DHONNEUR Gilles Système ventilatoire partie 2 Promotion DU Date d intervention : novembre 2011

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2 Physiologie respiratoire Part 2 Système ventilatoire Gilles DHONNEUR DAR CHU (APHP) Jean Verdier BONDY Université Paris 13, Bobigny

3 Physiologie respiratoires

4 Définitions iti Respiration Ventilation Mécanique ventilatoire

5 Finalité Système respiratoire Générer des échanges gazeux permettant la vie, la l adaptation au milieu et la survie en situations extrêmes altitude La vie nécessite l oxygénation cellulaire Finalité du système respiratoire c est l oxygénation cellulaire Finalité du système respiratoire c est l oxygénation cellulaire

6 Système ventilatoire Indissociable du système respiratoire Finalité du système ventilatoire Permettre la respiration Permettre l élimination des déchets du métabolisme cellulaire CO2 La finalité principale du système ventilatoire est l élimination du CO2

7 Anatomie du système de conduction aériennes

8 Tuyaux

9 Arbre bronchique

10 Conduction aérienne distale

11 Conduction aérienne

12 Alvéole V & insp = Vmort & + Valv & Espace mort Alvéole

13 Conséquence Espace mort V D = 2 ml/kg (150 ml pour 75 kg) Volume minute (V E ) = Fréquence x Vol Courrant V E =F r x(v D + Valvéolaire) V E = F r xv D + F r xv A Ventilation espace mort Ventilation alvéolaire 10 l/min = 10 x 1l = 10 l de V E => VA? 8,5 85l 10 l/min = 20 x 0,5 l = 10 l de V E =>VA? 7l

14 Organisation du systèmecentres respiratoires Générateur des rythmes Pompe ventilatoire Muscles ventilatoires Variations de pression Genèse de flux Volumes Conduction aérienne Echanges gazeux Membrane alvéolo-capillaire CO2 O2 Récepteurs Centaux et périphériques

15 Mécanique ventilatoire Description dynamique des fonctions respiratoire et ventilatoire Mode ventilatoire Aspect qualitatif du fonctionnement du système

16 Muscles de la pompe ventilatoire Cage thoracique (structure semi rigide) Pompe musculaire Effet piston Muscles inspiratoires Muscles expiratoires Contraction Piston Modification des dimension de la cage thoracique Variation de pression dans la cage thoracique Génération de débit Génération de volume Volume courrant

17 Muscles ventilatoires Ventilation spontanée Muscles inspiratoires Cage thoracique Diaphragme Intercostaaux Geniohyoid Genioglossus Larynx Crico-Aythenoidien postérieur Accessoires : sternocleidomastoidien, scalènes, ailes du nez Muscles expiratoire Intercostaux expiratoires Transverses de l abdomen Obliques externe et interne Grands droits Pharynx Cage thoracique Abdomen

18 Mécanique ventilatoire Dans le thorax (ventilation spontanée) P Thor Pression dans le thorax (cm H20) +5 0 Time (s) -5

19 Changement de configuration de la cage thoracique 1à3cm 1à10cm 10 Inspiration

20 Mécanique ventilatoire Dans le thorax (ventilation spontanée) Pression dans l abdomen (cm H20) Descente du diaphragme Contraction des muscles abdominaux +5 0 Time (s) -5 Pression intrathoracique

21 Volume (L) Débits et Volumes 1 50 Débit (L/sec) 0 Time (s) Pression Calcul l du débit inspiratoire i i Vt = 0,8 l fréquence respiratoire= 15/min Ti/Te = 1/3 Débit inspiratoire = 0,8 x 60 = 48 l/min

22 Inspiration / Expiration Inspiration Phénomène actif musculaire contre les forces élastiques du système ventilatoire Expiration Phénomène actif Retour à la position d équilibre du système ventilatoire assisté par la contraction synchrone des muscles transverses de l abdomen Contraction abdominale = augmentation de la pression abdominale» Remontée passive du diaphragme

23 Les volumes pulmonaires La capacité de Toux? CV Quel volume détermine L oxygénation? CRF

24 C0 2 6 Artère pulmonaire 8 9 Capillaires pulmonaires Veines pulmonaires Artères 0 Vi Veines Veinules Artérioles 5 3 Capillaires 4 Cond duct tion circ cula atoire

25 Finalité du système O2 air ----> Cellule Convection ventilatoire Diffusion alvéolocapillaire Convection circulatoire Diffusion capillaro-cellulaire cellulaire CO > Air extérieur Diffusion cellulo-capillairecapillaire Convection circulatoire et cellulaire (GR) Diffusion capillo-alvéolairealvéolaire Convection ventilatoire

26 Structure anatomique du système (O2) Système de conduction aérien VAS Trachée Bronches Bronchioles TUYOTTERIE Espace mort anatomique Système d échange et diffusion i Alvéoles Système de conduction circulatoire i Système artériel Pompe cardiaque Capillaire Système de diffusion i Membrane capillaro- cellulaire

27 Déterminants de la pression partielle en oxygène dans le PaO2 sang artériel Pression barométrique Fraction inspirée en O2 Ventilation alvéolaire Diffusion à travers la membrane alvéolocapillaire Espace mort Shunt

28 Pression barométrique et FiO2

29 Quelques notions fondamentales es Physique niveau maternelle supérieure Pression barométrique Moyenne au niveau de la mer Pression atmosphérique (PAtm) PA = 1013hPa= 760 mmhg Pression atmosphérique PAtm = Somme des pressions partielles (PP) des gaz présents dans l air Composition de l air? O2, N2, Autres gaz rares (1%) 78% Vapeur d H20 = 2,5 % à 20 C, 32%à37 C 3, %

30 Multiplication et addition simple Niveau maternelle supérieure PAtm = PP (N2) + PP(O2) + PP (H20) + PP (gaz rares) PP (N2) = 77% de PAtm = 78% x 760 = 585 mmhg PP (O2) = 20 % de PAtm= 20% x 760= 145 mmhg PP (H20v) = 2,2 % de PAtm = 3% x 760= 22 mmhg 760 mmhg PP (Gaz rares) = 0.8% de Patm= 1% x760=

31 Physique alvéolaire Niveau maternelle supérieure Dans une alvéole en fin d expiration Pression atmosphérique (PAtm) PA = 1013hPa= 760 mmhg Pression atmosphérique PAtm = Somme des pressions partielles (PP) des gaz présents dans l air lair Composition du mélange gazeux alvéolaire O2, N2, CO2 et H2Ov, gaz rares PAtm = PP (N2) + PP(O2) + PP(CO2) + PP (Gaz rares) + PP (H20)

32 Dans l alvéole en fin PAtm = PP (N2) + PP(O2) + PP(CO2) + PP (H20) + PP (Gaz rares) d expiration PP (N2) = 77% de PAtm = 77% x 760 = 590 mmh PP (H20v) = 3,2% de PAtm = 3,2 x 760= mmhg PP (Gaz rares)= 0,8% 81% de PAM= P Atm = 0,8% 630 x760=5-8 à 640 mm mmhg P Alvéolaire l = P Atm = 760 mmhg 760 mmhg = 640 mmhg + PP (CO2) + PP (02)

33 Equation des gaz alvéolaires P Alvéolaire= P Atmophérique = 760 mmhg 760 mmhg = 640 mmhg + PP (CO2) + PP (02) ( 3,5% + 16,5%) PAtm Fraction alvéolaire en CO2 + en O2 Air ambiant Niveau de la mer PP(02) + PP(CO2) = 120 à 130 mmhg

34 En pratique Gaz du sang en Air Ambiant PaO2 = 85 mmhg PaCO2 =? Pour un malade aux urgences PaO2= 120 mmhg PaCO2 =? Alors quel diagnostic? Quelle PaO2 pour une FIO2 = 100%? PAtm = + PP(O2) + PP(CO2) + PP (H20)

35 En plongée sous marine Comment augmenter la durée de l apnée 1 Hyperventiler = baisser le CO2 artériel PP(02) + PP(CO2) = 120 mmhg 2 Enrichir le mélange inspiré en O2 PP(O2) + PP(CO2) + PP (H20)= 760 mmhg

36 Médecine d altitude Respiration plus difficile en altitude? Problème de FiO2? Problème de Pression barométrique? Pression atmosphérique en fonction de l'altitude Pression atmosphériq que (mmhg) Quelle PaO2 au sommet de l Everest? PAtm = PP (N2) + PP(O2) + PP (H20) + PP (Gaz rares) 25O = 79%(250) + 20%(250)+ 1%(200) PP (O2)= 50 mmhg Au niveau avéolaire Pa02 + PaCO2= 50 mmhg Altitude (m)

37 Ventilation alvéolaire

38 Ventilation alvéolaire Au niveau de l alvéole Oxygène Gaz carbonique Gaz alvéolaires PaO2 + PaCO2 = mmhg VO2 fct métabolisme : FIO2= > FAO2=? PAO =(PB PH O) x FiO (PACO /QR) PAO 2 = (PB - PH 2 O) x FiO 2 (PACO 2 /QR) Fraction alvéolaire en O2 = 16,5 %

39 Diffusion alvéolo-capillaire CO2 02 Diffusion selon un gradient de pression partielle S V& gaz D ( P 2 ) Loi de Fick 1 P E S=surface ( m 2 ), E=épaisseur (0,5 µm), D= cste de diff. et P1- P2 la différence de pression partielle

40 Espace mort, Shunt Rapports VA / Q Shunt physiologique VA / Q = VA / Q = Q

41 Espace mort, Shunt Rapports VA / Q Unité normale Espace mort alvéolaire Zone de shunt Zone silencieuse

42 Contenu artériel en oxygène Déterminants du CaO2 Débit cardiaque Oxygène liée Hémoglobine Pouvoir oxyphorique de l Hb = 1,39 ml d O2/ g d Hb Oxygène dissoute Coef de solubilité: 0,003 ml d O2/mmHg/100 ml de plasma CaO 2 = α x SaO 2 x [Hb] + β x PaO 2 α = pouvoir oxyphorique β = coef de solubilité

43 Transport de l Oxygène Déterminants du TaO2 Débit cardiaque CaO2 TaO 2 = Qc x (α x SaO 2 x [Hb] + β x PaO 2 ) TaO2 = Qc x CaO2 Si débit cardiaque / 2 TaO2 / 2

44 Délivrance périphérique de lo2 l O2 Courbe de dissociation de l oxygène % SAT Effet Bohr xx O2-Hb - O2 O2 O2 O2-Hb - O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2-Hb - O2 O2 O2 T, CO 2, 2-3DPG ph Oxygène fixé et oxygène dissous PaO 2 DO2 = f(tao2) DO2= f (Qc x Ca02) DO2 = g x CaO2 DO2= h x HbO2

45 Structure anatomique du Système de diffusion système (CO2) Membrane capillaro- cellulaire l Système de conduction circulatoire Veinules Veines Cœur droit Artères pulmonaires Système d échange et diffusion Membrane alvéolocapillaire Système de conduction ventilatoire Bronchioles Bronches Trachée VAS TUYOTTERIE

46 Contenu veineux en CO2 CO2 produit par le métabolisme cellulaire diffuse à l extérieur de la cellule dans les vaisseaux Dissoute (10%) CO2 sous forme de bicarbonate Anhydrase carbonique: CO2 + H20 HCO3- + H+ (60%) Intra erythrocytaire CO2 fixé à l hémoglobine (30%) Hb carbaminée

47 Transport du CO2 Déterminants du TvO2 Débit cardiaque CvCO2 TvCO 2 = Qc x CvCO2

48 Re largage du CO2 au niveau Effet Haldane alvéolaire L oxydation de l Hb (fixation d O 2 ) facilite le re largage du CO 2 Diffusion rapide selon un gradient de concentration Dans l alvéole Mixique en début d inspiration En fin d inspiration PACO2 = PaCO2 Puis conduction aérienne Nez, bouche, Sonde d IOT

49 Capnogramme (CO2/ Temps) CO2 PaCO2 PACO2 EtCO2 Gradient Delta (Et -a CO2) = 3-5 mmhg Extrêmes : -1 à 18 mmhg Temps

50 Expirogramme (CO2/Volume) PP CO2 (mmhg) 40 VCO2i Mesure de la production de CO2 / min VCO2= Somme VCO2i sur 1 min Normale et pathologie 0,670 Volume (l)

51 Monitorage du CO2 Condition pour EtCO2 mesurable 1 Ventilation alvéolaire Diagnostic de l intubation trachéale Qualité de la ventilation alvéolaire 2 Débit cardiaque Diagnostic de l ACR Diagnostic des états de chocs 3 Production du CO2 cellulaire VCO2 Diagnostic de l hypermétabolisme» Hyperthermie Diagnostic des hypométabolismes»eme» Hypothermie

52 Régulation du système

53 Régulation du système Chémorécepteurs périphériques O2 Chémorécepteurs é centraux CO2 PH du LCR Plancher du V4 (Bulbe rachidien)» Centres respiratoires Stimulations ventilatoires CO2 O2 Charges inspiratoires

54 Control de la ventilation Régulation des paramètres biochimiques i Pression partielle en CO2 au niveau Tronc cérébral LCR 38 mmhg 42 mmhg Pression partielle en 02 Récepteurs périphériques ( carotidiens) 60 mmhg 100 mmhg

55 Gaz du sang normaux PaCO2 = 40 ± 2 mmhg Pa02 > 80 mmhg ph = 7,40 ± 0,02

56 Réponse des centres respiratoires Réponse à l hypercapnie iemg activité (% of C) Diaphragm Transverse de l abdomen 40 PaCO2 (mmhg)

57 Réponse des centres respiratoires Réponse à l hypoxie iemg activity (% of C) Diaphragm Transverse de l abdomen PaO2 (mmhg)