PRESENTATION DES RESULTATS DE MODELISATIONS NUMERIQUES D’EMISSION ET DE TRANSPORT D’AEROSOLS LORS DE LA RESPIRATION AVEC OU SANS MASQUE

PRESENTATION DES RESULTATS DE MODELISATIONS NUMERIQUES D’EMISSION ET DE TRANSPORT D’AEROSOLS LORS DE LA RESPIRATION AVEC OU SANS MASQUE

GILLES BOUCHET

CHERCHEUR CNRS, LABORATOIRE IUSTI – CNRS / AIX-MARSEILLE UNIVERSITE

Depuis plusieurs années, nous travaillons au développement d’un Nez Virtuel avec le service ORL et Chirurgie Cervico-Faciale de l’hôpital de la Conception AP-HM. L’objectif de ce projet est de développer un modèle numérique multi-physique de nez ayant pour vocation d’aider le médecin ORL lors de son diagnostic, puis lors de son dialogue avec le patient, d’aider le chirurgien ORL lors de la préparation de son geste chirurgical en proposant les solutions les plus optimales, d’aider à l’élaboration ou à l’amélioration de l’administration topique de médicaments. Depuis l’arrivée de la pandémie liée au Coronavirus (et pour préparer celles à venir), nous nous efforçons également de mieux comprendre la diffusion des agents pathogènes aéroportés au sein des fosses nasales, de mieux comprendre la pénétration des agents pathogènes à travers le tapis muco-ciliaire et la muqueuse nasale, mais aussi leur aéroportée à destinée pulmonaire, et de mieux comprendre les effets bénéfiques ou non des lavages de nez et des spray locaux.

L’objectif du travail mené en collaboration avec BioSerenity, le laboratoire IUSTI à Marseille, le Laboratoire Parole et Langage à Aix-en-Provence et l’AP-HM, est d’étudier la transmission d’un virus par voie respiratoire et la protection que peut procurer le port d’un masque lors de la respiration, lors de la parole (voix calme à forte) ou lors du chant.

Notre travail consiste à modéliser de façon numérique la respiration par le nez ou par la bouche chez l’homme. Il s’agit de résoudre numériquement les équations de la mécanique des fluides (équations de Navier-Stokes, équations de la chaleur…), les mêmes que celle utilisées pour étudier l’écoulement autour d’un avion ou dans un circuit de refroidissement. Dans notre cas, l’écoulement est généré au fond de la cavité buccale ou au fond des fosses nasales, la géométrie utilisée étant issue, soit de scanners réalisés sur des individus (lors d’examens médicaux), soit de têtes factices issues de la norme AFNOR ISO 16900-5 (et qui balayent toutes les formes de tête que l’on peut rencontrer sur Terre).

On sait que le virus est transmis par les petites gouttelettes que l’on émet lors de la respiration ou lors de la parole. La transmission est modélisée par la résolution des équations qui régissent le transport de particules par un écoulement. Ce phénomène (qui fait encore l’objet de nombreuses recherches tant les applications sont nombreuses) est assez complexe car la trajectoire d’une particule dépend de sa taille (qui peut varier au cours du temps), de sa densité, de sa forme, de l’écoulement porteur, mais aussi des interactions avec les particules qui se trouvent dans son voisinage, de la présence de parois solides….

Nous avons modélisé l’émission et le transport de particules dont la taille varie entre 0,1 et 100 micromètres (ce qui permet de balayer toutes les particules émises, que ce soit dans les poumons, au niveau des cordes vocales ou par les parois buccales (les fameux postillons)). Les résultats ont montré que, si les particules de grand diamètre (au-dessus de 20 micromètres) tombaient rapidement au sol (trajectoires balistiques) sur une distance de 20 à 30 centimètres, il n’en était pas de même pour les plus petites particules (que l’on qualifie souvent d’aérosol). En effet, les simulations ont montré que les particules faiblement inertielles de diamètre inférieur à 5 micromètres pouvaient se propager sur des distances de l’ordre de 1,5 à 2 mètres en l’absence de tout écoulement extérieur. Or, ces particules ont une charge virale qui peut être suffisante à la transmission du virus. La distance, initialement  préconisée, de 1 mètre n’était donc hélas pas suffisante. Pire, en présence d’un courant d’air (qui peut être provoqué en intérieur par les effets thermiques, une faible ventilation, le mouvement ou la respiration de multiples individus), la vitesse de sédimentation de ces petites particules est si faible (de l’ordre de 1 mm par seconde) qu’elles peuvent rester en suspension pendant plusieurs heures et être transportées sur plusieurs mètres. D’où l’intérêt de bien ventiler les pièces…

Mais la protection qui semble la plus efficace consiste bien sûr à porter un masque. Ceux-ci, qu’ils soient chirurgicaux ou FFP2, arrêtent sans problème les ‘grosses’ particules dont le diamètre est supérieur à 5 ou 10 micromètres, et les FFP2 permettent en plus d’arrêter les toutes petites jusqu’à des diamètres sub-micrométriques. A condition qu’ils soient changés régulièrement (lorsqu’ils sont humidifiés par l’air expiré, leur efficacité se dégrade) et qu’ils soient bien mis en place. En effet, s’ils sont mal positionnés, il y a un jour plus ou moins grand entre le visage et le masque, jour par lequel de l’air passe sans être filtré.

Le second objectif que l’on s’est fixé a donc été de modéliser la respiration en présence d’un masque, d’une part pour estimer les débits de fuites, et, d’autre part, pour voir si des gouttelettes pouvaient s’échapper par ces débits de fuites.

Une étude a été menée par BioSerenity pour évaluer la perte de charge engendrée par la traversée du masque (le tissu est un matériau poreux qui permet le passage de l’air à travers les petits interstices entre les fibres ; à l’instar d’une foule essayant de s’engouffrer dans un couloir étroit, un faible nombre de molécules d’air arrive à passer en même temps à travers les interstices, ce qui engendre une chute de pression ; pour modéliser la présence du masque, il suffit donc d’imposer localement une perte de charge sur les parois du masque). BioSerenity a fourni la valeur de cette perte de charge pour différents débits d’air et différents tissus utilisés pour la confection de leurs masques (chirurgicaux ou FFP2).

Il a fallu ensuite déterminer la forme du masque, ce qui n’est pas une mince affaire. En effet, le masque est constitué de couches de tissus plus ou moins souples, déformées par la tension sur les élastiques (que l’on met derrière les oreilles), la déformation d’une petite pièce métallique au-dessus du nez et, bien sûr, par la forme du visage. Ce travail a été réalisé par BioSerenity à l’aide d’un logiciel utilisé habituellement en confection (il calcule les contraintes mécaniques à l’intérieur du masque et déforme celui-ci en conséquence).

La forme finale du masque va dépendre de la forme du visage, de la tension sur les élastiques, de la déformation de la petite languette métallique et de la façon dont la personne positionne le masque (plutôt sur le nez, plutôt sur le menton…). Pour balayer tout le champ des possibles, il a été décidé de sélectionner les 5 têtes issues de la norme AFNOR (qui garantit de balayer toutes les morphologies possibles), et pour chaque tête, de déformer de trois façons différentes la languette métallique (lâche, moyenne, serrée), ceci pour un masque chirurgical et pour un masque FFP2.

Les résultats ont montré que sur un cycle respiratoire, le taux de fuite d’un masque FFP2 était de l’ordre de 6% (sur un volume d’air expiré de 600 ml, 6% (soit 36 ml) passent sur les bord du masque, sans être filtrés), alors qu’il est de l’ordre de 28% (soit 168 ml) pour un masque chirurgical. Le bon côté des choses est qu’un masque FFP2 filtre 94% de l’air expiré quand un masque chirurgical en filtre 72%. La même étude montre qu’un masque FFP2 filtre 98% de l’air inspiré quand un masque chirurgical en filtre 90%.

Mais que contient l’air expiré par ces fuites ? En raison de l’écoulement lors de l’expiration, et de l’inertie plus ou moins grande des particules émises (inertie qui dépend de leur diamètre), une très grande partie des particules émises est arrêtée par le masque. On peut même affirmer que, dans le cas d’un masque FFP2, toutes les particules de diamètre supérieur à 20 micromètres sont arrêtées. En revanche, une petite partie des particules dont le diamètre est inférieur à 20 micromètres arrive à sortir par les débits de fuites et se retrouve mise en suspension dans l’air ambiant. Comme le diamètre de ces particules est très petit, leur vitesse de chute (de sédimentation) est très faible (de l’ordre du millimètre par seconde) et le moindre écoulement permet de les garder en l’air indéfiniment.

Nous avons testé l’efficacité du port du masque lors d’un examen ORL par endoscopie. Nous avons modélisé la situation très critique d’un médecin sans masque auscultant un patient sans masque, la situation critique d’un médecin équipé d’un masque chirurgical, puis d’un masque FFP2, auscultant un patient sans masque, et enfin, la situation sécurisante d’un médecin équipé du masque CIDALTEX® FFP Médical auscultant un patient équipé du masque CIDALTEX® FFP-Endo. Cette dernière configuration assure une protection optimale.

 

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Dr GILLES BOUCHET, Chercheur CNRS, Laboratoire IUSTI – CNRS / Aix-Marseille Université

 

Gilles Bouchet est chercheur CNRS au laboratoire IUSTI à Marseille, et professeur à l’école des Ponts Paris-Tech. Il a un doctorat en Physique Théorique des Liquides de l’Université Paris VI. Ses domaines de compétence sont la modélisation théorique et numérique des écoulements, les instabilités et la transition à la turbulence, le transport de particules en écoulement turbulent, et l’aérodynamique.

Il collabore depuis une dizaine d’années avec le service ORL et Chirurgie Cervico-Faciale de l’hôpital de la Conception à Marseille (AP-HM). L’objectif de cette collaboration est le développement d’un nez virtuel (numérique) multi-physique ayant pour vocation de mieux comprendre les écoulements dans les voies respiratoires supérieures (notamment en présence de certaines pathologies), d’aider le médecin ORL lors de son diagnostic, d’aider le chirurgien ORL lors de la préparation de son geste chirurgical en lui permettant de pratiquer en amont une intervention virtuelle et d’évaluer ses effets, d’aider à l’élaboration ou à l’amélioration de l’administration topique de médicaments (par spray nasal notamment), et de mieux comprendre la diffusion des agents pathogènes aéroportés au sein des fosses nasales.

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