Rapport ventilation-perfusion "Comment la correspondance entre ventilation et perfusion régionale détermine les échanges gazeux" L2 - UE Respiratoire Sam Bayat
Objectifs Définir le rapport ventilation-perfusion Distribution du rapport ventilation-perfusion dans le poumon normal en position verticale Décrire les méthodes utilisées pour évaluer le rapport ventilationperfusion Comprendre les conséquences des inégalités du rapport ventilationperfusion sur les échanges gazeux globaux : Notion de shunt physiologique Espace mort physiologique (cf.: ventilation alvéolaire) Équation de l air alvéolaire (cf.: ventilation alvéolaire)
Plan Distribution régionale de la ventilation Distribution régionale du débit sanguin Rapport Ventilation/Perfusion (V A /Q): définition Distribution du rapport V A /Q Rapport V A /Q et échanges gazeux pulmonaires Mesure de la distribution des rapports V A /Q distribution de la ventilation distribution de la Perfusion distribution des rapports V A /Q
Le rapport ventilation/perfusion La ventilation alvéolaire totale 4 à 6 l/min V A = 5 l/min Le débit sanguin pulmonaire est très similaire Donc: rapport de V/Q global 0.8 à 1.2 Mais: importance du "rapport V/Q régional" Q = 5 l/min
Le rapport ventilation/perfusion Importance du "rapport V A /Q régional" Si toute la VA était distribuée au poumon D, et tout le débit au poumon G, le rapport global serait toujours = 1, mais les échanges gazeux ne pourraient pas avoir lieu V A = 5 l/min V A /Q = V A /Q = 0 Le rapport VA/Q détermine directement les échanges gazeux entre l alvéole et les sang capillaire pulmonaire Q = 5 l/min
La distribution régionale de la ventilation est inégale Compteurs De Radioactivité Ventilation / Unité de Volume Zone Inf. Zone médiane Zone Sup. La ventilation alvéolaire (V A ) n est pas égale dans tout le poumon V A augmente du sommet aux bases du poumon Mise en évidence par scintigraphie de ventilation au 133 Xe West JB Chest 1978;74;426-437
La distribution régionale de la ventilation est inégale P pl Pression intrapleurale P pl Ces différences sont attribuées à l effet de la gravité sur la P pl La gravité n est pas la seule cause car: Les différences régionale de V A persistent en microgravité Les images tomographiques de la distribution de la ventilation montrent de différences régionales indépendantes de la gravtié West JB Chest 1978;74;426-437
La distribution régionale de la ventilation est inégale 0 G 2 G Hopkins SR. J Appl Physiol 103(1): 240 248. 2007 Les effets de la gravité sur le tissu pulmonaire sont illustré par le comportement d un slinky : À 2 G, les parties dépendantes du ressort sont moins étirées; plus compliantes Plus grande compliance des alvéoles dépendantes vs. nondépendantes = plus de ventilation dans les zones dépendantes
La distribution régionale de la perfusion est inégale Scintigraphie de perfusion Injection veineuse d un traceur radioactif inerte et peu soluble ( 133 Xe) La perfusion augmente du sommet vers les bases Base Sommet
La distribution régionale de la perfusion est inégale Effets de la gravité sur la distribution du débit sanguin Mécanismes: recrutement & distension vasculaire attribué à P hydrostatique du sommet base Modifié par la posture et par l exercice En décubitus, les différences entre les zones dépendantes et non dépendantes sont maintenues Recrutement Distension
.. Résumé: différences régionales de V et de Q Ventilation Ppl Volume Compliance Ventilation alvéolaire Perfusion P hydrostatique R Perfusion Ppl Volume Compliance Ventilation alvéolaire P hydrostatique R Perfusion
Distribution du rapport ventilation/perfusion V A et Q diminuent toutes deux du sommet à la base du poumon en position verticale La V A croît lentement en allant du sommet vers la base La Q croît rapidement en allant du sommet vers la base
Distribution du rapport ventilation/perfusion Ventilation Ou Perfusion Rapport V A /Q (ml/min/100 ml) Le rapport VA/Q est 1 à la partie médiane du poumon V A /Q est s élève en allant vers le sommet du poumon : mieux ventilé que perfusé V A /Q est diminue en allant vers la base du poumon : mieux perfusé que ventilé
Rapport V A /Q et échanges gazeux pulmonaires O 2 = 150 mmhg CO 2 = 0 Rapport V/Q normal 0.8 1.2 La concentration d O 2 et de CO 2 dans chaque alvéole est déterminé à tout moment par: L apport d O 2 frais et l évacuation de CO 2 par la VA L apport de CO 2 et le prélèvement d O 2 par la perfusion capillaire Les modifications du rapport V A /Q ont un impact direct sur les échanges gazeux au niveau alvéolaire
Rapport V/Q et échanges gazeux pulmonaires O 2 = 150 mmhg CO 2 = 0 O 2 = 40 CO 2 = 45 V/Q = 0 Rapport V/Q normal 0.8 1.2 Si la ventilation alvéolaire diminue alors: P A CO 2 et PAO 2 Lorsque la V A est complètement abolie: V A /Q = 0 P A O 2 et P A CO 2 de l air alvéolaire s équilibrent avec le sang veineux mêlé
Rapport V/Q et échanges gazeux pulmonaires O 2 = 150 mmhg CO 2 = 0 O 2 = 40 CO 2 = 45 V/Q = 0 Rapport V/Q normal 0.8 1.2 Avec le temps ces alvéoles se collabent: atélectasie Le sang veineux mêlé pauvre en O2 rejoint le sang veineux pulmonaire puis le sang artériel Ce phénomène crée un "shunt" : comme si le sang veineux mêlé courtcircuitait l alvéole et rejoignait le sang artériel Les alvéoles mal ventilées ( V/Q) produisent un effet similaire: "effet shunt"
Rapport V/Q et échanges gazeux pulmonaires O 2 = 150 mmhg CO 2 = 0 Rapport V/Q normal 0.8 1.2 V/Q = En absence de perfusion, l air alvéolaire reste riche en O 2 et pauvre en CO 2 (effet espace mort) cf.: chapitre ventilation alvéolaire Lorsque la perfusion est complètement abolie: V A /Q = P A O 2 et P A CO 2 de l air alvéolaire identique à l air inspiré
Rapport V/Q et échanges gazeux pulmonaires Sang veineux mêlé Air inspiré Le diagramme O 2 - CO 2 de l air alvéolaire permet de décrire la relation entre V A /Q et la composition du gaz alvéolaire Alvéole normale: V A /Q 1; PAO 2 = 100; P A CO 2 =40 mmhg Les changements de V A /Q entraînent des modifications de la composition du gaz alvéolaire qui suivent la courbe allant de l air inspiré (V A /Q= ) au sang veineux mêlé (V A /Q=0)
Rapport V/Q et échanges gazeux régionaux Normal Les différences du rapport V A /Q du sommet à la base du poumon entraînent des différences régionales de la composition du gaz alvéolaire PAO 2 = plus élevée dans les alvéoles et le sang capillaire du sommet (V A /Q élevé) Mais le sommet contribue peu à la captation de l O 2 à cause de la faible perfusion La base contribue relativement plus aux échanges gazeux malgré un V A /Q plus bas, car sa perfusion est plus importante
Causes d une distribution inégale de la V A Deux types de mécanisme: Inégalités régionales de la résistance des voies aériennes (Raw) Inégalités régionales de la compliance pulmonaire (C L ) Inégalités régionales de Raw : Bronchoconstriction (asthme) Oblitération par le mucus (asthme, bronchite chronique) Rétrécissement par inflammation, remodelage Compression dynamique et fermeture (emphysème) Inégalités régionales de C L : Fibrose Œdème Déficit en surfactant (naissance prématurée) Pneumothorax Tumeur
Mesure de la distribution des rapports V A /Q La distribution de la ventilation peut être évaluée par: Scintigraphie de ventilation: 133 Xe, 99 Tc-DTPA Test de rinçage à l azote La distribution de la perfusion peut être évaluée par: Scintigraphie de perfusion: 133 Xe, 99 Tc-MAA Angiographie pulmonaire La distribution du rapport V A /Q peut être évaluée par: Scintigraphie de ventilation / perfusion Injection et élimination de gaz inertes multiples (MIGET) Shunt physiologique Espace mort physiologique Gradient alvéolo-artériel de PO 2
Mesure de la distribution de V A Concentration N 2 (%) Nombre de cycles respiratoires Test de rinçage de l O 2 par l azote Sujet respire de l O 2 pur en continu La [N 2 ] est mesurée avec un analyseur de gaz dans l air expiré La [N 2 ] diminue exponentiellement en fonction du temps (nombre de cycles respiratoires)
Mesure de la distribution de V A Log [N 2 ] (%) Nombre de cycles respiratoires Test de rinçage de l O 2 par l azote Log [N 2 ] diminue linéairement Chez le sujet normal: on ne distingue qu un seul compartiment: toutes les alvéoles se vidangent avec une allure similaire
Mesure de la distribution de V A Log [N 2 ] (%) Nombre de cycles respiratoires Test de rinçage de l O 2 par l azote En présence d une ventilation régionale hétérogène (ex: BPCO), certaines alvéoles se vident beaucoup plus lentement Ce phénomène se traduit par l apparition d une seconde pente correspondant au compartiment lent
Mesure de la distribution des rapports V A /Q La distribution de la ventilation peut être évaluée par: Scintigraphie de ventilation: 133 Xe, 99 Tc-DTPA Test de rinçage à l azote La distribution de la perfusion peut être évaluée par: Scintigraphie de perfusion: 133 Xe, 99 Tc-MAA Angiographie pulmonaire La distribution du rapport V A /Q peut être évaluée par: Scintigraphie de ventilation / perfusion Injection et élimination de gaz inertes multiples (MIGET) Shunt physiologique Espace mort physiologique Gradient alvéolo-artériel de PO 2
Shunt Shunt: sang veineux qui pénètre dans le système artériel sans être passé à travers les régions ventilées du poumon Entraîne une PaO 2 par rapport à la P A O 2 Shunt anatomique: sang veineux systémique qui rejoint le sang artériel sans être passé par le poumon Ex physiologique: Veines bronchiques veines pulmonaires Veines de Thébésius OG Shunt Shunt intrapulmonaire: sang veineux mêlé rejoignant le sang veineux pulmonaire : Après avoir traversé des alvéoles non ventilées = Shunt absolue (Shunt vraie) Après avoir traversé des alvéoles ayant un bas V A /Q = Effet shunt
Shunt Shunt physiologique = Shunt anatomique + Shunt intrapulmonaire Équation de shunt: Le débit d O 2 qui entre dans le système artériel: Shunt absolu Effet shunt Q tot x C a O 2 Q tot provient de zones avec un VA/Q normal et de zones de shunt: Q tot C a O 2 = (Q tot - Q s ) C c O 2 + Q s C v O 2 En réarrangeant: Q Q s tot = Cc Cc O2 O2 Sang capillaire: Estimé à l aide de l équation de l air alvéolaire Ca Cv O2 O2 Sang artériel Sang veineux mêlé: artère pulmonaire
Shunt Signification: Q s /Q tot (%) exprime la fraction du sang qui traverse un compartiment théorique de shunt absolu Mesure le shunt physiologique En pratique, pour connaître la part de l effet shunt du (shunt anatomique + absolu): application de l équation de shunt avec une F I O 2 à 100 % La PAO2 des alvéoles à bas VA/Q est corrigée par une FIO2 à 100 % Ceci n est pas le cas des zones de shunt absolu ou du shunt anatomique
Shunt Exemple de pathologie: la pneumonie Zones alvéolaires étendues comblées par le processus infectieux avec V A /Q = 0 (shunt absolu) Conséquence des anomalies de V A /Q: hypoxémie
Mesure de la distribution des rapports V A /Q La distribution de la ventilation peut être évaluée par: Scintigraphie de ventilation: 133 Xe, 99 Tc-DTPA Test de rinçage de l azote par l O2 La distribution de la perfusion peut être évaluée par: Scintigraphie de perfusion: 133 Xe, 99 Tc-MAA Angiographie pulmonaire La distribution du rapport V A /Q peut être évaluée par: Scintigraphie de ventilation / perfusion Injection et élimination de gaz inertes multiples (MIGET) Shunt physiologique Espace mort physiologique : équation de Bohr (cf.: ventilation alvéolaire) Gradient alvéolo-artériel de PO 2
Espace mort physiologique CO 2 dans le gaz expiré VD anatomique VD anatomique CO 2 O 2 CO 2 O 2 VD anatomique VD alvéolaire V D / V T = (P a CO 2 - P E CO 2 ) / P a CO 2 Spirométrie Prélèvement de sang artériel Analyse du gaz expiré
Espace mort physiologique VD Bohr /VT = 0.20 à 0.35 chez le sujet normal au repos Chez le sujet normal : P a CO 2 P E CO 2 VD Physiologique espace mort anatomique VD Physiologique (VD Bohr ) peut augmenter si le nombre d alvéoles mal perfusées augmente Ex de pathologie: embolie pulmonaire
Chez le sujet normal : Espace mort physiologique P a CO 2 P E CO 2 VD Physiologique espace mort anatomique VD Physiologique (VD Bohr ) peut augmenter si le nombre d alvéoles mal perfusées augmente Ex de pathologie: embolie pulmonaire Signification: V D alvéolaire (P a CO 2 - P E CO 2 ) gradient de CO 2!
Mesure de la distribution des rapports V A /Q La distribution de la ventilation peut être évaluée par: Scintigraphie de ventilation: 133 Xe, 99 Tc-DTPA Test de rinçage de l azote La distribution de la perfusion peut être évaluée par: Scintigraphie de perfusion: 133 Xe, 99 Tc-MAA Angiographie pulmonaire La distribution du rapport V A /Q peut être évaluée par: Scintigraphie de ventilation / perfusion Injection et élimination de gaz inertes multiples (MIGET) Shunt physiologique Espace mort physiologique : équation de Bohr (cf.: ventilation alvéolaire) Gradient alvéolo-artériel de PO 2
Gradient alvéolo-artériel de PO 2 La P a O 2 est physiologiquement légèrement inférieure à la P A O 2 Causes: Zones où la diffusion est incomplète Shunt anatomique Différences physiologiques de rapport VA/Q (effet shunt)
Gradient alvéolo-artériel de PO 2 P A O = FI O ( PB PH O ) 2 2 2 P a CO R 2 P a O 2 et PaCO2 : prélèvement de sang artériel Le gradient (P A O 2 - P a O 2 ) est normalement 5 à 15 mmhg Augmente avec l âge Il est calculé à l aide de l équation de l air alvéolaire
Gradient alvéolo-artériel de PO 2 P A O = FI O ( PB PH O ) 2 2 2 P a CO R 2 P a O 2 et PaCO2 : prélèvement de sang artériel Un gradient P(A a)o 2 > 20 mmhg avec une F I O 2 à 21 % indique: Anomalies V A /Q Ex: shunt droit gauche (anatomique ou intrapulmonaire) Trouble de la diffusion P(A a)o 2 est normale dans l hypoventilation alvéolaire pure