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Respiration, Oxygène, Hypoxie et Hyperventilation

Comment nous respirons

Tout comme le moteur de votre avion, les cellules du corps utilisent l’oxygène comme comburant, et produisent du dioxyde de carbone, un déchet gazeux qu’il faut en partie éliminer.

La respiration décrit tous les mécanismes phisiologiques permettant cet échange gazeux. L’action d’inspirer et expirer de l’air s’appelle la ventilation. Cette ventilation est rendue possible grâce à l’action de muscles (intercostaux, diaphragme) qui modifient le volume de la cage thoracique.

poumons

L’air pénètre dans le corps par la bouche et/ou le nez, descend dans la trachée pour aller remplir les poumons. Au coeur des alvéoles pulmonaires, le transfert de gaz se produit. Les molécules de gaz vont toujours du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré. Ainsi, l’alvéole est gonflée à bloc d’air contenant 21% d’oxygène mais pauvre en CO2. A l’inverse, le sang est pauvre en oxygène mais riche en C02. L’oxygène traverse la parois de l’alvéole pour aller se fixer dans les globules rouges. Le CO2 présent en quantité dans le sang est lui évacué vers l’alvéole puis vers l’extérieur grâce à l’expiration.

corset

Les poumons peuvent contenir au maximum 6 litres d’air (5 litres de capacité vitale et un litre de capacité résiduelle). Au repos, l’être humain effectue 12 à 16 ventilations par minute, chaque inspiration contenant un peu plus d’un demi litre d’air. Seule une inspiration forcée permet de remplir totalement les poumons.

Hypoxie

L’hypoxie (≈ Anoxie qui est une hypoxie grave) est un manque d’oxygène dans le sang. La pression atmosphérique diminue à mesure que l’on monte en altitude, réduisant ainsi la capacité des poumons à absorber l’oxygène contenu dans l’air.

Toutes les cellules du corps ont un besoin impératif en oxygène pour fonctionner normalement. Les effets les plus visibles de l’hypoxie sont ceux qui impactent les neurones. Un manque d’oxygène peut rapidement conduire à une diminution des capacités intellectuelles. Plus l’altitude est élevée, plus les symptômes vont être importants et apparaitre rapidement. Les effets de l’hypoxie varient d’une personne à l’autre, mais sont plus importants chez une personne ayant une hygiène de vie inappropriée (fumeur, sans activité physique,..).

  • A partir de 8’000 pieds, les cellules de la rétine, très gourmandes en oxygène, commencent à souffrir. On constate alors une diminution de la vision nocturne
  • A partir de 10’000 pieds, une petite détérioration des performances cérébrales peut commencer à se faire sentir. Le sujet peur ressentir une certaine euphorie, comparable à une légère alcoolisation
  • A partir de 12’000 pieds, la mémoire immédiate est affectée. Si le contrôleur aérien vous transmets une consigne, vous aurez du mal à l’appliquer car vous aurez tendance à oublier une partie du message qu’il vous a transmis.
  • A partir de 14’000 pieds, des symptômes plus graves apparaissent : nausée, maux de tête, hyperventilation, etc. Votre capacité à piloter l’avion s’en retrouve fortement altérée.
  • A 18’000 pieds, la pression atmosphérique est réduite de moitié par rapport à la pression au niveau de la mer. L’hypoxie peut conduire à une perte de connaissance

Anecdote : c’est une histoire tristement célèbre, mais nous devons en grande partie notre connaissance actuelle de l’hypoxie aux recherches effectuées par les nazis sur des cobayes humains. Les médecins nazis voulaient justement approfondir leurs connaissances du phénomène au profit des pilotes de la Luftwaffe. Au camp de concentration de Dachau, les expériences concernant les effets des basses pressions sur le corps humain auraient occasionné près de 200 victimes.

Temps de conscience utile

A haute altitude, l’hypoxie va conduire à une perte de connaissance. Avant même l’évanouissement, le cerveau va traverser une phase consciente mais avec des capacités intellectuelles réduites. En cas de dépressurisation d’un avion de ligne, on parle d’un temps de conscience utile (TUC = Time of Useful Consciousness). C’est le temps durant lequel l’équipage possède encore les capacités cérébrales permettant de réagir au problème.

  • A 18’000 pieds, le TUC est de 30 minutes
  • A 30’000 pieds, le TUC est de 30 sec à 1 min
  • A 40’000 pieds, le TUC n’excède pas 10 secondes

Une fois ce temps de conscience utile écoulé, les pilotes se sentent fatigués, voire euphoriques, mais ne se souviennent absolument pas de ce qu’ils ont à faire. Cet état peut les conduire jusqu’à la syncope, oubliant que l’utilisation du masque à oxygène aurait suffit à les sauver. Les pilotes disposent donc de masques à pose rapide (« Quick Donning Masks ») qui peuvent être enfilés avec une seule main (l’autre main tient les commandes de l’avion). Les pilotes s’entrainent régulièrement à l’utilisation de ces masques sur simulateur de vol.

EROS

Certains avions, comme les Falcon 7X de Dassault, volent à une altitude tellement élevée qu’une dépressurisation rapide ferait perdre conscience aux pilotes en quelques secondes seulement. C’est pourquoi la pose du masque doit être réflexe, rapide, naturelle, même dans l’obscurité et les turbulences. Une fois leur oxygénation assurée, les pilotes entament une descente d’urgence afin de rejoindre le plus rapidement possible une altitude où l’air est respirable. Les avions les plus modernes, tels que les Falcon 7X équipés de l’avionique EASy II, sont capables d’entreprendre automatiquement la descente d’urgence en cas d’inaction des pilotes après la détection de la dépressurisation : Falcon 7X Automatic Descent Mode (ADM)

Autres effets de l’altitude sur le corps

Le système respiratoire n’est pas le seul à être touché par la baisse de pression en altitude :

  • Le tube digestif : avec les variations d’altitudes, des phénomènes tels que hoquet, ballonnements, etc. peuvent apparaitre. C’est particulièrement vrai après avoir ingérer des boissons gazeuses ou des aliments qui fermentent (choux, haricots, etc.)
  • L’appareil ORL : Les oreilles sont bien évidemment sensibles aux variations de pression (surtout en descente). Il conviendra de modérer les taux de descente (500 ft/min étant une valeur idéale) pour éviter les douleurs. Les sinus sont aussi concernés et voler haut avec le nez bouché peut occasionner des douleurs importantes, voire aboutir à une otite barotraumatique.
  • Les dents : on appelle barodontalgies les douleurs dentaires dues aux variations de pression. Si une bulle d’air se trouve emprisonnée dans une dent (après une chirurgie dentaire ou en cas de traumatisme d’une dent), cela peut occasionner des douleurs violentes, voire même dans un cas extrême casser la dent !
Plongée

Il est fortement déconseillé de voyager en avion dans les 24h suivant une plongée (ou de snorkelling à plus de 10m de profondeur). Le risque est évidemment de subir un accident de décompression.

Hyperventilation

L’hyperventilation est une respiration trop rapide, inefficace. Elle est reconnaissable par le rythme élevé de la ventilation, une sensation d’essoufflement. Les symptômes sont proches de l’hypoxie (diminution des capacités cérébrales, malaise..).

Avec l’hyperventilation, la respiration trop rapide ne permet pas au corps de réguler normalement son taux de dioxyde de carbone dont une quantité minimum est nécessaire. L’hyperventilation fait chuter ce taux de CO2 dans le sang, ce qui a pour effet un rétrécissement du diamètre des artères.

Une solution simple et efficace existe pour traiter l’hyperventilation : respirer dans un sac, afin de ré-augmenter le taux de CO2 présent dans le sang.

panic attack

L’hyperventilation peut être provoquée par une hypoxie (le rythme de la ventilation augmentant pour compenser la baisse de pression atmosphérique). Mais elle peut aussi être due au stress, l’asthme, ou à la prise de médicaments, la consommation excessive d’alcool ou de café.

Emport d’oxygène

Réglementation

Le CAC (Code de l’Aviation Civile) légifère l’emport d’oxygène.

A bord des avions non pressurisés :

  • Pour tout vol à un niveau de vol supérieur à 125 (altitude-pression 3800 mètres), chaque membre de l’équipage de conduite doit disposer d’un système d’inhalation et d’une réserve d’oxygène suffisante pour l’alimenter pendant la durée du vol à ce niveau.
  • Pour tout vol à un niveau de vol supérieur à 145 (altitude-pression 4400 mètres), chaque personne à bord doit disposer d’un système d’inhalation et d’une réserve d’oxygène suffisante pour l’alimenter pendant la durée du vol à ce niveau.

Pour les avions pressurisés, la réglementation est celle du transport aérien commercial.

Équipements existants

Certains avions haut de gamme (Cirrus, Mooney, ..) sont équipés de circuits d’oxygène installés et intégrés à l’avion. Il suffit alors de brancher un masque ou une canule nasale et d’ouvrir le système pour voir l’oxygène dispensé au pilote ou à tous les occupants de l’avion. Ci dessous le panneau de contrôle de l’oxygène sur un Cirrus

O2 Cirrus

Si l’avion n’est pas équipé, il est toujours possible d’utiliser une bouteille portative, particulièrement pratique pour les vols en dessous du niveau FL145. En effet, sous le niveau 145, l’oxygène n’est pas indispensable pour les passagers. Mais dès le FL100 l’O2 est très recommandée pour le pilote, et devient obligatoire au dessus du FL125.

L’oeil et la vue

Mes très chers élèves et lecteurs, pas mal de temps depuis mes dernières publications, ceux qui me connaissent savent pourquoi : je suis touché par un problème de santé concernant mes yeux, et je vais en profiter pour rédiger un article sur l’œil et la vue. Ce sujet fait partie intégrante du programme du PPL.

Anatomie de l’œil

anatomie-oeil

L’oeil fonctionne comme un appareil photo. L’image entre par la pupille dont le diamètre varie grâce à l’iris, qui est à l’œil ce que le diaphragme est à l’appareil photo. En se contractant plus ou moins, l’iris laisse entrer plus ou moins de lumière. L’image traverse alors le cristallin, qui fait office de lentille de mise au point. C’est l’autofocus de notre œil. L’image, alors inversée, se projette au fond de l’œil sur la rétine, véritable capteur CCD qui va capter la lumière et transmettre les détails de l’image au cerveau sous forme d’impulsions électriques grâce au nerf optique.

Pour aller un peu plus loin dans la description anatomique, voici en légende ce que vous pouvez observer sur l’image ci dessus :

  • La conjonctive est une fine membrane transparente naissant sous les paupières et recouvrant le blanc de l’œil. Elle protège l’œil et participe à sa lubrification. Son inflammation est une des pathologies les plus connues en ophtalmologie : c’est la conjonctivite.
  • La sclère, ou sclérotique, est la membrane extérieure de l’œil, communément appelée « blanc de l’œil ». Elle est relativement solide et imperméable.
  • Le corps ciliaire, situé à l’intérieur de l’œil autour du cristallin. Il maintient ce dernier et contient des muscles qui permettent l’accommodation (« l’autofocus »)
  • La choroïde : elle tapisse tout l’intérieur de l’œil. C’est un tissu très vascularisé sur lequel la rétine est « collée ».
  • La rétine : c’est le « capteur » de l’œil. La rétine contient des cellules photosensibles, qui transforment la lumière en signal électrique compréhensible par le cerveau
  • La macula : c’est la partie centrale de la rétine.
  • L’humeur vitrée : c’est le liquide gélatineux contenu dans l’œil.

La rétine

Il est important pour un pilote de bien comprendre la constitution de la rétine.

A la différence d’un capteur d’appareil photo, la résolution et la sensibilité de la rétine ne sont pas uniformes. En effet, la densité de cellules photosensibles n’est pas la même sur toute sa surface.

La rétine est examinée par les médecins par la réalisation d’un fond d’œil :

fond doeil

La rétine possède deux types de cellules photosensibles : les bâtonnets et les cônes. Chacune a des caractéristiques qui lui sont propres.

Les cônes sont peu sensibles à la lumière (donc une forte luminosité leur est nécessaire). Ils sont aussi peu sensibles aux mouvements. En revanche, ils offrent une excellente résolution et une très bonne discrimination des couleurs.

Les caractéristiques des bâtonnets sont exactement inversées par rapport aux cônes : ces cellules sont extrêmement sensibles à la lumière (donc sont plus efficaces en cas de faible luminosité). Elles sont sensibles aux mouvements, mais offrent une résolution médiocre ainsi qu’une mauvaise discrimination des couleurs.

La zone centrale de la rétine se nomme macula. Sur la photo du fond d’oeil ci dessus, elle est reconnaissable au centre sous forme d’une tâche sombre. Dans la macula, la densité des cellules photosensibles est plus importante que dans le reste de la rétine. La macula permet la vision centrale, avec une meilleure résolution que la vision périphérique. La macula elle même possède un centre : la fovéa. Cette fovéa ne possède que des cellules en cônes. Sa résolution optique est donc maximum. C’est la fovéa qui permet de lire, ou de distinguer un objet au loin. En revanche, la fovéa est très peu sensible aux mouvements et à la vision de nuit.

En périphérie de la macula, la rétine ne contient quasiment que des cellules en forme de bâtonnets. La vision périphérique est donc moins précise, mais plus sensible aux basses luminosités et à la détection de mouvement. Une petite expérience facile à faire : dans le noir total, essayez de lire l’heure sur une montre phosphorescente peu lumineuse. Vous verrez plus facilement les aiguilles si vous ne les regardez pas directement mais si vous regardez légèrement à côté, car votre vision périphérique est plus sensible aux basses luminosités.

La vision périphérique concerne 90% de notre champ visuel, la vision centrale concernant seulement 10% du champ visuel. Et pourtant, le nerf optique est sollicité à 50% pour la vision périphérique et 50% pour la vision centrale. Alors que la vision périphérique permet d’avoir une bonne appréhension globale de la situation et de détecter rapidement des mouvements, la vision centrale offre une analyse plus lente mais plus détaillée.

Application au vol

Falcon 20

 

Pour revenir à des comparaisons légèrement primitives, la vision centrale, précise, affutée, est cette vision du chasseur qui permet de repérer et d’identifier une proie au loin. La vision périphérique, inconsciemment sensible au mouvement, permet à la Maman de repérer du coin de l’œil son petit en train de faire une bêtise.

Vision centrale

Plus sérieusement, lorsque vous piloterez, votre vision centrale permettra de rechercher les repères au sol, lire une valeur instrumentale, surveiller votre plan de descente.

La vision centrale ne couvrant que 10% du champ de vision total, il est indispensable de balayer régulièrement l’horizon afin de détecter d’éventuels trafics conflictuels qui, située à bonne distance, et d’apparence immobile, seraient imperceptibles pour la vision périphérique.

Vision périphérique

Votre vision périphérique sera quant à elle plus sensible aux mouvements et aux changements. C’est donc elle qui détectera l’apparition d’une alarme lumineuse. Les ergonomes en tiennent compte dans la conception des cockpits modernes.

La vision périphérique participe à votre sens de l’équilibre. En regardant dehors, elle vous permet de détecter rapidement les changements d’attitude de l’avion. Attention toutefois : en cas de stress, la vision périphérique est dégradée au profit de la vision centrale. C’est pourquoi un stress aigu peut rendre difficile la tenue de votre avion même par beau temps.

Cas du vol sans visibilité

En VSV, la vision périphérique ne vous permet plus de maintenir la trajectoire de votre avion. Vous ne pouvez vous fier qu’à vos instruments, que vous surveillez grâce à la vision centrale. Un circuit visuel cohérent et méthodique est indispensable afin de conserver une bonne perception de la situation. Vous apprendrez que le regard doit toujours revenir vers l’horizon artificiel, et vous devrez jeter de rapides coups d’œil aux autres instruments pour revenir systématiquement vers l’horizon artificiel.

Cas du vol de nuit

Dodo

De nuit, votre vision périphérique sera particulièrement sollicitée. L’éclairage du cockpit doit être réglé de façon adéquat pour ne pas vous distraire. Sur la photo ci dessus, on peut voir des instruments trop éclairés (le GPS ainsi qu’un cadran VOR). Ces mauvais réglages auront tendance à « irriter » votre vision périphérique et attirer votre regard. La vision centrale, moins sensible à la lumière, aura des difficultés à lire l’information des instruments les moins éclairés. Il est alors judicieux de regarder légèrement à côté de l’instrument. Lors de l’atterrissage, à mesure que vous vous approchez de la piste, celle ci va occuper une part de plus en plus grande de votre champ de vision. Sa forte luminosité peut gêner votre vision périphérique et vous éblouir. Il sera alors recommandé de demander au contrôleur d’adapter la luminosité de la piste.

Vision du relief

Notre capacité à voir le monde en relief est rendue possible par la vision binoculaire. Selon leur distance, les objets sont perçus sous un angle différent par vos deux yeux. Le cerveau utilise cette différence d’angle pour « calculer » la distance. Vous pouvez faire l’expérience suivante : demandez à un ami de vous tendre un petit papier, et essayez de l’attraper en maintenant un œil fermé. Vous comprendrez rapidement la difficulté à évaluer une distance avec un seul œil. La vision binoculaire est quasiment indispensable en pilotage. Elle permet notamment d’évaluer la hauteur de l’arrondi à l’atterrissage.

Santé des yeux

Parmi les 5 sens, la vue est celui que nous, Homo Sapiens, utilisons le plus. De toutes nos sources de perception sensorielles, la vue représenterait 70% des informations utilisées. La vue est particulièrement indispensable aux pilotes et, si de larges tolérances permettent aujourd’hui l’accès au pilotage à porteurs d’anomalies visuelles, la surveillance de votre santé oculaire est essentielle.

Avec l’age, l’acuité visuelle baisse irrémédiablement. A partir de 50 ans, la vue peut baisser d’un dixième en une seule année. Il est donc important de faire contrôler annuellement vos yeux par un médecin ophtalmologue afin de détecter le plus tôt possible toute baisse de vision facilement corrigeable ou toute pathologie qui, détectée trop tard, pourrait avoir des conséquences catastrophique pour votre vue voire pour votre santé (DMLA, décollement de rétine, mélanome de l’uvée).

Enfin, à noter que la plupart des amétropies (myopie, astigmatie, presbytie,..) ne sont plus une cause de refus d’admission à la visite médicale, à condition que vous soyez correctement corrigé.

Bien qu’aucune étude en France n’en atteste la véracité, de nombreux ophtalmologues à travers le monde sont convaincus de la dangerosité des rayons ultraviolets pour la rétine. Je suis moi même concerné par une maladie rare (et heureusement soignable) de la rétine qui touche de nombreux pilotes. Le port de verres solaires de très bonne qualité est essentiel. Protégez vos yeux contre les UV ! Certains magasins de sport (Décathlon,..) commercialisent des lunette de soleil aux verres de grande qualité, avec une excellente protection contre les UV, et à un petit prix.

La nuit, illuminer les avions avec un laser est devenu un véritable sport national pour certains jeunes inconscients. Un rayon laser peut produire des dommages irréversibles à votre rétine. Si vous apercevez une forte lumière (souvent verte) de nuit sur votre avion, votre pare-brise, ne cherchez surtout pas du regard la source lumineuse au risque de vous bruler la rétine. Enfin, d’autres activités peuvent irrémédiablement endommager vos yeux. N’oubliez pas qu’ils sont d’autant plus précieux si vous êtes pilote, une blessure arrive plus vite qu’on ne le croit : portez des lunette de protection lorsque vous bricolez, un masque opaque lorsque vous soudez, etc.