MECANIQUE VENTILATOIRE. Physiologie respiratoire IFMK. Septembre 2012 Dr. M. VIPREY

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1 MECANIQUE VENTILATOIRE Physiologie respiratoire IFMK. Septembre 2012 Dr. M. VIPREY

2 DEFINITIONS 4 étapes : Ventilation pulmonaire : mouvements d air entre l atmosphère et l alvéole (Convection) Mécanique ventilatoire Ventilation alvéolaire Diffusion : passage des gaz de l alvéole au capillaire pulmonaire (Diffusion) Circulation sanguine : transport des gaz des capillaires pulmonaires aux capillaires tissulaires (Convection) Diffusion : échanges des gaz entre le capillaire tissulaire et la cellule (Diffusion) cellule poumon Ventilation Respiration MECANIQUE VENTILATOIRE 2

3 Rythme ventilatoire Volumes pulmonaires Méthodes de mesures Volumes PLAN Dynamique ventilatoire Cycle ventilatoire Pressions statiques Pressions dynamiques Propriétés mécaniques Propriétés élastiques : compliance Propriétés résistives : résistance Méthodes d exploration Volumes Courbe débit-volume MECANIQUE VENTILATOIRE 3

4 RYTHME VENTILATOIRE Ventilation calme, normale : Eupnée Mouvements périodiques, réguliers Inspiration : entrée d air dans les poumons Augmentation des diamètres thoraciques Déplacement antérieur de la paroi abdominale Expiration : sortie d air des poumons retour à la position de base (passive) Hyperventilation : Exercice : augmentation de l amplitude et de la fréquence respiratoire MECANIQUE VENTILATOIRE 4

5 RYTHME VENTILATOIRE v Variable Fréquence : Tachypnée Bradypnée Amplitude: Apnée Hypopnée Soupir Rythme : Régulier Irrégulier Respiration périodique t MECANIQUE VENTILATOIRE 5

6 PLAN Rythme ventilatoire Volumes pulmonaires Méthodes de mesures Volumes Dynamique ventilatoire Cycle ventilatoire Pressions statiques Pressions dynamiques Propriétés mécaniques Propriétés élastiques : compliance Propriétés résistives : résistance Méthodes d exploration Volumes Courbe débit-volume Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 6

7 MESURE DES VOLUMES L amplitude des mouvements thoraciques est variable. Les volumes d air mobilisés sont variables. La ventilation pulmonaire ne mobilise pas la totalité des volumes pulmonaires. Volumes mobilisables Spirométrie à cloche Volumes non mobilisables Pléthysmographie corporelle Méthode de dilution à l Hélium Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 7

8 MESURE DES VOLUMES Spirométrie à cloche Les mouvements respiratoires du sujet font varier la quantité d air sous la cloche, ce qui induit un mouvement de celle-ci et un déplacement du stylet sur le papier, par l intermédiaire de la poulie. Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 8

9 VOLUMES PULMONAIRES volume Volume courant : VT (TV : tidal volume) Volume mobilisé au cours d un cycle ventilatoire Ventilation de repos 500 ml chez l adulte 8 à 10 ml / kg chez l enfant (Ventilation mécanique) VT t VT Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 9

10 VOLUMES PULMONAIRES Volume de réserve inspiratoire : VRI Mobilisé au cours d une inspiration forcée 2,5 à 3 l chez l adulte Volume de réserve expiratoire : VRE Mobilisé au cours d une expiration forcée 1 l chez l adulte Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 10

11 VOLUMES PULMONAIRES Volume résiduel : VR Volume d air contenu dans les poumons à la fin d une expiration forcée Non mobilisable Mesure indirecte (He) Adulte : 1 l Volume résiduel (VR) Espace mort (VD) Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 11

12 VOLUMES PULMONAIRES Capacité vitale : CV VRI + VT + VRE Volume mobilisé au cours d une expiration forcée suivant une inspiration forcée Totalité des volumes pulmonaires mobilisables Adulte : 4 à 4,5 l Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 12

13 VOLUMES PULMONAIRES Capacité résiduelle fonctionnelle : CRF VR + VRE Volume d air contenu dans les poumons à la fin d une expiration normale Mobilisable en partie Mesure indirecte Adulte : 2 l Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 13

14 VOLUMES PULMONAIRES Capacité pulmonaire totale : CPT Total des volumes pulmonaires Adulte : 5 l Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 14

15 PLAN Rythme ventilatoire Volumes pulmonaires Méthodes de mesures Volumes Dynamique ventilatoire Cycle ventilatoire Pressions statiques Pressions dynamiques Propriétés mécaniques Propriétés élastiques : compliance Propriétés résistives : résistance Méthodes d exploration Volumes Courbe débit-volume Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 15

16 CYCLE VENTILATOIRE Variations de volumes de la cage thoracique Mouvements d air Fréquence respiratoire cycles / min Cycle ventilatoire : une inspiration suivie d une expiration Inspiration : active Expiration : passive (+/- active) Renouvellement du gaz alvéolaire Enrichissement en O 2 Epuration du CO 2 Un cycle ventilatoire 4 étapes de la respiration Cycle MECANIQUE VENTILATOIRE 16

17 PRESSIONS STATIQUES Loi de Boyle-Mariotte : A température constante et dans un espace clos, la pression P est inversement proportionnelle au volume V : P 0 x V 0 = P 1 x V 1 = P 2 x V 2 P 0 V 0 P 1 V 1 P 2 V 2 Pressions statiques MECANIQUE VENTILATOIRE 17

18 PRESSIONS STATIQUES Pression atmosphérique P atm 760 mmhg = 101,3 kpa Pression de référence : P atm = 0 Pression alvéolaire : P alv Pression intra-pleurale P pl Gradients de pression : Pression trans-murale = pression interne pression externe Pression trans-pulmonaire : P TP = P alv P pl Pression trans-thoracique : P TT = P pl P atm Pression trans-thoraco-pulmonaire : P TTP = P alv P atm Pressions statiques MECANIQUE VENTILATOIRE 18

19 CYCLE VENTILATOIRE Contraction / relaxation musculaire Mobilisation de la cage thoracique Variations de la pression pleurale Mobilisation pulmonaire Variations de la pression alvéolaire Débit aérien Ventilation pulmonaire x FR Volumes pulmonaires Cycle MECANIQUE VENTILATOIRE 19

20 PRESSIONS DYNAMIQUES Un gaz se déplace toujours de la zone de haute pression vers la zone de basse pression Pressions dynamiques MECANIQUE VENTILATOIRE 20

21 Pressions dynamiques A L INSPIRATION : Contraction des muscles inspiratoires Expansion thoracique Pression pleurale P pl Expansion pulmonaire Pression alvéolaire P alv P alv < P atm Entrée d air Pressions dynamiques MECANIQUE VENTILATOIRE 21

22 Pressions dynamiques A L EXPIRATION : Relâchement des muscles inspiratoires Volume thoracique Normalisation de la P pl Volume pulmonaire P alv P alv > P atm Sortie d air Pressions dynamiques MECANIQUE VENTILATOIRE 22

23 PLAN Rythme ventilatoire Volumes pulmonaires Méthodes de mesures Volumes Dynamique ventilatoire Cycle ventilatoire Pressions statiques Pressions dynamiques Propriétés mécaniques Propriétés élastiques : compliance Propriétés résistives : résistance Méthodes d exploration Volumes Courbe débit-volume 1. Compliance 2. Facteurs histologiques 3. Surfactant MECANIQUE VENTILATOIRE 23

24 PROPRIETES MECANIQUES Ventilation = dynamique Action des muscles respiratoires contre : Élasticité thoraco-pulmonaire (2/3) : COMPLIANCE Résistances pulmonaires (1/3) : RESISTANCES Voies aériennes (80 %) Parenchyme (20 %) 1. Compliance MECANIQUE VENTILATOIRE 24

25 1. Compliance Système élastique Au repos : L 0 Après application d une force F : longueur L 1 Δ L = L 1 - L 0 Compliance = Δ L / Δ F L 0 Δ L L 1 Poumon : système élastique 3D Compliance = distensibilité C = Δ V / Δ P C pulm = 200 ml / cm H 2 O Δ F Elastance = rétractibilité E = 1/C = Δ P / Δ V Δ L Δ F 1. Compliance MECANIQUE VENTILATOIRE 25

26 Cage thoracique (CT) Prise de façon isolée, la CT a une tendance naturelle à l expansion Au repos, lorsque aucune force ne lui est imposée, la pression interne (représentée par la pression pleurale) est égale à la P atm, donc P TT = P pl P atm = 0 Le volume de relaxation thoracique est > 0 (60% de la CV) Lorsque l on fait varier la P TT, P interne P externe < 0 : Pression positive exercée sur le versant externe de la CT : diminution du volume et forces dirigées vers l extérieur P interne P externe > 0 : Pression positive exercée sur le versant interne de la CT : augmentation du volume thoracique et forces dirigées vers l intérieur % CV Courbe pression - volume 1. Compliance MECANIQUE VENTILATOIRE 26

27 Cage thoracique (CT) Volume de relaxation 60% CV Inspiration maximale Expiration maximale 1. Compliance MECANIQUE VENTILATOIRE 27

28 Poumon Pris de façon isolée, le poumon a une tendance naturelle à la rétraction Au repos, lorsque aucune force ne lui est imposée, pression alvéolaire = P atm, Donc P TP = P alv P atm = 0 Volume de relaxation pulmonaire 0 (VR) % CV Lorsque l on fait varier la P TP, P interne P externe > 0 : Pression exercée sur le versant interne du poumon : augmentation du volume et forces dirigée vers l intérieur Courbe pression - volume 1. Compliance MECANIQUE VENTILATOIRE 28

29 Ensemble thoraco-pulmonaire Tendance naturelle à l expansion Au repos, lorsque aucune force ne lui est imposée, P alv = P atm, donc P TTP = P alv P atm = 0 Volume de relaxation thoraco-pulmonaire > 0 = CRF 60% CV CRF VR Pression (cm H 2 O) 1. Compliance Courbe pression - volume MECANIQUE VENTILATOIRE 29

30 Ensemble thoraco-pulmonaire A petit volume (< CRF) : les forces pulmonaires et thoraciques sont opposées A la CRF : elles s annulent (volume de relaxation de l ensemble) A plus grand volume (> CRF), elles sont dirigées vers l intérieur Pression (cm H 2 O) 1. Compliance MECANIQUE VENTILATOIRE 30

31 2. Facteurs histologiques de la compliance pulmonaire Tissu pulmonaire Eléments cellulaires Matrice extra-cellulaire Elastine Collagène Interface air-liquide : rôle du SURFACTANT 2. Facteurs histologiques MECANIQUE VENTILATOIRE 31

32 3. Surfactant Sur une interface air-liquide, la tension superficielle T est la force superficielle de contraction qui tend à rapprocher les parois alvéolaires collapsus Loi de Laplace : P : pression de distension (P alv ) r : rayon de la sphère Sans surfactant, T est identique dans toutes les alvéoles Donc, P alv est plus élevée dans les alvéoles de petit calibre (r) Mouvement d air des petites alvéoles vers les grosses Collapsus des petites alvéoles, distension des grosses alvéoles 3. Surfactant MECANIQUE VENTILATOIRE 32

33 3. Surfactant Tapisse la paroi alvéolaire (interface air-liquide) Synthétisé par les pneumocytes II Agent tensio-actif : - tension superficielle alvéolaire (P = 2T / r) - Le surfactant adapte la tension de surface à la taille alvéolaire de sorte que la pression P alv soit identique dans toutes les alvéoles quel que soit leur calibre Stabilisation des alvéoles de calibre différent compliance (C = Δ V / Δ P) car T Assèchement des alvéoles Antibactérien 3. Surfactant MECANIQUE VENTILATOIRE 33

34 PLAN Rythme ventilatoire Volumes pulmonaires Méthodes de mesures Volumes Dynamique ventilatoire Cycle ventilatoire Pressions statiques Pressions dynamiques Propriétés mécaniques Propriétés élastiques : compliance Propriétés résistives : résistance Méthodes d exploration Volumes Courbe débit-volume 1. Mécanique des fluides 2. Variation des résistances MECANIQUE VENTILATOIRE 34

35 PROPRIETES MECANIQUES Ventilation = dynamique Action des muscles respiratoires contre : Élasticité thoraco-pulmonaire (2/3) : COMPLIANCE Résistances pulmonaires (1/3) : RESISTANCE Voies aériennes Parenchyme pulmonaire MECANIQUE VENTILATOIRE 35

36 RESISTANCES PULMONAIRES Résistances pulmonaires totales Résistances du parenchyme pulmonaire : 20% (frottements du tissu pulmonaire) Résistances des voies aériennes : 80% Résistances des VAS : 50% Résistances des VAI : 50% R parenchyme RVAS RVAI gros troncs RVAI petites bronches Trachée + grosses bronches : 40% Petites VAI : 10% MECANIQUE VENTILATOIRE 36

37 Résistances des voies aériennes Résistances des VAS : 50% Extra-thoraciques Prépondérantes à l inspiration (dépression : collapsus) Résistances des VAI : 50% Intra-thoraciques Prépondérantes à l expiration (relâchement des m. respiratoires : compression des VAI : collapsus) P alv P alv Inspiration Expiration

38 MECANIQUE DES FLUIDES Ecoulement d un fluide Gradient de pression P = P alv P atm Débit = V = quantité d air qui circule dans les VA / unité de temps (l/min) Résistance : «difficulté» que l air doit combattre pour circuler dans un conduit entre de 2 points sous l action d une P donnée Régimes Laminaire Turbulent Transitionnel 1. Mécanique des fluides MECANIQUE VENTILATOIRE 38

39 MECANIQUE DES FLUIDES Ecoulement laminaire Arbre bronchique périphérique Loi de Poiseuille : Viscosité : η Rayon : r Longueur du conduit : l V = V = débit P 1 V r P 2 si r / 2 alors R x16 donc VA de petit calibre : hautes résistances l 1. Mécanique des fluides MECANIQUE VENTILATOIRE 39

40 VARIATION DES RVA Variation du calibre des VAS Facteurs mécaniques P alv : négative en inspiration Gravité (position allongée) Muscles pharyngés P alv Facteurs nerveux Réflexes (nauséeux, ) Nerfs moteurs des muscles pharyngés Facteurs anatomiques Rétrécissement du calibre pharyngé (grossesse, obésité) 2. Variations des RVA MECANIQUE VENTILATOIRE 40

41 VARIATION DES RVA Variation du calibre des VAI Facteurs mécaniques Inspiration : P pl négative Traction latérale : Bronchodilatation Bronchomotricité : (muscles lisses) Bronchodilatation : SN sympathique Bronchoconstriction : SN parasympathique: Allergènes (via l histamine) Irritants (poussière, tabac) Facteurs anatomiques Obstruction de la lumière bronchique (bouchon de mucus, corps étranger) 2. Variations des RVA MECANIQUE VENTILATOIRE 41

42 VARIATION DES RVA Pathologie : Asthme Augmentation des résistances des VAI distales secondaire une réduction de calibre Bronchoconstriction (muscle lisse) Inflammation / œdème de la muqueuse bronchique Dyspnée (difficulté respiratoire) Trouble ventilatoire obstructif MECANIQUE VENTILATOIRE 42

43 PLAN Rythme ventilatoire Volumes pulmonaires Méthodes de mesures Volumes Dynamique ventilatoire Cycle ventilatoire Pressions statiques Pressions dynamiques Propriétés mécaniques Propriétés élastiques : compliance Propriétés résistives : résistance Méthodes d exploration Volumes Courbe débit-volume MECANIQUE VENTILATOIRE 43

44 Méthodes d exploration Mesure des volumes : Volumes mobilisables : Spirométrie Volumes non mobilisables : Méthode de dilution à l Hélium Pléthysmographie corporelle Mesure des débits : Courbe débit-volume : pneumotachographe Calcul des résistances : R VA = Δ P / V Pathologie : Trouble ventilatoire obstructif (TVO) Syndrome restrictif Syndrome mixte MECANIQUE VENTILATOIRE 44

45 VOLUMES Spirométrie à cloche Courbe de spirométrie Volume (l) Temps (s) MECANIQUE VENTILATOIRE 45

46 VOLUMES MOBILISABLES VEMS : volume expiré maximal à la 1 ère seconde Courbe spirométrique avec expiration forcée Ventilation normale Inspiration maximale : CPT Puis expiration maximale forcée, rapide et prolongée Exprimé en % de la théorique (en fonction de l âge, du poids, de la taille) CV Rapport de Tiffeneau : VEMS / CV. Normale = 80 % (80% de la CV est expirée pendant la 1ère seconde d une expiration forcée) MECANIQUE VENTILATOIRE 46

47 VOLUMES MOBILISABLES Pathologie : Asthme Obstruction des bronchioles distales Bronchoconstiction VEMS CV VEMS CV Inflammation Hypersécrétion Altération de l expiration Trouble ventilatoire obstructif VEMS CV normale rapport de Tiffeneau 1 sec Normal : Asthme : MECANIQUE VENTILATOIRE 47

48 COURBE DEBIT-VOLUME Mesure des débits d air générés par le patient aux différents stades du cycle ventilatoire (en fonction du volume pulmonaire, en inspiration et en expiration forcées) Spiromètre (volumes) + pneumotachographe (débits) Débit (l/s) expiration Volume (l) volume (l) inspiration Temps (s) MECANIQUE VENTILATOIRE 48

49 COURBE DEBIT-VOLUME Cycle respiratoire normal Puis cycle respiratoire forcé Expiration maximale Inspiration maximale Expiration rapide forcée Débit (l/s) expiration Volume (l) volume (l) CPT CV VRI VT VRE t inspiration VRI VT VRE VR CV VR CPT VR VR MECANIQUE VENTILATOIRE 49

50 COURBE DEBIT-VOLUME Débit expiratoire de pointe : DEP Débit maximal à l expiration : sommet de la courbe Débit proximal : Perméabilité des bronches de gros calibre Peak-flow = débimètre de pointe V = Δ P R MECANIQUE VENTILATOIRE 50

51 COURBE DEBIT-VOLUME Autres débits expiratoires : DEM 75 : débit à 75% de la CV : bronches moyennes DEM 50 et DEM 25 : débits à 50% et 25% de la CV : petites bronches DEMM : débit moyen entre 25 et 75% de la CV DEM 75 DEM 50 DEM 25 MECANIQUE VENTILATOIRE 51

52 CONCLUSION Mouvements respiratoires : Anatomie fonctionnelle Muscles respiratoires Volumes pulmonaires Dynamique ventilatoire : loi de Boyle Mariotte Compliance thoraco-pulmonaire Tension superficielle : Surfactant Résistances des voies aériennes : loi de Poiseuille Courbe débit-volume MECANIQUE VENTILATOIRE 52