Physiologie respiratoire (2) BUI HN Réanimation Médicale

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1 Physiologie respiratoire (2) BUI HN Réanimation Médicale 1

2 Différences régionales de ventilation

3 Différences régionales de ventilation Chez un homme en position verticale (debout/assis), il existe des différences régionales de ventilation. En mesurant la radioactivité émise par des particules radioactives inhalées, il a en effet été mis en évidence que les bases ventilaient mieux que les sommets. Les taux de xenon radioactifs étaient plus important au niveau des bases qu au niveau des sommets. 3

4 Différences régionales de ventilation Force liée à la cage thoracique Force liée à rétraction du parenchyme pulmonaire Force liée au poids du parenchyme pulmonaire Ces différences régionales de ventilation sont liées aux différentes forces qui s appliquent sur le parenchyme pulmonaire. Au sommet : les deux forces qui s appliquent aux parenchyme pulmonaire via la plèvre sont la force liée à la cage thoracique, qui «tire» vers l extérieur le poumon, et les forces de rétraction liées aux fibres élastiques du parenchyme qui tendent à rétracter le poumon. A la base : en plus, des deux forces déjà citées, s applique la force liée au poids du parenchyme pulmonaire, qui augmente au fur et à mesure que l on descend vers la base (il y a d autant plus de poumon au dessus, donc de poids, que l on se trouve près de la base) 4

5 Différences régionales de ventilation Du fait de l opposition des forces il existe une pression négative à l intérieur de la plèvre (espace virtuel) A la base la pression intra pleurale est moins négative qu à l apex, du fait de la force liée au poids du parenchyme pulmonaire 5

6 Différences régionales de ventilation - 10 cm H 2 O en transpulmonaire cm H 2 O en transpulmonaire Il existe donc une différence entre les gradients de pression transpulmonaire au sommet et à la base. Le gradient de pression transpulmonaire est plus important au sommet qu à la base. Les chiffres sont cités à titre d exemple et sont approximatifs 6

7 Différences régionales de ventilation Volume d une portion de poumon par rapport à son volume maximal 100% 50% Pression intra pleurale en cm H Ce schéma représente la variation de volume d une portion de poumon (segment, lobe) en fonction de la variation de pression intra pleural. Au sommet, il existe une pression intra pleurale déjà importante, le gradient transpulmonaire est élevé et les alvéoles, ou le segment pulmonaire est déjà étiré. Le fait de rajouter une dépression supplémentaire ne fait pas augmenter de beaucoup le volume du segment pulmonaire. A l inverse à la base, la pression intra pleurale est plus faible, le gradient transpulmonaire aussi et les alvéoles plus tassées. Le fait d appliquer une dépression supplémentaire va permettre une expansion du poumon. La «marge» de manœuvre est plus importante. 7

8 Différences régionales de ventilation La variation de volume au sommet est donc moins importante que la variation de volume à la base. On dit que les alvéoles de la base ventilent mieux ; l apport de gaz frais est plus important à la base qu au sommet 8

9 Différences régionales de perfusion

10 Différences régionales de perfusion Débit sanguin Base Sommet Xenon * IV dans salé iso cm Les bases sont mieux perfusées De la même manière que pour la ventilation, il existe une différence régionale de perfusion sur la hauteur du poumon d un sujet en position verticale. Cette différence a été mise en évidence par la perfusion d un isotope radioactif. 10

11 Différences régionales de perfusion Longueur de 30 cm Si on considère le réseau artériel pulmonaire comme une colonne d eau il existe une différence de 30 cmh2o de pression entre ces 2 points, soit 23 mmhg 11

12 Différence régionales de perfusion : Les zones de West Zone 1 Longueur de 30 cm Zone 2 Zone 3 La perfusion d un segment du poumon va dépendre de sa position sur la hauteur du poumon ce qui va conditionner le niveau de pression sanguine artérielle, veineuse, et alvéolaire. On décrit ainsi trois zones de perfusion ; les zones de West. 12

13 Différence régionales de perfusion : Les zones de West Dans la Zone 1 de West PA > Pa > Pv Il existe très peu de débit sanguin Cette situation n existe pas en condition physiologique PA : pression alvéolaire Pa = Pression artérielle Pv = pression veineuse Dans la zone 1 de West, la pression alvéolaire est plus importante que la pression artérielle (zone où les alvéoles sont les plus «gonflées», et où la pression artérielle est la plus basse). En condition physiologique cette situation n existe pas. Elle peut exister par contre en ventilation mécanique lorsque les pressions d insufflation sont élevées. Remarque : la pression artérielle est toujours plus élevée que la pression veineuse 13

14 Différence régionales de perfusion : Les zones de West Dans la Zone 2 de West Pa > PA > Pv Il y a adéquation entre ventilation et perfusion. Le débit sanguin dépend de la différence de pression entre Pa et PA PA : pression alvéolaire Pa = Pression artérielle Pv = pression veineuse 14

15 Différence régionales de perfusion : Les zones de West Dans la Zone 3 de West Pa > Pv > PA Le débit sanguin dépend (comme d hab.) de la différence de pression entre Pa et Pv PA : pression alvéolaire Pa = Pression artérielle Pv = pression veineuse Dans cette zone et en dessous, l augmentation du débit de perfusion peut également se faire par distension et/ou recrutement de capillaires anciennement fermés 15

16 Différence régionales de perfusion : Les zones de West Apex Zone 1 Collapsus cap. Zone 2 «Chute d eau» Distension Distance Zone 3 Pression interstitielle Base Débit sanguin Zone 4 A droite, le graphique représente le débit sanguin pulmonaire en fonction des différentes zones de West. Au fur et à mesure de la descente vers la base et jusqu à la zone 3 de West, le débit sanguin pulmonaire augmente. En deçà, dans la Zone 4 de West, le débit sanguin diminue peu à peu. 16

17 Différence régionales de perfusion : «Zone 4» de West Les contraintes des vaisseaux pulmonaires diffèrent selon qu ils se situent dans les alvéolaires (vx alvéolaires = capillaires pulmonaires) ou dans les septa inter-alvéolaires (vx extra alvéolaires) Pour expliquer la baisse de débit dans la zone 4 de West, il faut considérer les vaisseaux alvéolaires = capillaires bordant les alvéoles, des vaisseaux extra-alvéolaires, circulant dans les septums, et le tissu interstitiel pulmonaire. 17

18 Différence régionales de perfusion : «Zone 4» de West A haut volume pulmonaire, l étirement du parenchyme pulmonaire se répercute sur les vx extra alvéolaire et les capillaires alvéolaires, diminuant leur calibre. A bas volume pulmonaire, il existe un rétrécissement des vaisseaux extra alvéolaires car le poumon est peu distendu. A bas volume pulmonaire, il existe un rétrécissement du diamètre des vaisseaux extra alvéolaires car le poumon est peu distendu, et ne «tire» pas sur les parois de ces vaisseaux. La résistance à l écoulement du sang est donc élevée. (plus le diamètre des vaisseaux est petit, plus la résistance à l écoulement est importante) Si la résistance à l écoulement augmente, le débit diminue. Au fur et a mesure du gonflement du poumon, les tissus vont se mettre en tension, et «tirer» sur les parois des vaisseaux extra-alvéolaires. La résistance des vaisseaux va donc au début diminuer. Puis si le poumon continue de gonfler, cela va tellement «tirer» que le diamètre des vaisseaux va de nouveau diminuer, et les résistances augmenter. 18

19 Contrôle de la perfusion

20 Contrôle de la perfusion pulmonaire Rôle passif de la ventilation. Contrôle actif par différentes substances Noradrénaline, histamine, sérotonine.. (surtout à bas volume pulmonaire). Vasoconstriction hypoxique Liée à une diminution de la pression alvéolaire en O 2 But : dévier le débit sanguin des zones pulmonaires hypoxiques. Le NO diminue la vasoconstriction hypoxique. 20

21 Contrôle de la perfusion pulmonaire Vasoconstriction hypoxique Hypoxie alvéolaire localisée Normoxie Vasoconstriction artérielle hypoxique L hypoxie alvéolaire va entraîner une vasoconstriction artérielle en regard du territoire hypoxique, et permettre une déviation du flux sanguin vers les alvéoles les mieux ventilées. 21

22 Contrôle de la perfusion pulmonaire Effet de la P A O 2 sur le débit sanguin 100 Débit sanguin (% du contrôle) PO 2 alvéolaire La vasoconstriction hypoxique n est pas linéaire : Au-delà de 100 mmhg, le débit n est peu ou pas modifié. En revanche en deçà de 100 mmhg de po 2 alvéolaire, une vasoconstriction importante entraîne une réduction significative du débit sanguin. 22

23 Contrôle de la perfusion pulmonaire Effet de la P A O 2 sur le débit sanguin Il peut exister une adaptation à des situations d hypoxie alvéolaire. Certaines populations se sont adaptées au fur et à mesure des générations aux conditions d hypoxie. Ainsi certaines ethnies, notamment les tibétains ont une adaptation vasomotrice différentes de population non exposée à une hypoxie alvéolaire chronique (nord-américains). 23

24 Equation des gaz alvéolaires

25 Equation des gaz alvéolaires Il existe une relation entre la pression alvéolaire en O 2 et la pression alvéolaire en CO 2. Cette relation est déterminée par l équation des gaz alvéolaires. P A O2 = P I O2- P A CO2 + F QR P A O 2 = Pression alvéolaire en O 2 P I O 2 = Pression inspirée en O 2 P A CO 2 = Pression alvéolaire en CO 2 QR = Quotient respiratoire (rapport entre le débit de production de CO 2 et le débit de consommation d O 2 ) F = Facteur de correction (dépendant de F I O2, P A CO 2 et QR) négligeable. L équation des gaz alvéolaires établit une relation entre l oxygène et le gaz carbonique alvéolaire. Il permet de comprendre certains mécanismes d hypoxémie. 25

26 Equation des gaz alvéolaires Comment on est tombé dessus???? Le CO2 : il vient uniquement de l air alvéolaire et non pas de l espace mort. V t x F E CO 2 = V A x F A CO 2 En ramenant à la ventilation minute : V x F E CO 2 = V A x F A CO 2 V x F E CO 2 = VCO2 donc F A CO 2 = VCO 2 V A ou P A CO 2 = VCO 2 x K V A Si le métabolisme tissulaire (exercice) augmente la V A doi augmenter dans les même proportions pour que la P A CO 2 n augmente pas Lexique F A CO 2 : Concentration fractionnaire en CO 2 dans le gaz alvéolaire, F E CO 2 : Concentration fractionnaire en CO 2 dans le gaz expiré. V A : Volume alvéolaire ; V t : Volume courant. V (avec un point au dessus) = Ventilation minute P A CO 2 : Pression alvéolaire en CO 2 ; K : constante de proportionnalité entre la concentration fractionnaire de CO 2 (F A CO 2 ) et la P A CO 2. Remarque V CO 2 = V A CO 2 x (%CO 2 /100), on remplace en fait (%CO 2 /100) ou concentration fractionnaire de CO 2 par le terme F CO 2. 26

27 Equation des gaz alvéolaires Comment on est tombé dessus???? (suite) La différence entre le volume d oxygène qui entre dans le poumon chaque minute (F I O 2 x V A ) et le volume qui en sort (F A O 2 x VA) correspond au volume d oxygène qui a été consommé dans les tissus (VO 2 ) VO 2 = (F I O 2 x V A ) (F A O 2 x V A ) Donc ou : F A O 2 = F I O 2 VO 2 V A P A O 2 = PIO 2 (VO 2 x K) V A Si le métabolisme tissulaire augmente, la V A doit augmenter dans les mêmes proportions pour que la P A O 2 ne varie pas. Si la V A est limité seule l augmentation de P I O 2 permet de maintenir la P A O 2. F A O 2 : Concentration fractionnaire en O 2 dans le gaz alvéolaire, F I O 2 : Concentration fractionnaire en O 2 dans le gaz inspiré. V A (avec un point au dessus) = Ventilation minute alvéolaire P A O 2 : Pression alvéolaire en O 2 ; K : constante de proportionnalité entre la concentration fractionnaire de O 2 (F A O 2 ) et la P A O 2. 27

28 Equation des gaz alvéolaires Comment on est tombé dessus???? (suite et fin??) QR = VCO 2 donc VO2 = VCO 2 VO 2 QR On reprend la formule précédente : P A O 2 = PIO 2 (VO 2 x K) V A donc P A O 2 = PIO 2 (VCO 2 x K) Puisque (QS avant dernière diapo ) P A CO 2 = VCO 2 x K QR x V A V A P A O 2 = P I O 2 - P A CO 2 QR + F QR : quotient respiratoire, c est le rapport entre production de gaz carbonique et consommation d oxygène. Il dépend du métabolisme des tissus en état stable. (Valeur normale = 0,8). F : facteur de correction négligeable en état physiologique. On constate d après cette équation qu en cas d hypoventilation alvéolaire, la baisse de P A O 2 est légèrement plus grande que l augmentation de P A CO 2. 28

29 Les différents types d hypoxémie

30 O 2 Air Hypoxémie Dans un modèle à poumon parfait : Humidification + CO 2 Gaz alvéolaire Diffusion Capillaire pulmonaire Sang artériel Shunt Consommation d O 2 par les cellules Anaérobiose Tissus Atmosphère Mitochondries Dans un modèle à poumon parfait, la pression partielle en O 2, au fur et à mesure de son acheminement dans l organisme dans les tissus va diminuer. L air inspiré est sec et dépourvu en CO 2. Dans les voies respiratoires celui-ci est humidifié, et mélangé à du CO 2 en provenance des alvéoles. Une petite baisse de la pression partielle en O 2 survient lors de la diffusion car la membrane alvéolo-capillaire même si elle est très perméable constitue néanmoins une barrière et dans le sang artériel du fait de la présence d un shunt physiologique. 30

31 Hypoxémie : Hypoventilation (1) L hypoventilation, et donc l hypoventilation alvéolaire induit une augmentation de la P A CO 2 et donc de la P a CO 2. P A CO 2 = VCO 2 x K V A Si l on reprend l équation des gaz alvéolaires : P A O 2 = P I O 2 - P A CO 2 + F QR 1. L augmentation de la P A CO 2, va entraîner une baisse de la P A O 2 et donc une diminution de la P a O L apport d O2 va corriger aisément, la P A O 2, et donc la P a O 2. 31

32 Hypoxémie : Troubles de la diffusion (2) Début du capillaire Fin du capillaire alvéolaire 100 O 2 normal Pression partielle 50 O 2 anormal O 2 très anormal 0,25 0,50 0,75 Temps passé dans le capillaire En l absence de troubles de la diffusion, la pression partielle en O 2 dans le sang à la sortie du capillaire est quasiment équivalente à la pression alvéolaire en O 2. Elle est quasiment équivalente mais reste légèrement inférieure à la pression alvéolaire du fait de la présence de la membrane alvéolo-capillaire. Cette différence en condition physiologique n est pas mesurable. A l inverse en cas de troubles de la diffusion, ou de ventilation avec un mélange appauvri en O 2, cette différence apparait. (QS premier cours de physiologie) 32

33 Hypoxémie : Shunt (3) Le shunt est défini par l apport de sang veineux mêlé au sang venant des capillaires. Cc O 2 Artère pulmonaire QT CvO 2 Débit de shunt = QS QS = Cc O 2 CaO 2 QT Cc O 2 CvO 2 Veine pulmonaire QT CaO 2 S exprime en % du débit cardiaque total CvO 2 : contenu veineux en O 2, Cc O 2 : contenu capillaire en O 2, CaO 2 : contenu artériel en O 2. QT : débit cardiaque total, QS : débit de shunt. Le débit d oxygène artériel doit être égal au débit d oxygène issu du capillaire + le débit d oxygène du sang shunté soit : QT x CaO 2 = (QT QS) x Cc O 2 + QS x CvO 2, en réorganisant l équation, on tombe sur l équation du shunt exprimé en % du débit cardiaque total (QT) 33

34 Hypoxémie : Shunt (3) Il existe un shunt physiologique < 6% : Drainage de certaines «veines bronchiques» dans la veine pulmonaire. Une petite partie du sang veineux coronarien est drainé directement dans le ventricule gauche. 34

35 Hypoxémie : Shunt (3) Le shunt n est pas «bien» corrigé par l apport d O2 même à haut débit. Saturation en O 2 de l Hb 100% 90% Contenu artériel en O 2 PO 2 CaO 2 = Hb x 1,34 x Sat + PO2 x 0,0031 Cette courbe représente la saturation en oxygène de l hémoglobine par rapport à la PO 2. Elle est appelée courbe de dissociation de l O 2 à l hémoglobine ou courbe de Barcroft. Elle n est pas linéaire. Pour des PO 2 au-delà de 60 mmhg, elle s aplatit et le gain en saturation est minime. Le contenu artériel en O 2, est la somme du contenu en oxygène lié à l hémoglobine + l oxygène dissous dans le sang. La portion importante est représenté par l oxygène lié à l hémoglobine. On voit qu elle dépend de la concentration en hémoglobine dans le sang, et de la saturation en oxygène de l hémoglobine. 35

36 Hypoxémie : Shunt (3) Saturation en O 2 de l Hb 100% 90% Contenu artériel en O2 PO 2 PO 2 De ce fait, les courbes de saturation en Oxygène et de contenu artériel en oxygène sont relativement supperposables. 36

37 Hypoxémie : Shunt (3) Le shunt n est pas «bien» corrigé par l apport d O2 même à haut débit. CaO2 = Hb x 1,34 x Sat + PO2 x 0,0031 Air ambiant Contenu artériel en O 2 PO 2 Contenu appauvri en O 2 Lors d un shunt on a un mélange d un sang riche en O 2 et d un sang pauvre en O 2. Le sang qui sort des poumons contiendra si les débits (de shunt et de sang non shunté) sont équivalents une moyenne des deux contenus en O 2. 37

38 Hypoxémie : Shunt (3) Le shunt n est pas «bien» corrigé par l apport d O2 même à haut débit. CaO2 = Hb x 1,34 x Sat + PO2 x 0,0031 Contenu artériel en O pur Air ambiant Peu de différence de contenu en 02 PO 2 Contenu appauvri en O 2 Si on apporte de l oxygène (et quelque soit sa quantité d ailleurs), le gain pour le sang non shunté sera minime en terme de contenu en O 2. Le sang shunté, ne modifiant pas son contenu en oxygène (avec ou sans apport d oxygène), au final le sang qui sort des poumons sera peu modifié par l apport d oxygène. 38

39 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4) Débit de colorant = V (g/mn) Débit de perfusion = Q (l/mn) La concentration dans la veine pulmonaire dépend du rapport V g/mn g = = Q l/mn l 39

40 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4) En situation normale, la P A O 2 atteint 100 mmhg, et la P A CO 2 40 mmhg. Le rapport VA/Q est de 1. 40

41 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4) En cas d obstacle à la ventilation, la P A O 2 va progressivement baisser, et la P A CO 2 augmenter jusqu à atteindre les valeurs du sang veineux mêlé. La composition du gaz alvéolaire va se rapprocher de celle du sang veineux mélé (en terme de O 2 et CO 2 ) Le rapport VA/Q va tendre vers 0 41

42 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4) Dans ce cas, l équation des gaz alvéolaires n est pas valable parce que le quotient respiratoire n est pas constant. Celui ci dépend notamment Du substrat métabolisé De la courbe de dissociation de l oxyhémoglobine (libérant donc l O2) et de l effet Bohr : variation en fonction de la PCO2 et donc des H+ De l effet Haldane : facilitation du transfert de CO2 dans l alvéole par l oxygénation de l hémoglobine. 42

43 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4) En cas de réduction du débit sanguin, la composition du gaz alvéolaire va se rapprocher de celle de l air inspirée, jusqu à devenir identique lorsque la circulation est interrompue. Le rapport VA/Q va tendre vers l infini. 43

44 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4) Abaissé Augmenté 44

45 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4) En reportant ces anomalies sur un diagramme O 2 -CO 2, il est possible de décrire le gaz alvéolaire en fonction des anomalies du rapport ventilation/perfusion. On peut «prévoir» la composition du gaz alvéolaire pour une composition de sang veineux mêlé et de gaz inspiré donnée, pour un VA/Q défini. Ce poumon ne peut donc pas posséder une alvéole avec P A O 2 = 70 et P A CO 2 = 30 45

46 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4) Shunt Espace mort Effet shunt Effet espace mort La baisse du rapport V A /Q définie un effet shunt. L augmentation du rapport V A /Q définie un effet espace mort. 46

47 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4). Distribution dans un poumon vertical Le graphique de gauche décrit la répartition de la ventilation et du débit sanguin de la base au sommet d un poumon vertical. On peut ainsi en déduire le rapport ventilation qui tend vers 0 à la base (= effet shunt/shunt), et vers l infini au sommet (= effet espace mort espace mort). Le graphique de droite décrit également les rapports ventilation/perfusion de la base au sommet d un poumon vertical sur un diagramme O 2 -CO 2. L effet de ces inégalités des rapports ventilation/perfusion sur les gaz alvéolaires et notamment sur la pression alvéolaire en oxygène est représenté sur la figure du centre. Au somment du fait de la faible perfusion, la P A CO 2 diminue et donc la P A O 2 augmente. (P A = pression alvéolaire). A la base s est l inverse qui se produit : perfusion importante donc P A CO 2 augmente et P A O 2 diminue. 47

48 Hypoxémie : Anomalies du rapport Ventilation Perfusion (4). Distribution dans un poumon vertical. Au final on obtient un sang pauvre en O 2 car les unités ayant un rapport VA/Q élevé apporte peu d O 2 au sang comparé à la perte d O 2 des unités à bas VA/Q. Au final on obtient un sang pauvre en O 2 car les unités ayant un rapport VA/Q élevé apporte peu d O 2 au sang comparé à la perte d O 2 des unités à bas VA/Q. = C est un peu comme l apport d oxygène à une unité pulmonaire shuntée 48

49 Mesure de l inégalité du rapport Ventilation Perfusion. Mesure du gradient alvéolo artériel : C est la différence entre la P A O 2 et la P a O 2 mesurée. Il correspond à la différence entre la P a O 2 idéale et mesurée Equation des gaz alvéolaires En pratique clinique : P A CO 2 = P a CO 2 P I O 2 = 150 mmhg QR : VCO 2 /VO 2 = 250/300 = 0,8 F à 21% = 2 = négligeable P A O 2 = P I O 2 - P A CO 2 QR + F P A O 2 = 140 P a CO 2 Si l équation n est pas vérifiée = en faveur d une anomalie du VA/Q En supposant la membrane Alv-cap. normale 49

50 Hypoxémie. Gradient alvéolo-artériel Type I : déficit en O2 dans l air inspiré Type II : hypoventilation alvéolaire Normal Type III : anomalie du rapport VA/Q Type IV : trouble de diffusion alvéolo capillaire Type V : shunt droit - gauche Augmenté 50