Mécanique ventilatoire 2 "Comment le poumon est maintenu et déformé dans la cage thoracique pour assurer la ventilation alvéolaire" L2 - UE Respiratoire Sam Bayat
Plan Pressions dans la cavité thoracique Débit respiratoire: génération d un gradient de pression entre les alvéoles et l atmosphère Mouvements respiratoires Évolution des pression au cours du cycle respiratoire Facteurs physiques déterminant la ventilation alvéolaire Propriétés élastiques du système respiratoire: Poumon Paroi thoracique Résistances à l écoulement de l air 2
Propriétés élastiques de la paroi thoracique : la relation volume-pression du système respiratoire La paroi thoracique est attirée vers l intérieure par la force de rétraction élastique du poumon Le poumon est distendu par la paroi thoracique Si on introduit une brèche dans la cavité pleurale, la Ppl autour du poumon devient égale à la Patm Le poumon se rétracte presque complètement 3
Pressions dans la cavité thoracique Patm = 0 cmh 2 O paroi poumon La paroi thoracique est attirée vers l intérieure par la force de rétraction élastique du poumon Le poumon est distendu par la paroi thoracique Brèche dans la cavité pleurale: Ppl = Patm et le poumon se rétracte presque complètement De l air reste piégé dans le poumon à cause de la fermeture des petites voies aériennes lorsque le volume pulmoniare diminue 4
Mesure de la compliance statique du système respiratoire On peut mesurer séparément la relation pression-volume pour: le poumon la paroi thoracique l ensemble du système respiratoire Le sujet inspire ou expire par paliers à travers un spiromètre qui permet de mesurer le volume À chaque palier, on ferme l entrée du système respiratoire à l aide d un robinet et on demande au sujet de relaxer complètement ces muscles respiratoires Conditions "statiques" 5
Pressions dans la cavité thoracique Pression transrespiratoire (thoracopulmonaire) = Ppl - Patm Pression transpulmonaire = Palv - Ppl Ppl Palv Ppl Patm Pression transthoracique = Ppl - Patm L alvéole est une structure élastique Ce qui commande le volume de l alvéole est la différence de pression de part et d autre de sa paroi: pression transmurale Le même principe commande le volume du thorax et de l ensemble poumon-thorax 6
Mesure de la compliance statique du système respiratoire La pression alvéolaire est égale à la pression mesurée à la bouche dans des conditions statiques P TP = Palv - Ppl Or, Ppl ne peut pas être mesurée directement Cathéter oesophagien Ppl Débit Volume Pbuccale = Palv Ppl est mesurée indirectement en mesurant la pression dans un ballonnet au bout d une sonde placée dans l œsophage - Principe: Ppl est transmise aux structures contenues dans le thorax 7
Mesure de la compliance statique du système respiratoire Temps Compliance =ΔV/ΔP CRF VR Volume pulmonaire (% Capacité Pulmonaire Totale) Pression transpulmonaire (cmh2o) Compliance du poumon normal = 200 ml/cmh2o Compliance de la paroi thoracique normale = 200 ml/cmh2o Compliance du système respiratoire = 100 ml/cmh2o 8
Compliance statique du système respiratoire: interprétation La compliance pulmonaire est augmentée ans l emphysème Elle est diminuée dans la fibrose interstitielle Volume pulmonaire (litres) CPT Emphysème Normal Fibrose interstitielle CPT CPT Pression transpulmonaire 9
Compliance dynamique La compliance peut être mesurée pendant la respiration, sans l arrêter Conditions "dynamiques" Cdyn = ΔV / ΔPTP = ΔV / ΔPpl Cdyn Cp à une fréquence respiratoire normale Volume (ml) CRF -2-8 Pression intrapleurale (cmh 2 O) 10
Propriétés élastiques de la paroi thoracique : la relation volume-pression du système respiratoire Patm 11
Propriétés élastiques de la paroi thoracique : la relation volume-pression du système respiratoire Mesure séparée de la relation pression-volume pour le poumon, pour la paroi thoracique et pour l ensemble du système respiratoire En fin d une expiration normale, muscles respiratoires sont au repos, les forces de rétraction pulmonaire et pariétale sont à l équilibre et agissent en sens inverse La pression dans les voies aériennes est alors égale à la pression ambiante (Palv=Patm) Le volume d air dans le poumon est appelé capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) 12
Propriétés élastiques de la paroi thoracique : la relation volume-pression du système respiratoire Pour des volumes >CRF, la pression à l entrée du système respiratoire est positive: pour se relaxer, le système respiratoire tend à revenir au point d équilibre (CRF) Pour des volumes plus petits, la pression est <Patm pour la même raison En fin d une expiration maximale le volume qui reste dans le poumon est appelé volume résiduel Quand P TP atteint 0: de l air reste piégé dans le poumon à cause de la fermeture des petites voies aériennes lorsque le volume pulmonaire diminue 13
Propriétés élastiques de la paroi thoracique : la relation volume-pression du système respiratoire Noter qu à la CRF, les pressions de relaxation de la paroi et du poumon sont égales mais opposées Noter que la pression de relaxation de la paroi (c'est-à-dire quand la pression de la paroi = Patm = 0): sa position de repos, est à 75% de la capacité vitale (CV) La CV est le volume maximal que le système respiratoire peut mobiliser (inspirer ou expirer) Noter qu à la pression ambiante (Patm), le volume pulmonaire est minimal, bien en dessous du volume résiduel En fin d une expiration maximale le volume qui reste dans le poumon est appelé volume résiduel 14
Relation volume-pression du système respiratoire Pour le poumon, la paroi thoracique ou le système respiratoire, la compliance est donnée par: C = ΔV/ΔP Noter qu à chaque volume du système respiratoire, la Pression est inversement proportionnelle à la compliance Aussi, à chaque niveau de volume, la pression du système respiratoire est la somme des pressions de rétraction du poumon et de la paroi Donc pour l ensemble Poumon + Paroi thoracique (système respiratoire): 1/C SR = 1/C P + 1/C Th 15
Plan Pressions dans la cavité thoracique Débit respiratoire: génération d un gradient de pression entre les alvéoles et l atmosphère Mouvements respiratoires Évolution des pression au cours du cycle respiratoire Facteurs physiques déterminant la ventilation alvéolaire Propriétés élastiques du système respiratoire: Poumon Paroi thoracique Résistances à l écoulement de l air 16
Résistances des voies aériennes ΔP dépend du : Débit ΔP = R V& Comportement du flux Flux laminaire: R 8 l = η Π 4 r Loi de poiseuille Importance critique du rayon η: viscosité du gaz La vélocité du gaz est plus élevée au niveau de l axe du tube 17
Résistances des voies aériennes Flux turbulent : se développe quand le nombre de Reynolds est > 2000 Re = ρud η ρ: densité; u; vélocité; D: diamètre Le flux devient turbulent quand u est élevée et quand D est grand La chute de pression est proportionnelle au carré du débit: ΔP = K V& 2 Importance de la densité du gaz Gaz moins dense (ex.: He) moins de chute de pression 18
Résistances des voies aériennes En réalité, dans la plus grande partie de l arbre bronchique le flux est transitionnel Le flux n est réellement laminaire que dans les petites bronches périphériques où Re est très petit Le flllux est franchement turbulent dans la trachée et les grosses bronches Pour un flux transitionnel (approximation pour l ensemble de l arbre bronchique): et ΔP = K1 V& + K 2 V& Raw = K1+ K 2 V& 2 ΔP ΔP = K V& 2 19
Site principal de la résistance des voies aériennes Le siège principal de la résistance se situe dans les bronches de moyenne dimension L essentiel de la chute de pression se situe dans les 7 premières générations : 40% des résistances totales Les petites bronchioles contribuent peu à la résistance globale (Générations 7 à 23): < 2mm 10 % zone silencieuse 20
Site principal de la résistance des voies aériennes Noter que la résistance des voies aériennes supraglottiques + nasales est égale à la résistance de tout l arbre bronchique! 21
Facteurs déterminants la résistance des voies aériennes La résistance des voies aériennes (Raw) augmente au fur et à mesure que le volume pulmonaire diminue diamètre avec la progressive de la pression transmurale au cours de l expiration des forces de traction élastique exercées par les septa alvéolaires sur les parois des petites bronchioles (bronches non-cartilagineuses) Cette relation existe toujours chez le sujet emphysémateux, bien que la Raw soit plus élevée pour un même volume 22
Facteurs déterminants la résistance des voies aériennes A très bas volume pulmonaire, les petites voies aériennes distales peuvent se fermer complètement, en particulier à la base du poumon VR Les patients qui ont une résistance des voies aériennes élevées, ventilent souvent à haut volume pulmonaire, ce qui les aide à réduire leur résistance bronchique CRF 23
Rôle du volume pulmonaire La Conductance (Gaw =1/Raw) croit linéairement avec le volume pulmonaire Il est donc important de tenir compte du volume pulmonaire dans la mesure de Raw : Raw spécifique = Raw x CRF Conductance spécifique = Gaw/CRF 24
Rôle du muscle lisse bronchique La contraction du muscle lisse bronchique rétrécit la lumière bronchique et augmente à lrésistance Innervation par le SNA (nerf vague) 25
Rôle du muscle lisse bronchique Constriction en réponse à : Stimulation parasympathique : récepteurs muscariniques : constriction (acétylcholine) Histamine, leukotriènes, Thromboxane A2, Sérotonine, agonistes α- adrénérgiques, PCO2 dans la lumière des petites bronches 26
Rôle du muscle lisse bronchique Dilatation en réponse à : Stimulation SNS: récepteurs β2 : relaxation dilatation (adrénaline) Oxyde nitrique : NO produit par l épithélium bronchique PCO2 dans la lumière des petites bronches PO2 dans la lumière des petites bronches 27
Exemple de pathologie Asthme Constriction et obstruction de la lumière bronchique Raw 28
Mesure de la résistance des voies aériennes Principe: R = ΔP / V (flux laminaire) PNT Pao Ppl Palv Voies aériennes: P1 = Pbuccale P2 = Palv Débit mesuré à la bouche par un pneumotachographe Palv ne peut pas être mesuré directement Dans des conditions dynamiques (pendant la respiration) Palv est différente de P buccale (Pao) 29
Mesure de la résistance des voies aériennes Inspiration: Pb Vb PNT Pao Principe: Raw = (Palv-Pao) / V Palv est mesurée par pléthysmographie corporelle Boite de volume connu: Vb Pb est proportionnelle à Palv Pb = k Palv Palv NB: cette mesure inclue les résistances des voies aériennes supraglottiques + bouche 30
Résistances pulmonaires Principe: Rp = P TP / V Poe Ppl Rp = (Ppl-Pao) / V Pao Ppl Palv Ppl est estimée par un cathéter oesophagien Rp > Raw Il existe des éléments résistifs dans le tissu pulmonaire Frottement des fibres / structures visqueuses Forces "visqueuses" des tissus 31
Travail ventilatoire Travail = F x D = Pression x Volume pour le système respiratoire Travail nécessaire pour vaincre les forces élastiques Travail nécessaire pour surmonter les résistances des voies aériennes + résistances tissulaires (travail visqueux) 32
Travail ventilatoire L augmentation de la fréquence respiratoire augmente le travail ventilatoire L augmentation du volume déplacé pendant chaque cycle respiratoire (volume courant) augmente le travail ventilatoire élastique 33
Travail ventilatoire L augmentation de la résistance des voies aériennes augmente le travail "visqueux" Ex: trouble obstructif La diminution de la compliance pulmonaire ou thoracique augmente le travail ventilatoire élastique Ex: fibrose interstitielle 34
Références bibliographiques 1. West JB, Physiologie Respiratoire. 4 ième Ed. Pradel 1995. 2. Levitzky MG, Pulmonary Physiology 7th Ed. Lange 2003. 3. Guyton AC, Textbook of Medical Physiology 8th Ed. Philadelphia: W.B. Saunders, 1991. 4. Marieb E.N. Anatomie et Physiologie Humaines. 6 e Ed. 2005; Pearson Education France. 5. http://www.courseweb.uottawa.ca/medicinehistology/english/cardiovascular/histologybloodvessels.h tm 35