtés des sillons nasogéniens du mannequin utilisé. Ceci suggère que le personnel médical, comme les ambulanciers ou les anesthésistes, qui passent de longues périodes au-dessus ou à proximité immédiate de la tête d'un patient, est exposé à un risque d'infection, même si ce dernier porte un masque. « Les masques n'offrent pas une protection à 100 %, principalement en raison des erreurs d'utilisation possibles. Néanmoins, il serait erroné de leur nier toute protection », explique le Professeur Krenkel, qui dirige le groupe d'enseignement et de recherche en biomécanique des fluides à la Faculté de génie mécanique de l'OTH de Ratisbonne. « Grâce à de simples mesures d'optimisation, un taux de rétention allant jusqu'à 85 % pour les aérosols et environ 95 % pour les gouttelettes peut être atteint avec les masques médicaux couvrant la bouche et le nez, augmentant ainsi considérablement l'effet protecteur. »
Les aérosols contaminés sont potentiellement dangereux
Les épidémiologistes accordent une attention particulière aux aérosols lorsqu'ils étudient les voies de transmission, car ils peuvent pénétrer profondément dans les poumons et rester en suspension dans l'air pendant de longues périodes par convection. Les aérosols sont définis comme des particules dont la taille varie d'environ 100 nm à 5 μm. Ils peuvent atteindre les bronches et, s'ils sont infectés par des virus, provoquer une pneumonie.
Les particules de 5 à 10 μm, quant à elles, atteignent au maximum la glotte. Les gouttelettes plus grosses, jusqu'à environ 100 μm, se déposent même dans le nez ou la gorge et ne provoquent donc généralement que des symptômes bénins. Soumises aux lois de la balistique, elles ne peuvent rester en suspension dans l'air sur de longues distances (environ 1,5 m seulement). Le danger que représentent les gouttelettes contaminées est donc généralement considéré comme faible ou plus facile à maîtriser. Les particules supérieures à 100 μm ne peuvent être inhalées dans des conditions normales.
Afin de couvrir toutes les voies de transmission pertinentes des particules, l'équipe du professeur Krenkel étudie les mécanismes de propagation des aérosols et des gouttelettes dans les conditions les plus réalistes possibles : « L'objectif de nos recherches, menées en collaboration avec les hôpitaux universitaires de Hambourg-Eppendorf et de Ratisbonne, est d'étudier la fonction protectrice des masques dans une grande variété de conditions limites, ainsi que d'identifier et de quantifier les mesures d'optimisation. »
Les moteurs linéaires aident les chercheurs
Depuis l'ouverture du laboratoire des écoulements biomédicaux et biologiques début 2014, l'équipe dirigée par le professeur Krenkel a déjà acquis une vaste expérience dans la mise en place de dispositifs de test pour l'étude expérimentale et numérique des écoulements dans les systèmes biologiques/médicaux, mais aussi techniques.
Les chercheurs ont ainsi simulé et analysé les processus du système circulatoire et respiratoire humains. Pour étudier les processus respiratoires, ils avaient notamment besoin d'un « poumon passif » permettant de reproduire le comportement pression-volume de l'organe respiratoire humain. La courbe pression-volume n'étant pas linéaire en raison de la compliance du tissu pulmonaire, mais plutôt sigmoïde, et variant entre l'inspiration et l'expiration, des dispositifs simples comme un appareil de Windkessel ou des instruments similaires se sont avérés inadaptés. Ce constat s'appliquait également à la simulation du cœur.
Là aussi, les systèmes simples atteignent rapidement leurs limites. Les pompes excentriques entraînées par moteur pas à pas, par exemple, ne permettent de représenter que des dépendances linéaires et offrent peu de liberté aux chercheurs. « Nous avions donc besoin d'un système contrôlable rapidement et précisément », résume le professeur Krenkel, en précisant les exigences de la solution recherchée.
Système de motopompe universel
Les chercheurs ont finalement utilisé deux Moteurs linéaires LinMot Les moteurs linéaires sont de type PS01-48x240F-C avec indice de protection IP67 et entraînent chacun le piston d'un système de pompe linéaire cylindrique. Un système de vannes permet la régulation de la pression et l'introduction du fluide (air, substitut sanguin) dans chaque cylindre. Les moteurs linéaires sont pilotés par des contrôleurs LinMot et leur fonctionnement est coordonné par un automate programmable industriel couramment utilisé dans le domaine des machines.
Dans leurs travaux, les chercheurs tirent parti de la flexibilité offerte par les moteurs linéaires. Ceci permet au système de simuler de manière réaliste et reproductible le comportement pulsatile continu de la pression et du volume d'un cœur sain et d'un cœur malade dans le dispositif expérimental.
Les chercheurs ont utilisé le même système pour simuler un poumon passif capable de reproduire même les effets de modifications pathologiques. Cela inclut, par exemple, la redistribution de l'air entre les poumons.
Obtenez plus rapidement les résultats de votre premier test
La flexibilité du système s'est récemment révélée inestimable pour les chercheurs lorsque la pandémie aiguë de COVID-19 a nécessité une recherche rapide de réponses à la question cruciale de l'efficacité des masques médicaux pour la protection des soignants. Début mars 2020, lorsque des hôpitaux ont sollicité l'équipe du professeur Krenkel à ce sujet, les chercheurs ont développé en quelques jours seulement un dispositif de test adapté, dans lequel les moteurs linéaires jouent également un rôle essentiel. Dans ce dispositif, ils constituent le cœur d'un système de respiration artificielle, générant un flux d'air variable. Grâce à la programmabilité des paramètres « accélération », « vitesse de déplacement » et « course », les chercheurs ont pu mettre en œuvre divers scénarios respiratoires, tels que la respiration normale, la toux ou la respiration hypoxique, avec un minimum d'effort. Ils ont créé différents profils de mouvement à l'aide de l'outil d'ingénierie et de configuration LinMot Talk. Ces profils peuvent être enregistrés et récupérés directement depuis le programme de contrôle à tout moment, dans n'importe quel ordre et, si nécessaire, même pendant l'exécution du programme via l'interface utilisateur du contrôleur industriel. Lors de la création des profils, les chercheurs ont tiré parti du fait que la relation course-volume pour la combinaison moteur linéaire-pompe linéaire est proportionnelle, de sorte que les courbes fréquemment rencontrées dans la littérature, dans lesquelles le volume est représenté au fil du temps, peuvent être facilement transposées.
Automatisation des tests avec des composants industriels
« De notre point de vue, il est également avantageux de pouvoir associer les moteurs LinMot à des systèmes très polyvalents et sophistiqués, tels que les contrôleurs de Beckhoff ou de B&R, qui proposent une large gamme de modules d'E/S et d'interface », explique le professeur Krenkel. « Cela nous permet d'automatiser entièrement la procédure de test, de synchroniser les systèmes et ainsi de garantir une reproductibilité élevée. » Par exemple, le générateur d'aérosol et la vanne qui contrôle l'accès à la pompe linéaire sont connectés à une sortie 24 V, ce qui assure l'aspiration des particules dans le piston de la pompe au moment précis.
Conclusion
« À la mi-mai 2020, les données montrent que les masques médicaux, selon leur conception, peuvent retenir de 65 à 75 % des aérosols au niveau du premier plan. Au niveau du second plan, l'efficacité de la filtration dépend fortement de l'ajustement du masque et de la morphologie du porteur », résume le professeur Krenkel, en se référant aux résultats d'une série de tests menée sur six semaines. « Des mesures simples, comme fixer ou sceller les côtés des masques avec du ruban adhésif, permettent de retenir 85 % des aérosols et d'empêcher totalement la fuite d'air non filtré sur les côtés. » Le fait que le chercheur ait pu présenter des résultats de tests initiaux reproductibles en quelques jours seulement est également dû à l'utilisation du système de moteur linéaire très flexible de LinMot. Ce système peut être utilisé dans de nombreux domaines de la biomécanique des fluides, réduisant ainsi le temps et les efforts nécessaires à la mise en place de protocoles de test complexes. Le professeur Krenkel prévoit donc d'utiliser de plus en plus ce système de moteur linéaire dans ses futurs projets de recherche.