Mécanique ventilatoire

Plan du cours Introduction à la Physiologie Respiratoire Anatomie fonctionnelle de l appareil respiratoire Mécanique ventilatoire Ventilation alvéolaire Ventilation pulmonaire Circulation pulmonaire Echanges gazeux alvéolo-capillaires Transport des gaz dans le sang Contrôle de la respiration Fonctions non ventilatoires Conclusions générales

Ventilation pulmonaire But = apporter de l O 2 dans les alvéoles; éliminer le CO 2 des alvéoles 2 Inspiration/Expiration i = cycle respiratoire i Volume x fréquence = Ventilation Minute

Mécanique ventilatoire: Plan Volumes pulmonaires Production du débit aérien Lois physiques Cycle respiratoire Propriétés mécaniques thoraco-pulmonaires Propriétés élastiques (statiques) Propriétés résistives (dynamiques)

Volumes pulmonaires Respiration calme: Mouvements périodiques, réguliers Inspiration Augmentation de tous les diamètres thoraciques Déplacement antérieur de la paroi abdominale Expiration Retour à la position de base Mobilisation d un volume gazeux à chaque cycle ventilation minute Sternum THORAX Diaphragme ABDOMEN

Volumes pulmonaires L amplitude des mouvements thoraciques est variable La ventilation pulmonaire ne mobilise pas la totalité t des volumes pulmonaires volumes mobilisables volume non mobilisable

Volumes pulmonaires SPIROMETRE A CLOCHE SPIROGRAMME Poulie Tambour Cloche Pince-neznez Réserve papier Eau D après référence 5 D après référence 3

Volumes pulmonaires Volume courant (VC) = volume mobilisé au cours d un cycle respiratoire V C = V T = «Tidal Volume» Adulte au repos 500 ml VC VC D après référence 3

Volumes pulmonaires Volume de réserve inspiratoire (VRI) VRI Adulte au repos 2,5 25à 3 litres D après référence 3

Volumes pulmonaires Volume de réserve expiratoire (VRE) Adulte au repos 1 litre VRE D après référence 3

Volumes pulmonaires Volume résiduel (VR) = volume pulmonaire à la fin d une dune expiration forcée Non mobilisable Mesuré de façon indirecte Adulte normal 1 litre VR D après référence 3

Volumes pulmonaires Volume résiduel RP normale en fin d expiration forcée

Volumes pulmonaires Capacité vitale (CV) = totalité des volumes mobilisables bl CV = VRE + VC + VRI CV Adulte normal 4à 4,5 litres D après référence 3

Volumes pulmonaires Capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) = volume pulmonaire en fin d expiration normale = volume pulmonaire «de repos» CRF = VR + VRE Mesurée de façon indirecte Adulte normal 2 litres CRF D après référence 3

Volumes pulmonaires Capacité pulmonaire totale (CPT)= somme de tous les volumes pulmonaires CPT = VR+VRE+VC VRE + VC +VRI = CV + VR CPT Adulte normal 5 litres D après référence 3

Volumes pulmonaires Volumes mobilisables Faciles à mesurer Volumes et capacités non mobilisables: Mesure du volume gazeux intrathoracique th i total à la CRF ou à la CPT Soustraction du VRE ou de la CV VR

Volumes pulmonaires Valeurs des volumes et capacité pulmonaires variables en fonction de âge sexe taille origine ethnique volumes exprimés en % théorique Une mesure correcte des volumes pulmonaires nécessite la coopération du sujet

Mécanique ventilatoire: Plan Volumes et capacités pulmonaires Production du débit aérien Lois physiques Cycle respiratoire Propriétés mécaniques thoraco-pulmonaires Propriétés élastiques (statiques) Propriétés résistives (dynamiques)

Mécanique ventilatoire Contraction musculaire? inspiratoire Volume x FR Ventilation Minute

Mécanique ventilatoire Contraction musculaire inspiratoire P alvéolaire V T x FR Ventilation Minute

Production du débit aérien L air entre et sort des alvéoles de manière passive, en réponse à des gradients de pression L air se déplace d une zone de haute pression vers une zone de basse pression Unité internationale de pression = Pascal 1kPa = 7, 45 mmhg 1 mmhg = 0,133 kpa

Production du débit aérien La pression atmosphérique (barométrique) «constante»: 760 mmhg = 101,3 kpa pression de référence (P atm = 0) Abréviations usuelles: P atm, P B La pression alvéolaire varie au cours du cycle respiratoire sous l effet des variations de volume pulmonaire P alv, P A

Production du débit aérien gaz volume induit pression volume induit pression Loi de Boyle-Mariotte: à température constante et dans un espace y p p clos, P est inversement proportionnel à V

Production du débit aérien Poumon volume pulmonaire induit pression alvéolaire volume pulmonaire induit pression alvéolaire

Production du débit aérien Débit dans le sens du gradient de pression Palv < Patm Palv = Patm Palv > Patm volume pulmonaire induit pression alvéolaire INSPIRATION CRF REPOS volume pulmonaire induit pression alvéolaire EXPIRATION

Production du débit aérien Contraction musculaire inspiratoire Expansion de la cage thoracique P alvéolaire Débit aérien P PL V T Expansion du poumon x FR Ventilation Minute

Le cycle respiratoire INSP EXP Volume pulmonaire (l) Pression pleurale (cmh 2 O) Débit aérien (l/min) Pression alvéolaire (cmh 2 O) Activation du diaphragme D après référence 6

INSPIRATION Contraction ti des muscles inspiratoires i i Inspiration Expansion thoracique Pression pleurale Expansion pulmonaire Palv Palv < Patm Débit aérien vers les alvéoles D après référence 6

Expiration EXPIRATION Relaxation des muscles inspiratoires Diminution du volume thoracique P PL se normalise Diminution du volume pulmonaire Palv Palv > Patm D après référence 6 Débit aérien vers l extérieur

Mécanique ventilatoire: Plan Volumes et capacités pulmonaires Production du débit aérien Lois physiques Cycle respiratoire Propriétés mécaniques thoraco-pulmonaires Propriétés élastiques (statiques) Propriétés résistives (dynamiques)

Mécanique ventilatoire Contraction musculaire inspiratoire P alvéolaire Forces de rétraction élastique V T Résistance au passage de l air Frottements tissulaires x FR Ventilation Minute

Propriétés mécaniques Propriétés élastiques Propriétés élastiques thoraco-pulmonaires Généralitésé Elasticité thoracique Elasticité pulmonaire Compliance thoraco-pulmonaire Mesure Analyse Propriétés résistives

Propriétés élastiques thoracopulmonaires Poumon et cage thoracique = structures élastiques Etirement ou compression d une structure élastique pression qui tend à ramener la structure t à l état t initial iti

Propriétés élastiques thoracopulmonaires Dans une structure élastique : le volume est directement proportionnel à la différence de pression de part et d autre de la paroi P = pression transmurale rale (P TM ) = pression de distension pariétale

Propriétés élastiques thoracopulmonaires Volume V proportionnel à P de part et d autre de la paroi = pression transmurale (P TM ) Par convention P TM =P INT P EXT V P INT P TM P EXT

Propriétés élastiques thoracopulmonaires A chaque volume V P TM s oppose à la pression de rétraction élastique (P EL ) V P INT P TM P EXT si P TM = P EL, équilibre si P TM > P EL,V si P TM < P EL, V P EL

Propriétés élastiques thoracopulmonaires Structure élastique caractérisée par la courbe P TM /V Volume Instabilité Limite élastique Pente = V/ P P = compliance Volume de relaxation Pression transmurale Pente de la courbe = compliance distensibilité de la structure

Propriétés élastiques thoracopulmonaires 0 cmh 2 O 0 cmh 2 O 0 cmh 2 O 0cmH 2 O -5 cmh 2 O CRF espace pleural

Propriétés élastiques thoracopulmonaires Pneumothorax droit Après pose d un drain

Propriétés élastiques thoracopulmonaires Elasticité de la cage thoracique: facteurs anatomiques Elasticité du poumon: facteurs histologiques facteur physicochimique

Propriétés élastiques thoracopulmonaires Propriétés élastiques de la cage thoracique facteurs anatomiques squelette ostéo- cartilagineux muscles ligaments D après référence 2

Propriétés élastiques du poumon Propriétés élastiques du poumon Facteurs histologiques Fibres élastiques et collagène de l interstitium et de l arbre bronchique Structure alvéolaire/contenu liquidien forces élastiques du tissu pulmonaire ( 50%)

Propriétés élastiques du poumon Propriétés élastiques du poumon Facteur physicochimique forces élastiques dues à la tension q superficielle ( 50%)

Propriétés élastiques du poumon Air Dans un liquide les molécules (A) sont soumises à des forces d attraction qui s annulent A l interface air/liquide les molécules (B) sont attirées préférentiellement les unes vers les autres vers l intérieur B B B B A A A A A A A A Liquide

Propriétés élastiques du poumon Interface air/liquide se rétracte pour atteindre une surface minimum AIR LIQUIDE Tension superficielle (T, dyn/cm) = force superficielle de contraction d'un dun liquide grâce à laquelle la surface air/liquide tend à être la plus réduite possible

Propriétés élastiques du poumon «Liquide» dair Air d Alvéoles Surface alvéolaire des pneumocytes recouverte d un mince film aqueux en contact t avec le gaz alvéolaire l interface air/liquide Tension superficielle alvéolaire élevée

Propriétés élastiques du poumon Tension superficielle d une sphère effet net de la tension superficielle T sur la paroi collapsus de la sphère T P Rayon r, Pression de distension P Equilibre atteint t lorsque: (loi de Laplace) P 2T r

Propriétés élastiques du poumon Ajout d un agent tensio-actif à l interface air/liquide tension superficielle force de rétraction de la surface Dans les alvéoles, agent tensio-actif = surfactant = Lipoprotéine complexe Phospholipides (DiPalmitoyl PhosphatidylCholine, DPPC) Apoprotéines Ions calcium

Propriétés élastiques du poumon Air MA Sécrétion Phase aqueuse parlespnii à partir d acides gras extraits du sang capillaire RE G MT PN I Demi-vie courte: phagocytose par macrophages alvéolaires et PN de type II passage vers capillaires PN II Interstitium Membrane basale D après référence 5

Propriétés élastiques du poumon Rôles physiologiques : le surfactant diminue la tension superficielle alvéolaire donc augmente la compliance pulmonaire ( volume/ pression) stabilise les alvéoles de taille différentes diminue la quantité de liquide filtré hors des capillaires et rend la surface alvéolaire imperméable aux protéines

Propriétés mécaniques Propriétés élastiques Propriétés élastiques thoraco-pulmonaires Généralitésé Elasticité thoracique Elasticité pulmonaire Compliance thoraco-pulmonaire Mesure Analyse Propriétés résistives

Propriétés élastiques thoraco-pulmonaires Système respiratoire P TM Volume impliqué volume pulmonaire V P INT P EXT Pressions impliquées pression atmosphérique (P atm ) pression alvéolaire (P alv) pression pleurale (P pl ) P EL

Propriétés élastiques thoracopulmonaires P atm =0 Pression transpulmonaire = P alv -P pl = +5 cmh2o P alv = 0 P pl = -5 cmh 2 O Pression transthoraco-tpulmonaire = P alv -P atm = 0 Pression transthoracique = P pl -P atm = -5 cmh2o CRF: Pression transmurale du système thoraco-pulmonaire = 0

Propriétés élastiques thoracopulmonaires Système respiratoire Volume pulmonaire Spirométrie Pressions pression atmosphérique Baromètre pression alvéolaire P buccale au cours d une apnée pression pleurale P œsophagienne

Variations de pression pleurale variations de pression intra-œsophagienne P ES ~P PL Propriétés élastiques thoracopulmonaires I E Tracé de pression œsophagienne au cours d une respiration calme à l éveil Cathéter de pression œsophagienne

Propriétés élastiques thoraco-pulmonaires Pression atmosphérique Pression «pleurale» Cathéter œsophagien Pression alvéolaire = Pression buccale Volume pulmonaire Variations du volume pulmonaire par paliers, du VR à la CPT A chaque palier, courte apnée ( P BO = P alv ) D après référence 5

Propriétés élastiques thoraco-pulmonaires CPT 100 V 50 me pulm monaire (% CPT T) Spirogramme P CRF VR 0 25 0 Volu Pression transpulmonaire (cmh 2 O)

Relation pression/volume dans le système thoraco-pulmonaire A chaque palier de volume, on connaît : V, Ppl, Palv on calcule la courbe pression-volume du poumon (P) du thorax (T) du système (P+T) P transthoracique Ppl-Patm P transthoracopulmonaire Palv-Patm P transpulmonaire Palv-Ppl

Relation pression/volume dans le système thoraco-pulmonaire Compliance pulmonaire C pulm = 200 ml/cmh 2 O pulm 2 augmentée ou diminuée dans plusieurs pathologies respiratoires P transpulmonaire Palv-Ppl D après référence 3

Relation pression/volume dans le système thoraco-pulmonaire Compliance pulmonaire en pathologie 1. Sujet normal: 200 ml/cmh 2 O (2,5 cmh 2 O pour mobiliser un V T de 500 ml) 2. Sujet atteint d un emphyséme: 300 ml/cmh 2 O (1,7 cmh 2 O pour mobiliser un V T de 500 ml) 3. Sujet atteint d une fibrose pulmonaire sévère: 10 ml/cmh 2 O p 2 CPT Volum me pulmon naire (% CV V) VR Emphysème 2 1 Normal 3 Fibrose ++ (50 cmh 2 O pour mobiliser un V T de 500 ml) Pression (cmh 2 O) D après référence 6

Relation pression/volume dans le système thoraco-pulmonaire Compliance thoracique C thor = 200 ml/cmh 2 O diminuée dans plusieurs pathologies (cypho-scoliose, atteinte t des muscles respiratoires, obésité, etc...) P transthoracique Ppl-Patm D après référence 3

Relation pression/volume dans le système thoraco-pulmonaire Compliance thoracopulmonaire volume de relaxation du système thoraco-pulmonaire = CRF 1/C TOT = 1/C PULM + 1/C THOR CRF C TOT = 100 ml/cmh 2 O affectée par modification de chacune des courbes P trans-thoraco-pulmonaire (cmh O) 2 Pt th l i ( H O) Palv-Patm

Propriétés élastiques thoraco-pulmonaires Elasticité ité thoraco-pulmonaire et ventilation pulmonaire Pour une activité musculaire ( P) donnée V obtenu (= V T ) sera d autant plus grande que la compliance sera élevée Pour un V T ( V) donné l activité musculaire sera d autant plus importante que la compliance sera basse

Propriétés mécaniques Propriétés élastiques Propriétés résistives Résistances pulmonaires Principes physiques Mesure Contrôle Evaluation des résistances en clinique

Mécanique ventilatoire Contraction musculaire inspiratoire P alvéolaire Forces de rétraction élastique V T Résistance au passage de l air Frottements tissulaires x FR Ventilation Minute

Propriétés résistives du système respiratoire i En plus de l élasticité thoraco-pulmonaire, l activité des muscles respiratoires doit vaincre la résistance du système au passage de l air. Résistances des voies aériennes ( 80%): résistance à l écoulement des molécules Résistances tissulaires ( 20%): frottements du tissu Résistances tissulaires ( 20%): frottements du tissu pulmonaire

Résistances pulmonaires Ecoulement d un fluide dans un système de conduction Pression gradient de pression (P alv -P atm ) débit aérien Débit quantité d air qui circule dans les VA/unité de temps Résistance difficulté à laquelle l air se heurte pour circuler entre 2 points des VA sous l action d une P donnée

Résistances pulmonaires Ecoulement d un fluide Laminaire Turbulent Débit ~ P/R Débit 2 ~ P/R Transitionel D après référence 6

Résistances pulmonaires Ecoulement laminaire en périphérie (bronchioles terminales) Ecoulement transitionnel dans la majorité de l arbre bronchique Ecoulement turbulent vrai dans la trachée, surtout à l exercice

Résistances pulmonaires Ecoulement aérien en physiologie respiratoire Modélisation écoulement transitionnel P R 2 1 V R2 V Détection des modifications pathologiques approximation à un écoulement laminaire P R1 V

Résistances pulmonaires Fluide viscosité conduit de longueur l rayon r P1 V. V P2 En écoulement laminaire. P V P R R 8 l 4 r * Loi de Poiseuille

Résistances pulmonaires Résistances pulmonaires totales résistance due à l écoulement de l air lair dans les VA (80%) + résistances dues au tissu pulmonaire (20%) des voies aériennes totalest résistance due à l écoulement de l air dans les VA des voies aériennes supérieures (= supraglottique) résistance due à l écoulement de l air dans les VAS possibilité de mesurer cette R à différents niveaux

Résistances pulmonaires Pi Principe i de la mesure on suppose l écoulement laminaire P alv P SG P BO on mesure le débit et les variations de pression Débit on calcule la résistance: R P P V P pl

Résistances pulmonaires Calcul l des résistances éit pulmonaires totales RPT P pl P. V BO P alv P SG P BO Nécessite la mesure de la pression œsophagienne, de la pression buccale et du débit P pl Débit

Résistances pulmonaires Calcul de la résistance des voies aériennes P alv P SG P P BO RVA Palv. V P BO Débit Nécessite la mesure de la pression alvéolaire, de la pression buccale et du débit P pl

Résistances pulmonaires Calcul de la résistance des P VAS ou supraglottique P alv P SG P P BO R SG P SG. V P BO Nécessite la mesure de la pression pharyngée, de la pression buccale et du débit P pl Débit

Résistances pulmonaires Le calcul l des résistances nécessite donc des mesures qui sont peu aisées en routine: Pression pharyngée Pression oesophagienne Pression alvéolaire Il n est pas réalisé pour des explorations fonctionnelles simples.

Résistances pulmonaires En respiration nasale VA extra-thoraciques thoraciques (nez +++) 50% Trachée et grosses bronches 40% G 7 à G 23 10% D après référence 4

Résistances pulmonaires Les voies aériennes dont le diamètre est inférieur à 2 mm ne contribuent que 10% à la R VA La diminution du calibre est compensée par l augmentation ++ de la surface de section totale le faible débit aérien VA de gros calibre: on estime que les résistances sont en série donc Rtot = R1 + R2+ VA de petit calibre: on estime que les résistances sont en parallèle donc 1/R tot = 1/R 1 + 1/R 2 +

Résistances pulmonaires Résultats t normaux On calcule: R inspiratoire, expiratoire ou moyenne Mesures autour de la CRF car R varie avec V pulm RPT au cours de la respiration calme à l éveil 2 cmh 2 0/l/s R VA au cours de la respiration calme à l éveil 1,6 cmh 2 0/l/s Au repos, chez le sujet éveillé, résistance faible au passage de l air

Résistances pulmonaires La résistance des voies aériennes est liée au contrôle du calibre (R proportionnelle à 1/r 4 ) pharyngé pour les VAS bronchique et bronchiolaire pour les VAI à des mécanismes passifs / actifs réversibles / irréversibles stables / cycliques

Résistances pulmonaires Calibre des VA Supérieures sous le contrôle de Facteurs mécaniques Pression transpulmonaire Gravité Interaction des groupes musculaires pharyngés Facteurs nerveux Réflexes (dilatateur du pharynx, nauséeux) Activité des nerfs moteurs des muscles pharyngés P tissus Facteurs anatomiques Rétrécissement du calibre pharyngé P VAS P mus

Surface de section pharyngée d un sujet normal sous forte sédation avant après stimulation électrique du génioglosse (langue) D après Oliven et al, Respir Physiol, 2001

Résistances pulmonaires Calibre des VA Inférieures sous contrôle de Facteurs mécaniques Traction latérale par le tissu conjonctif Muscle lisse P pl R CPT < R CRF R Apex < R Base R INSP < R EXP P VAI Facteurs nerveux et chimiques SN sympathique: bronchodilatation SN parasympathique: bronchoconstriction Leucotriènes, histamine, irritants (SO 2, poussières, fumées ) Facteurs anatomiques Obstruction de la lumière bronchique

Résistances pulmonaires D après référence 7 Avant Après stimulation parasympathique: bronchoconstriction

Propriétés mécaniques Propriétés élastiques Propriétés résistives Résistances pulmonaires Principes physiques Mesure Contrôle Evaluation des résistances en clinique

Relation débit/volume De nombreuses affections retentissent ti t sur la résistance des VA Si les P sont constantes, R VA et V sont inversement proportionnelles En routine, on mesure plus facilement le débit que les résistances Analyse de la courbe débit-volume mesure indirecte de la résistance

Relation débit/volume Courbes débit-volume = mesure du débit à différents volumes pulmonaires pendant l inspiration i et l expiration Courbe d expiration forcée spirographique Courbe débit-volume pneumotachographique

Relation débit/volume Courbe débit-volume Sujet connecté à un spiromètre, respiration buccale Respiration calme Débit Inspiration maximale = «inspiration forcée» Expiration Expiration maximale = «expiration forcée» Inspiration VR Volume On mesure les débits CV D après référence 3

Relation débit/volume Courbe débit-volume On observe la forme des courbes d inspiration et d expiration forcées On mesure le débit: de pointe (DEP, DP) à 75% de la CV à 50 et 25% de la CV CV VA extra thoraciques D après référence 3

Mécanique ventilatoire : Conclusions Ventilation pulmonaire Mécanique ventilatoire Cycle respiratoire Relation entre activité musculaire et élasticité thoraco-pulmonaire et résistance thoraco-pulmonaire Ventilation alvéolaire

Physiologie respiratoire : Références iconographiques LIVRES n référence titre de l'ouvrage auteur éditeur année 1 manuel d'anatomie et de physiologie SH N'Guyen Lamarre 1999 2 atlas d'anatomie humaine FH Netter Maloine 1997 3 l'essentiel en physiologie respiratoire Ch Préfaut Sauramps Médical 1986 4 précis de physiolgie médicale AC Guyton Piccin 1991 5 pulmonary physiology MG Lewitsky McGrawHill 2003 6 pulmonary physiology and pathophysiology JB West Lippincott Williams & Wilkins 2001 7 physiologie de la respiration JH Comroe Masson 1978 SITES WEB n référence url date dernièrevisite web1 http://depts.washington.edu/envh/lung.html 15 10 2009 web2 http://www.meddean.luc.edu/lumen/meded/histo/frames/h_fram15.html 15 10 2009 web3 http://casweb.cas.ou.edu/pbell/histology/outline/lung.html edu/pbell/histology/outline/lung html 15 10 2009 web4 http://w3.ouhsc.edu/histology/ 15 10 2009

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