La mécanique ventilatoire. 1-Définition 2-Les muscles respiratoires 3-Le cycle respiratoire (relation P/V) 4-Les Résistances statiques dynamiques

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1 La mécanique ventilatoire 1-Définition 2-Les muscles respiratoires 3-Le cycle respiratoire (relation P/V) 4-Les Résistances statiques dynamiques

2 Mécanique ventilatoire 1- Définition Étude des forces qui mobilisent le poumon et la paroi thoracique et des résistances qui s y opposent forces contraction musculaire résistances statiques (structure poumon-thorax...) dynamiques (RVA, frottements tissus)

3 2- Les muscles respiratoires les muscles inspiratoires le diaphragme: formé d'un centre tendineux, et d'une partie musculeuse qui comporte 2 muscles (costal et crural) innervé par les n. phréniques droit et gauche (3,4 et 5ème racines cervicales) sa contraction provoque un élargissement des 3 diamètres, (cranio-caudal, antério-postérieur et tansverse) du thorax, par un mouvement de piston M. inspiratoire principale

4 La contraction du diaphragme provoque des variations de pression intrathoracique et abdominale P P CRF, repos Inspiration

5 Les muscles respiratoires les muscles inspiratoires Les muscles intercostaux externes, orientés en bas et en avant, projettent les côtes en haut et en avant parasternaux Stabilisent, rigidifient la cage thoracique augmentent le diamètre latéral

6 Les muscles respiratoires les muscles inspiratoires m. scalènes, qui élèvent les 2 premières côtes m. sterno-cleido-mastoïdien, attire le sternum en haut et en avant (muscle accessoire)

7 Les muscles respiratoires les muscles expiratoires L'expiration est un phénomène passif en respiration calme, grâce aux propriétés élastiques du thorax Pour des débits élevés vont intervenir: les m. abdominaux (grand droit, transverse, obliques) les m. intercostaux internes orientés en bas et en arrière, projettent les côtes en bas et en dedans

8 Exploration des muscles respiratoires Examen clinique (dyspnée, orthopnée ) Radiographie, radioscopie Electromyographie : recherche une atteinte neuro-musculaire

9 Exploration des muscles respiratoires examens de dépistage (coopération du sujet) spirographie : CV, non spécifique, détérioration tardive Pressions inspiratoire et expiratoire maximales (PImax, PEmax), sniff test PImax cmh 2 O 1 sec

10 Exploration des muscles respiratoires Pressions inspiratoire et expiratoire maximales (PImax, PEmax) : Le sujet fait une inspiration ou une expiration maximale contre une valve fermée (PImax ou PEmax) La variation de pression à la bouche, en amont de la valve, est mesurée La pression à la bouche reflète la pression alvéolaire (P A ) car il s agit d un système fermé

11 La contraction musculaire provoque des variations de pression intrathoracique, fonction de la force musculaire développée Pbuc = PA P A CRF Inspiration : mesure de la PImax

12 Exploration des muscles respiratoires stimulation magnétique Permet de s affranchir de la coopération un champ magnétique dépolarise les racines nerveuses non invasif : mesure des pressions à la bouche plus invasif : mesure des pressions transdiaphragmatiques (ballonnets oesophagien et gastrique)

13 3- Le cycle respiratoire évolution des pressions et des volumes

14 L appareil thoraco-pulmonaire Voies aériennes Pression pleurale Pression alvéolaire Poumon Cage thoracique diaphragme Cage thoracique : système fermé Poumon : système ouvert

15 Cage thoracique : système fermé Loi des gaz : PV = nrt Loi de Boyle-Mariotte : PV = constante à température constante V P V P T : température, P : pression, V : volume

16 Poumon : système ouvert P atmosphérique ou barométrique = 760mmHg = référence (prise comme 0) = Patm ou P B Inspiration: La pression alvéolaire P A diminue P A <Patm L air entre de l extérieur vers les alvéoles Patm P A L air se déplace d une zone de haute pression vers une zone de basse pression

17 Poumon : système ouvert P atmosphérique Expiration: La pression alvéolaire P A augmente P A >Patm L air sort des alvéole vers l extérieur P A

18 Le cycle respiratoire Inspiration Contraction muscles inspiratoires Expansion cage thoracique Pression pleurale (Ppl) Expansion poumon Pression alvéolaire (P A ) Débit aérien atmosphère alvéole

19 Le cycle respiratoire Expiration Relaxation muscles inspiratoires Diminution du volume de la cage thoracique Pression pleurale (Ppl) Diminution du volume pulmonaire Pression alvéolaire (P A ) Débit aérien alvéole atmosphère

20 Le cycle respiratoire Le cycle respiratoire Pression pleurale (cm H2O) D après J.B. West, Physiologie Respiratoire, Ed Pradel

21 4- Les Résistances

22 Résistances dynamiques R. des voies aériennes (80%) Frottements des tissus (20%) Force appliquée Résistances élastiques statiques Inspiration

23 4-1 Statiques 4- Les résistances a Notion de compliance : thoracique, pulmonaire, thoraco-pulmonaire b Compliance pulmonaire : fibres élastiques interface gaz / liquide 4-2 Dynamiques (a frottement des tissus) b écoulement de l air dans les voies aériennes: les facteurs modifiant les RVA

24 4-1-a Les résistances statiques : La compliance e = L / F ressort C = V / P système tridimensionnel

25 Cage thoracique et poumon Cage thoracique et poumon = structures élastiques (peuvent être assimilées à des sphères): Tout étirement ou compression engendre une force qui tend à ramener la structure à l état initial Le volume de la structure dépend de la différence de pression de part et d autre de la paroi : ΔP = pression transmurale P TM

26 Cage thoracique et poumon ΔP = pression transmurale P TM P TM = Pint - Pext Volume (V) Pext Pint

27 Cage thoracique et poumon P TM = Pint - Pext Volume (V) Limite élasticité Pente= compliance Volume de relaxation Pext Pint 0 P TM

28 Compliance thoracique Volume thoraco-pulmonaire Pression transthoracique Ppl - Patm Inspir. forcée V. relax Capacité vitale Expir. Calme (CRF) ΔV C ΔP Expir. forcée CRF Compliance : diminue si déformation thoracique (cyphose, scoliose), si obésité, si maladie neuro-musculaire Pression transthoracique

29 Compliance pulmonaire Pression transpulmonaire Pa- Ppl Volume pulmonaire Inspir. forcée Expir. Calme (CRF) P V ΔV C ΔP Capacité vitale Expir. forcée V. relax cm H 2 O Pression transpulmonaire

30 Mesure des compliances Compliance pulmonaire Pression trans-pulmonaire: P A -Ppl Volume de relaxation < VR Limite d élasticité : à la CPT Compliance : mesurée à la CRF; varie dans plusieurs pathologies

31 Compliance thoraco-pulmonaire Volume pulmonaire Inspir. forcée Vol. relaxation thoraco-pulm Volume de réserve expiratoire Volume résiduel Capacité résiduelle fonctionnelle Pression de relaxation

32 Compliance pulmonaire Volume pulmonaire emphysème normal fibrose Pression cmh 2 O Sujet sain : 2.5 cmh 2 O pour mobiliser un VT=500ml emphysème : 1.7 cmh 2 O pour mobiliser un VT=500ml fibrose : 30 cmh 2 O pour mobiliser un VT=500ml

33 Le cycle respiratoire La plèvre Un feuillet pariétal, un feuillet viscéral Espace pleural: virtuel (quelques µ), contient 2ml de liquide pleural répartis sur toute la surface, réabsorbés en permanence par les lymphatiques Pression pleurale (Ppl) négative (-5 cmh 2 O) Car la cage thoracique et le poumon exercent chacun une force de sens opposé Expansion de la cage thoracique Ppl < Patm Pression de rétraction élastique du poumon

34 A quoi est due la compliance pulmonaire? Au tissu élastique pulmonaire A la faible tension superficielle alvéolaire obtenue grâce au surfactant

35 4-1-b Compliance pulmonaire : les fibres élastiques Tissu pulmonaire = réseau de fibres interconnectées entre elles protéines de structures : élastine (principal composant des fibres élastiques), collagène, glycoproteines, protéoglycanes.

36 4-1-b Compliance pulmonaire : les fibres élastiques Destruction du tissu élastique : compliance trop élevée : (emphysème) : l'élastine est altérée par des protéases, comme l'élastase et les métalloprotéinases matricielles des polynucléaires neutrophiles et macrophages des antiprotéases, dont l' -1antiprotéase, ou antitrypsine, limitent leur action Remplacement du tissu élastique par un tissu rigide : compliance faible (fibrose)

37 4-1-b Compliance pulmonaire : l interface gaz-liquide, le surfactant Liquide : se rétracte pour obtenir une surface minimale Tension superficielle (T) : force superficielle de contraction d un liquide grâce à laquelle la surface air-liquide tend à être la plus réduite possible

38 Compliance pulmonaire : l interface gaz-liquide Alvéole : assimilé à une sphère liquidienne T P Loi de Laplace : P = 2T/r P = pression, T = tension superficielle, r = rayon T: dynes / cm, P: dynes / cm² ou cmh 2 O, r: cm

39 Le surfactant tapisse les alvéoles composé essentiellement de phospholipides (dont la phosphatidyl choline) et de 13% de protéines secrété par les pneumocytes II (PNII) Agent tensio-actif : réduit la tension superficielle (donc réduit la force de rétraction de la sphère)

40 Le surfactant demi-vie courte : phagocytose par les macrophages alvéolaires et PNII, passage vers les capillaires Chez le foetus: PNII vers 22 semaines d aménorrhée surfactant vers 36 semaines d aménorrhée

41 Maladie des membranes hyalines Nourrisson normal Membranes hyalines (déficit en surfactant) r = 50 µ T = 5 dyn/cm P = 2 x 5 / 50 dyn/cm² P = 2 cm H 2 O r = 25 µ T =25 dyn/cm P = 2 x 25 / 25 dyn/cm² P = 20 cm H 2 O P = 2 x T / r

42 Le surfactant alv1 alv2 Si T identique, Palv1 > Palv2 Loi de Laplace : P = 2T / r Le surfactant abaisse plus T des petits alvéoles que des gros Donc P devient identique dans les gros et les petits alvéoles D où une stabilité pulmonaire

43 Rôles du surfactant Réduit la tension superficielle Stabilité pulmonaire : la tension de surface varie avec l étirement du surfactant Maintien les alvéoles au sec

44 Explorer la compliance statique Mesure des compliances : recherche! nécessite la mise en place d un ballonnet oesophagien (mesure de la Ppl) Imagerie thoracique (TDM): bonne corrélation anatomo-fonctionnelle

45 4-2-b Les facteurs modifiant les résistances des voies aériennes (RVA) Rappels - Répartition des RVA Facteurs modifiant les RVA : - Phénomènes «passifs» : - Phénomènes «actifs» : la bronchomotricité

46 Répartition des RVA Voies aériennes supérieures 50% des RVA Surface de section de la trachée : 2.5 cm 2 Trachée et bronches centrales 40% des RVA Bronches périphériques 10% des RVA des bronchioles terminales : 500 cm 2

47 Relation pression-débit et mesure des résistances des voies aériennes P A RVA P Buc V. RVA = (P A -P Buc ). V L écoulement est considéré comme laminaire

48 Les facteurs modifiant les RVA Modification «passive» gaz structure des bronches tissu de soutien volume pulmonaire pression intra-pleurale RVA Modification «active» : Bronchomotricité

49 Densité et viscosité des gaz RVA avec la densité et la viscosité des gaz Exemple de la plongée sous-marine: En hyperbarie (plongée), l des RVA entraîne une travail respiratoire à 20 mètres, la pression est de 3 atmosphères, les RVA sont multipliées par trois Remplacer l azote par l hélium, de faible densité permet de diminuer le RVA

50 Structure de la trachée

51 Plaque cartilagineuse BRONCHE péribronche Follicule lymphoïde Sous-muqueuse Structure des bronches muqueuse Glandes Séro-muqueuses Muscle de Reissessen muqueuse BRONCHIOLE

52 Les bronches sont enchâssées dans le tissu pulmonaire

53 Pression de rétraction élastique du poumon Influence du volume pulmonaire Volume pulmonaire CPT CRF VR 1 3 RVA cm H 2 O/l/s

54 Pression intrapleurale Influence de la pesanteur

55 Les facteurs modifiant les RVA Modification «passive» RVA Modification «active» : Bronchomotricité Voie nerveuse Médiateurs endogènes bronchiques (mastocytes, celllules épithéliales) extrinsèques (éosinophiles, neutrophiles)

56 Système nerveux central bulbe Voies afférentes n. vague Voies efférentes parasympathiques (n. vague) sympathiques récepteurs - à l irritation - mécanorécepteurs - récepteurs juxtacapillaires «J» - extra-pulmonaires muscle lisse bronchomotricité

57 Système nerveux central Centres végétatifs Tonus parasympathique de repos Nerf vague. x Muscle lisse bronchique Bronchoconstriction sécrétion mucus

58 Stimulation nerveuse parasympathique agoniste ß adrénergique Atropine (-) (-) Ac.Choline (+) récepteur muscarinique Ac.Choline (+) Récepteur M3 : bronchoconstriction M2 : limite la relaxation adrénergique Fibre musculaire lisse

59 Glande sous muqueuse Art. bronchique Muscle lisse bronchique : non Centres végétatifs Ganglions cervicaux et thoraciques Segments Moelle dorsale Système sympathique

60 Glande sous muqueuse Art. bronchique Centres végétatifs Ganglions cervicaux et thoraciques Muscle lisse R. 2 adrénergiques Segments Moelle dorsale bronchodilatation libération de médiateur (mastocyte) œdème de la muqueuse Cl muco- ciliaire adrénaline circulante Médullosurrénale Système sympathique

61 Interactions systèmes sympathique / parasympathique Leur récepteurs sont couplés à des protéines G ont les mêmes voies de signalisation intracellulaire dans les mêmes cellules cibles

62 Système non adrenergique non cholinergique NANC Système inhibiteur 2ème neurone parasympathique et autres? Neuropeptides (VIP, NO) bronchodilatation VIP : vasoactive intestinal polypeptide NO : monoxyde d azote (++ homme)

63 Système NANC Système excitateur Fibres C Système nerveux central Agression épithéliale substance P neurokinine A bronchoconstriction mucus sous-tend une réaction inflammatoire?

64 Mesure des RVA (indirectement : Courbe débit-volume) interruption du débit pléthysmographie

65 Interruption du débit P A P A Valve fermée : P Bouche = P A RVA = (P A -P Baro ). V

66 Pléthysmographie : PV = cte P V P V P P V V Inspiration contre une valve fermée Expiration contre une valve fermée

67 Coût de la respiration en O 2 au repos : < 5% de la VO 2 totale effort maximal : 8-15% de la VO 2 totale chez un sujet sain (mais 20-25% chez un patient ayant une BPCO)