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Plongée : l’azote – Haldane

décembre 26, 2012

L’azote, Nitrogène en vieux français, Nitrogen en anglais encore de nos jours, symbole N chez Mendeleev, est un des gaz de l’air qui embête les plongeurs (voir un billet précédent). Comme nous l’avons découvert dans ce premier L'effet Martini décrivant l'effet de la narcose à l'azote en fonction de la profondeurbillet, l’azote devient toxique à partir d’une pression partielle de 3,12 soit une profondeur de 30 mètres. À partir de 30 mètres, l’ivresse des profondeurs comme l’appelait Jacques Cousteau, se fait sentir de façon plus ou moins marquée en fonction des individus, comme pour l’alcool, c’est pourquoi on parle d’effet Martini (Shaken, not stirred dirait James Bond) : un verre pour chaque tranche de 15 mètres. À partir de 40 mètres plus personne n’est épargné mais les effets peuvent être plus ou moins marqué à nouveau en fonction des individus. Le mécanisme précis n’est pas encore connu mais serait lié à la dissolution de l’azote dans la bi-couche phospho-lipidique des membranes cellulaires des neurones. Le pouvoir narcotique d’un gaz serait donc lié à sa solubilité dans les lipides et, comme par hasard, le CO2 est plus soluble que le N2 et il intervient également dans les phénomènes de narcose.

Les phénomènes liés à la narcose à l’azote sont tellement décrits dans autant de sites et de cours qu’il n’y a aucun intérêt à faire un billet de blog en plus sur ce sujet. La solution à cette augmentation de toxicité de l’azote est son remplacement par un gaz inerte, l’hélium. Pour plus d’information, lisez l’article de Wikipedia en anglais car la version française est largement moins bonne.

Ce qui va principalement nous occuper, ce n’est pas la narcose à l’azote mais son rôle dans la décompression. Rappelons que  les modèles de décompression sont des approximations théoriques, voir mathématiques, que la physiologie et les accidents de plongées valident ou invalident avec le temps. Ainsi le premier a parler des problèmes de décompression liés à l’azote fut Paul Bert en 1870 et que c’est en 1908 que John Haldane présentât des tables basées sur son modèle.

Problème général de l’azote dans la décompression

Les tissus se chargent en azote en fonction de leur nature. Si l’on considère un compartiment unique, les tissus de notre corps se chargent en azote dissous durant la descente et le temps de fond. Après un certain temps, le plongeur remonte. Si la remontée est trop rapide, le compartiment se désaturent trop vite et des bulles d’azote se forment. Ces bulles écrasent les tissus du compartiment et les vaisseaux capillaires. Si les bulles se forment dans le sang, elles se comportent comme des embols qui peuvent obstruer des vaisseaux et empêcher le circulation du sang en aval, mettant en souffrance tous les tissus vascularisés en aval.

Il est essentiel de bien différencier Tissu et Compartiment

  • un tissu au sens histologique, c’est un rassemblement de cellules ayant la même morphologie (identiques) et possédant la même fonction (vulgaris-medical) ;
  • un compartiment au sens plongée, c’est un ensemble de  tissus se saturant et se désaturant de façon similaire, à la même vitesse. On parlera de compartiments lents ou rapides en référence à ces vitesses.

Mais il existe de grandes différences dans les vitesses de saturation et de désaturation des différents tissus. A tel point que la majorité de nos temps de fond ne sont pas assez longs ou profonds pour saturer certains tissus dont la saturation continuent donc en début de remontée.

Haldane : diffusion et perfusion

Pour Haldane, le corps est composé de compartiments théoriques qui se chargent (se saturent) ou se déchargent (se désaturent) en azote suivant le loi de Henry. A cause des phénomènes de diffusion, les saturation et désaturation des tissus ne sont pas instantanées mais dépendent de la loi de Fick. Le modèle de Haldane est un modèle dit à perfusion par opposition à un modèle à diffusion. Ce qui différentie les deux familles, c’est l’estimation du temps que les gaz passent dans les phases de perfusion ou de diffusion. Les gaz dissous dans le sang depuis les alvéoles sont d’abord acheminés vers les tissus : c’est la perfusion. Une fois dans les capillaires, les gaz vont pouvoir gagner les tissus : c’est la diffusion. Haldane considère que les gaz vont passer plus de temps à perfuser qu’à diffuser : il fixe comme instantanées les diffusions entre alvéoles et sang, entre sang et tissus ou à l’intérieur d’un tissu. Hills a construit à la même époque  que Haldane des tables basées sur un modèle à diffusion pour répondre  à la même commande de la Royal Navy qui sélectionnera pour finir le modèle et les tables de Haldane.

Aujourd’hui  on sait que le facteur limitant dépendra de la situation du tissu (distance à parcourir depuis les poumons) et de la nature du tissu (diffusion plus ou moins rapide). Pour répondre au problème de la diffusion plus ou moins rapide, Haldane décompose notre organisme en 5 compartiments. Chaque compartiment se sature et se désature différemment des autres. Cette vitesse propre à chaque compartiment est qualifiée de période, c’est-à-dire le temps nécessaire pour que 50% de l’azote rentre (saturation) ou quitte (désaturation) le compartiment avant d’atteindre l’équilibre. Mais quelles sont ces vitesses ?

Haldane et les chèvres

Haldane’s bent goats

Une des chèvres de Haldane présentant un bend à l’antérieur gauche. Publiée dans The Journal of Hygiene, Vol. 8, No. 3 (Jun., 1908), p 48. Extraite de The Future of Diving: 100 Years of Haldane and Beyond

Une belle histoire d’amour ;o) Pour calculer les périodes, Haldane a utilisé des chèvres qu’il a exposé a des profondeurs (en fait des pressions) et des durées variables . Ensuite, il les décomprime avec des protocoles et des vitesses de remontée différentes.

Dans une expérience, il a simulé une immersion de 42 pieds soit 12,8 m pendant 2 heures et une remontée rapide. Seules quelques chèvres semblait présenter des douleurs. Conclusion : passer de 2,4 à 1 bar est tolérable. D’autres expériences augmente la différence de pression en les faisant passer de 50m à 30m, donc de 6 à 4 bars, pas d’accident. Idem de 70m à 50m, donc de 8 à 6 bars. Ce n’est donc pas la profondeur qui compte mais le rapport entre profondeur de départ et d’arrivée.

Un ratio de 2 entre profondeur de départ et profondeur du palier suivant semble se dégager car les accidents apparaissent lorsqu’Haldane le dépasse. Sur base de toute une série d’expériences avec les chèvres, Haldane pose 7 hypothèses dont la première est que le ratio de 2/1 est applicable à tous les compartiments et la dernière que notre organisme est composé de 5 compartiments. Ces hypothèses seront critiquées et des modèles néo-haldaniens seront proposés.  Aujourd’hui son ratio a été ramené à 1,58/1 et, plutôt que d’utiliser un ratio, les modèles néo-haldaniens se basent sur les M-values de Workman dont nous parlerons dans un autre billet.

Compartiment 1 2 3 4 5
Période 5 10 20 40 75

Haldane et la maladie de décompression

Sur base du modèle de Haldane, on peut expliquer la maladie de décompression comme suit.

  1. En plongée, la pression augmente et un équilibre se fait entre l’azote respiré  et l’azote dissout dans les tissus : c’est la saturation. Comme la saturation augmente sans que des bulles ne se forment, on parle de sursaturation. Chaque augmentation de la profondeur implique un nouvel équilibrage. La sursaturation évolue de façon exponentielle par rapport à la pression. La sursaturation d’un compartiment est atteinte si la profondeur et la durée d’immersion sont suffisantes.
  2. En remontant, c’est l’inverse : l’azote quitte les tissus et est éliminé par les poumons. C’est la désaturation. Elle suit une exponentielle inverse à celle de la saturation. La différence de pression dans le compartiment entre la pression initiale et la pression d’équilibre est le gradient.
  3. Si la vitesse de remontée est trop élevée, la vitesse de décompression est supérieure à la vitesse de désaturation, la vitesse à laquelle l’azote peut quitter le tissu. Des bulles se forment à partir du coefficient  de sursaturation, le ratio de 2 de Haldane.

Haldane aujourd’hui

Depuis les premiers travaux publiés en 1903, nombreux mécanismes physiologiques ont été découvert et, grâce aux techniques d’investigation de plus en plus performantes, de nouvelles découvertes sont faites. D’autres modèles de décompression basés sur la perfusion ont été proposés pour améliorer le modèle de Haldane. Des modèles basés sur la diffusion ont également été proposés.

Les principes forts du modèle de Haldane sont, selon Doolette (2009) :

  • des compartiments multiples évoluant en parallèle ;
  • la supersaturation tolérable sans formation de bulles ;
  • maximaliser le gradient de décompression pour favoriser la désaturation et donc remonter et faire un palier plutôt que de remonter de façon continue à une vitesse à définir.

J’ajouterai la vitesse de remontée à 10 m par minute, proche d’études (dont la thèse de Carturan en 1999) recommandant une vitesse de 9 à 12 m par minutes jusqu’au premier palier. Concernant les compartiments multiples, l’évolution en parallèle (et l’hypothèse d’un modèle dépendant uniquement de la perfusion) sous entend qu’il n’existerait aucun lien entre les différents compartiments. Les résultats des dernières recherches montrent que le modèle ne permet pas une prédiction parfaite des résultats. C’est pourquoi Saul Goldman propose une évolution vers un modèle à compartiments interconnectés : le modèle ICM.

Force est de reconnaître que, à l’heure actuelle et grâce aux améliorations proposées par Workman (M Value), Buhlmann (16 compartiments), Baker (Gradient Factor) et Pyle (Deep Stop), les principes du modèle de Haldane sont ceux qui décrivent le mieux la décompression et permettent de calculer des profils de remontée maximisant la sécurité et minimisant la formation de bulles et donc le risque d’une maladie de décompression. Voilà donc de la matière pour les prochains billets sur l’azote. On commencera par Workman et les M Value.

Sources

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5 commentaires
  1. le vieux scaf' permalink

    Excellent article et présentation réaliste des verres sur le Carnet de plongée de Francis
    Quand j’ai commencé à pratiquer les travaux publics sous marins, j’ai pu constater que, se référant à Haldane,, ce qui était déjà ecrit dans le livre « La plongée de la Marine nationale » aux éditions Elzévir était exact.
    Effectivement en lacs de barrage , à 30 M en eau froide et turbide on ressentait la narcose.
    Par la suite en mer vers 50 M, c’était les premiers signes et allant comme indiqué vers une ivresse de plusieurs verres d’alcool
    Nombre de plongeurs ceux que je nomme les « gros durs » affirment péremptoirement ne pas ressentir cela car disent-ils il sont habitués !
    On ne s’habitue pas, on ressent et on corrige au mieux.
    Il n’y a pas de bons plongeurs, seulement des vieux plongeurs.
    Gérard Loridon scaphandrier à 20 ans en 1953.

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