Appareil cardiovasculaire

Appareil cardiovasculaire - Physiologie
31 janvier 2012
La fonction vasculaire
I. Introduction
a) Finalité de la circulation
Les divers secteurs de l'organisme échangent par
diffusion:
- Chaleur
- Gaz (O2 et CO2)
- Substances nutritives
- Déchets
- Hormones
- Informations immunitaires
Le transport des solutés par diffusion est limité par sa vitesse.
La circulation est un transport des solutés par convection.
b) Organisation du système vasculaire
Les circulations pulmonaire (cœur droit) et systémique (cœur gauche) sont disposées "en série".
Il est donc nécessaire que les débits du cœur droit et gauche soient égaux en moyenne.
La disposition est en série et en parallèle dans un circuit électrique
Typeur : Camille Codron // Correcteur : Pierre-Edouard Debureaux
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Il faut noter la pression dans les compartiments de la circulation artérielle et veineuse
La pression du sang est habituellement mesurée en mmHg
Pression 1mmHg = 1,36cmH2O
La plupart des organes sont disposés en parallèle sur le circuit vasculaire.
Le foie constitue une exception, il est placé en série sur la circulation veineuse et reçoit également du sang
artériel.
On a une conséquence majeure de cette organisation pour la répartition des résistances à l’écoulement.
En effet les résistances en série et en parallèle: analogie du circuit électrique
Noter l’effet de la disposition sur la résistance totale (RT)
En série
En parallèle
Exemple: une artère et ses deux branches. Quelle est la résistance totale à l’entrée de l’artère parente?
Dans la circulation les différents compartiments vasculaires (artères, capillaires, veines) sont placés en
série. En revanche, la plupart des organes sont disposés en parallèle.
Ceci réduit beaucoup la résistance totale à l’écoulement.
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II. La fonction vasculaire
Les vaisseaux assurent 2 grandes fonctions:
- Distribution (convection)
- Échange
Dans chaque compartiment du système vasculaire (artères, capillaires, veines) structure et fonction
vasculaire sont étroitement liées.
La notion de Pression Transmurale (PTM) est très importante. Si un tuyau dans lequel circule un liquide a
des parois compliantes, le diamètre du tuyau va dépendre de la pression transmurale c'est-à-dire de la
différence de pression entre l’intérieure et l’extérieure du vaisseau.
III. Relations structure-fonction dans les vaisseaux sanguins
a) La structure de la paroi vasculaire
La paroi vasculaire comprend trois tuniques concentriques:
- L’intima
- La média
- L’adventice
L'intima est la tunique la plus interne. Elle est constituée d'un endothélium limitant la lumière vasculaire et
reposant sur une lame basale
La média est composée de fibres musculaires lisses responsables de la vasomotricité. On a des fibres
élastiques qui permettent des déformations transitoires de la paroi ainsi que des fibres collagènes qui, à
l'inverse, s'opposent aux augmentations de volume importantes
L'adventice reçoit les terminaisons nerveuses contrôlant la vasomotricité et les petits vaisseaux (vasa
vasorum) qui irriguent la paroi
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b) Différenciation fonctionnelle des vaisseaux
Dans la circulation systémique, on distingue successivement l’aorte, les artères élastiques, artérioles,
capillaires, veinules, veines.
Il est important de noter la relation entre structure et fonction vasculaire pour chaque type de vaisseau.
L’aorte a une paroi riche en élastine qui amortit l’onde de pression produit par l’éjection ventriculaire. Elle
sert de réservoir de pression pour la circulation systémique.
Les petites artères résistives et les artérioles ont une composante musculaire lisse importante avec une
capacité de vasoconstriction à leur niveau. La pression hémodynamique chute brutalement à leur niveau.
Elles régulent la distribution du débit sanguin aux tissus selon leurs besoins
Au niveau des capillaires ont lieu les échanges entre secteur vasculaire et secteur interstitiel.
Leur paroi est limitée au seul endothélium et à la membrane basale
Les veinules sont des vaisseaux résistifs post-capillaires, à composante musculaire lisse également
importante. Les modifications de leur calibre influencent largement l'importance des échanges capillaires
Les veines systémiques permettent une circulation à basse pression d’environ 5 mm Hg avec une faible
résistance. Elles ont une fonction de réservoir de sang avec une forte capacitance. Les valvules veineuses
assurent la direction de la circulation.
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IV. La pression artérielle
La pression artérielle peut être systolique, moyenne ou diastolique.
La pression moyenne est plus proche de la pression diastolique que de la moyenne arithmétique des deux.
L’amplitude du pouls ou pression artérielle différentielle est définie par (PAS – PAD)
Ex: PAS 140 et PAD 85  amplitude du pouls = 55 mmHg
Tous les facteurs qui modifient PAS ou PAD, changent l’amplitude du pouls.
a) L’amplitude du pouls artériel
Le caractère élastique des parois artérielles permet aux grandes
artères de servir de "réservoir de pression" (la pression reste
constante si les parois sont rigides).
L’élastance est la capacité d’un corps élastique de revenir à ses
dimensions initiales après une déformation. Une structure très
élastance est plutôt rigide (et inversement).
E = P/V = 1/Compliance
L’élastance d’une paroi artérielle dépend de son contenu relatif
en:
- Fibres d’élastine: compliance
- Fibres de collagène: élastance
- Cellules musculaires lisses
L’éjection du volume systolique par le ventricule gauche entraîne la distension de la paroi de l’aorte et des
artères, c’est l’énergie emmagasinée
L’énergie est restituée en diastole : la tension (σ) dans la paroi aortique sert à maintenir un gradient de
pression vers les capillaires.
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On aura alors 2 conséquences:
- La pression artérielle diastolique ne revient pas à 0
- Le débit sanguin est continu dans les capillaires
Le sang n’est pas directement propulsé dans les organes par le cœur
Le cœur reçoit du sang à basse pression par le retour veineux. La
contraction ventriculaire fournit l’énergie pour augmenter la pression
du sang. Cette énergie est emmagasinée par l’aorte en systole. Elle
est restituée en diastole et sert à maintenir un gradient de pression
entre l’aorte et les organes.
Le profil de la pression artériel change en allant de l’aorte aux artères périphériques.
En effet, de l’aorte aux grandes artères de distribution (ex: artère fémorale) :
- La PAS augmente alors que la PAD diminue
- La PAM ne diminue que très peu
Il y a 2 raisons à cela :
- Augmentation de l’élastance (donc diminution de la
compliance)
- Réflexion de l’onde de pouls (onde de pression) au niveau
des bifurcations des artères
Dans les artères plus périphériques:
- La PAM diminue
- Il y a diminution de la PAS et de la PAD
- L’onde de pression est amortie
- La résistance des plus petites artères à l’écoulement du
sang entraîne une chute de la pression
Dans les capillaires on a des variations de pression quasi absentes au cours du cycle cardiaque. Ceci est
l’effet de la grande compliance de ces vaisseaux.
En conséquence, les valeurs de PAS et PAD varient selon le site où elle est mesurée
L’amplitude du pouls dépend du volume d’éjection systolique (Vs).
Une augmentation du Vs, augmente proportionnellement l’amplitude du pouls (P) ainsi que la PAM. Une
baisse de la compliance augmente l’amplitude du pouls (P) mais ne modifie pas la PAM.
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L’amplitude du pouls augmente avec l’âge, en particulier après 60 ans. On a en effet une baisse de la
compliance de la paroi artérielle avec l’âge à cause de la sclérose (rigidification) de la paroi artérielle
(remodelage tissulaire).
La valeur normale est de 40-45 mmHg chez le sujet jeune et peut atteindre 60 chez le sujet âgé.
La PAM augmente aussi avec l’âge mais pour une raison différente, due à une modification du contrôle à
long terme de la pression artérielle.
b) Pression artérielle moyenne
La pression artérielle varie constamment pendant le cycle cardiaque. Sa valeur moyenne peut être estimée
par:
PAM = PaD + 1/3 x (PAS – PAD)
La PAM est plus proche de la PAD (diastole = 2/3 de la durée du cycle cardiaque) et n’est donc pas la
moyenne de PAS et de PAD à une Fc normale.
En revanche pour une Fc élevée (surtout au delà de 100, au dépend du temps diastolique qui se rapproche
du systolique), PAM devient plus proche de (PAD+PAS)/2
En pratique, la PAM est mesurée en calculant par des moyens électroniques ou numériques, la surface sous
la courbe de P en fonction du temps sur la durée du cycle cardiaque.
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Le niveau de PAM et l'amplitude du pouls répondent à des déterminants différents.
L’amplitude du pouls (Pdifférentielle = PAS - PAD) est directement proportionnelle au volume d’éjection
systolique et elle est inversement proportionnelle à la compliance artérielle.
La Pa moyenne est elle déterminé par Débit cardiaque x Résistances périphériques
La PAM est la force motrice du débit sanguin dans la circulation systémique.
Mesure de la pression artérielle
Il existe une méthode non invasive par sphygomanométrie. Elle permet de mesure la PAS et la PAD au
niveau d’une artère périphérique (ex : artère humérale).
On gonfle jusque la pression dans le brassard
supérieure à celle de l’artère. La pression
va donc diminuer (l’artère est écrasée et le sang
plus). On va ensuite dégonfler le brassard et
pression sur le manomètre et au stéthoscope.
Lorsque la pression tombe en dessous de la
systolique, le sang passe (turbulent) entrainant
(vibration), c’est la pression artérielle
Quand il n’y a plus de bruit, la paroi artérielle
totalement ouverte, c’est la pression
soit
transmurale
ne passe
suivre la
pression
un bruit
systolique.
est
diastolique.
Il existe aussi une méthode invasive avec un cathéter qui est placé dans la lumière artérielle.
Un capteur de pression permet d’enregistrer la pression en continu.
La PAM s'élève modérément avec l'activité et diminue avec le sommeil. La pression artérielle est plus
élevée chez l'homme que chez la femme et s'élève avec l'âge (70 chez le nourrisson, 100 chez l’adulte âgé).
Les valeurs physiologiques sont:
- PAS: 90 à 120
- PAD: 60 à 80
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Pression artérielle moyenne
La pression dans la circulation systémique est déterminée par:
- Le débit cardiaque
- Les résistances périphériques
Le débit cardiaque (Q, ml/min) est égal au volume d’éjection systolique (Vs, ml/battement) multiplié par la
fréquence cardiaque (Fc, battements/min)
Il est de l’ordre de 5,5 l/min au repos.
De plus, R est la résistance vasculaire périphérique (systémique).
En réalité il faut ajouter à cette équation un membre, la pression veineuse centrale (PVC)
La PVC c'est-à-dire la pression veineuse centrale est la pression dans l’oreillette et les veines caves intrathoraciques (entrée et sortie de la circulation systémique). Elle est normalement proche de 0 (Patm) mais
peut être anormalement positive dans des conditions pathologiques.
La PAM est la force motrice du débit sanguin dans la circulation systémique.
c) L’hémodynamique: Pression, débit, résistance
L’hémodynamique décrit les facteurs physiques qui gouvernent le débit sanguin dans le système
circulatoire.
La circulation d’un liquide dans un tube:
La différence de pression est due aux forces de frottement du liquide contre les parois du tube. C’est la
résistance à l’écoulement.
Les facteurs qui modifient la résistance des vaisseaux périphériques, agissent sur la PAM.
Le débit sanguin des organes est contrôlé par des variations de la résistance.
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La résistance
La pression dans la circulation systémique est déterminée par :
- Le débit cardiaque
- Les résistances vasculaires périphériques
Les facteurs qui déterminent la résistance sont décrits par la loi de Poiseuille:
- l  la longueur
-   la viscosité du sang
- r  le rayon
La résistance dépend essentiellement du diamètre des vaisseaux (donc de 1/r4)
Une diminution du rayon par un facteur 2 entraîne une augmentation de la résistance par un facteur 16.
La viscosité du sang  est importante. Si on double  alors la résistance est multipliée par 2.
La viscosité du sang est environ 3 fois celle de l’eau.
À résistance égale, la pression est plus forte si la viscosité augmente.
L’unité de mesure est le Poise (Po)
1 Po= 1 Pa·s = 1 N·s/m2
La viscosité du sang  dépend du volume relatif de cellules,
rapport au volume du plasma.
Le volume relatif de cellules (essentiellement GR) est mesuré
l’hématocrite. Il est mesuré par centrifugation d’un tube
du sang.
Hématocrite normal chez l’adulte: pour l’homme 40 % et 38
femme
par
par
contenant
% pour la
Une augmentation de l’hématocrite de 40% à 60% double la viscosité du sang.
Une augmentation de l’hématocrite correspond à une polyglobulie ou une utilisation illicite
d’érythropoïétine (EPO).
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La viscosité du sang  dépend de la température. Une baisse de température entraine une augmentation de
la viscosité.
Elle dépend également du débit sanguin. Si on a une baisse importante du débit sanguin, il y a
augmentation de l’adhérence entre les GR et donc de la viscosité.
→En résumé la viscosité dépend de l’hématocrite, de la température et du débit sanguin.
La résistance n’est pas répartie également dans tous les secteurs vasculaires. Dans le système vasculaire, la
plus grande résistance se situe au niveau des artérioles
En conséquence:
- Chute de pression importante entre l’entrée et la sortie des artérioles
- Amortissement du signal de pression
Cela signifie physiologiquement qu’une résistance élevée est importante pour le rôle des artérioles dans la
circulation:
- Répartition du débit entre différents territoires tissulaires et organes
- Participation à la régulation de la pression artérielle
- Protection des capillaires d’une pression trop importante
L’augmentation de la pression de perfusion à l’entrée d’une artère, augmente le débit
Cette relation n’est pas linéaire car l’augmentation de la pression artérielle entraine une augmentation de la
pression transmurale et donc du rayon ce qui provoque une baisse de la résistance.
La relation entre pression et débit est modifiée par
actif du tonus artériel c'est-à-dire l’activité du
nerveux sympathique
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le contrôle
système
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Le débit cardiaque
Q (l/min)= Vs (l/battement) x Fc (battements/min)
Il est de l’ordre de 4 à 5 l/min au repos chez l’adulte
L'index cardiaque est la quantité de sang éjecté en une minute par mètre de surface corporelle (IC = Q/Sc).
La surface corporelle est estimée par différentes formules à partir de la taille et du poids.
Cela permet de comparer le débit cardiaque entre sujets de taille et corpulence différentes. Au repos l'index
cardiaque se situe entre 2,5 et 4 l.min-1.m-2 de surface corporelle.
La réserve cardiaque est la différence entre le débit cardiaque de repos le débit cardiaque maximal. Cette
réserve peut atteindre 25 l/min (pour les exercices intenses).
Comme Q = Vs x Fc ; les facteurs qui modifient Fc ou Vs déterminent le Q
Certains facteurs sont déterminants de la post-charge :
- Facteurs physiologiques:
 Augmentation des résistances vasculaires périphériques augmente la post-charge (PAM = QxR)
 Augmentation de la viscosité du sang augmente la post-charge
- Situations pathologiques: hypertension artérielle la PAM est anormalement élevée
d) Mesure du débit cardiaque
On la mesure par dilution d’indicateur (méthode de Fick) à partir d’une injection en continue d’un
indicateur : O2
La VO2 est le prélèvement d'O2 par minute, mesurer en analysant l’air inspiré et expiré
La Ca O2 est le contenu en O2 du sang artériel par litre.
La Cv O2 est le contenu en O2 du sans veineux mêlé par litre (artère pulmonaire)
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Le sang veineux mêlé inclus le sang veineux du myocarde qui est déversé dans le sinus coronaire. C’est le
sang qui se retrouve dans l’artère pulmonaire.
On peut aussi placer un cathéter artériel pulmonaire c'est-à-dire un cathéter de Swan-Ganz muni d'un
ballonnet et d’une thermistance à son extrémité. C’est une méthode invasive
C’est un indicateur thermique avec un bolus (volume connu) de sérum à température ambiante. Le volume
injecté est emporté par la circulation sanguine et arrive sur le capteur.
On a une quantité m d'indicateur (colorant, indicateur
thermique, radio-isotope) est injecté en un temps très court,
du cœur.
Sa concentration en aval varie en fonction du temps : elle
puis redescend après le passage du bolus. Le profil de
concentration en fonction du temps dépend du débit, plus il
plus le passage est bref. On calcule l’aire sous la courbe grâce
formule [C] x t.
en amont
monte
est fort,
à la
Il existe une troisième méthode entièrement non invasive qui utilise l’échographie doppler.
Lorsqu'un faisceau d'ultrasons traverse le thorax, il rencontre différentes structures et se réfléchit chaque
fois qu'il existe un changement de nature dans le milieu traversé. Ce sont ces réflexions, ou échos, qui sont
enregistrés.
Elle permet l’étude de la structure et la fonction du muscle et des valvules cardiaques
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La fréquence de l'onde ultrasonore (> 50 000 Hz) réfléchie est modifiée proportionnellement à la vitesse
des éléments figurés du sang (effet Doppler). L’échographie Doppler permet donc de mesurer la vitesse du
flux sanguin. Plus les globules rouges vont vite, plus la fréquence est modifiée.
Débit = (vitesse du flux) x (sections valvule) x FC
Mesure effectuée à au niveau de la valve mitrale
La résistance vasculaire est donnée par: R = P/Q
La P pour toute la circulation systémique est : (PAM – PVC)
La résistance vasculaire systémique ou périphérique correspond à (PAM –
PVC) / Q
Unités: mmHg/(ml/min) ou mmHg·min/ml
Récapitulation des caractéristiques hémodynamiques de la circulation
systémique (schéma).
Il faut noter la relation entre les paramètres hémodynamiques et la fonction
dans chaque compartiment vasculaire.
La surface de section est maximale au niveau des capillaires
Le débit est constant. Le débit aortique est équivalent à l’ensemble des débits des artérioles.
Dans les grandes artères, la résistance est faible mais elle augmente fortement avec la diminution du rayon
des vaisseaux. La résistance diminue dans les capillaires et les veines grâce à une PAM qui chute dans les
capillaires alors qu’elle est constante dans les grands et moyens vaisseaux. La vitesse se réduit dans les
capillaires et la section d’échange augmente afin d’avoir plus d’échanges.
V. La pression veineuse
La circulation veineuse s’étend des veinules jusqu’à l’oreillette droite qui collecte tous le sang veineux
systémique.
La pression veineuse centrale (PVC) est la pression dans l’OD et les grosses veines intra-thoraciques. La
PVC est la pression en aval de la circulation systémique.
La pression motrice de la circulation systémique est donc: PAM -PVC
Environ 60 à 80 % du volume total du sang réside dans les veines (grand volume). Elles constituent alors
un « réservoir » de sang.
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Les veines constituent un compartiment vasculaire "capacitif" (emmagasine le sang) ce qui est lié aux
propriétés des parois (fibres élastiques et musculaires lisses) et à la pression plus basse.
a) Capacitance et compliance veineuses
La compliance veineuse (V/P) est nettement supérieure à celle des artères.
Elle diminue lorsque le tonus vasculaire augmente par stimulation du
système nerveux orthosympathique (OS).
La capacitance veineuse est représentée par la relation entre contenant
(veines) et contenu (sang), elle détermine le volume sanguin efficace qui
change en fonction de l’état de capacitance (compliance) des veines. Le
volume sanguin efficace est le volume participant à la circulation, il varie en
fonction de la capacitance des veines.
Si brutalement on a une vasodilatation veineuse, à pression de remplissage
égale, on pourra y stocker plus de sang.
b) Pression veineuse centrale
Elle est normalement aux environs de 0 mmHg (0 à 4 cmH2O)
Le niveau de la PVC dépend de l'équilibre entre le retour veineux en amont et la possibilité pour le cœur à
vider l'oreillette droite en aval, c’est le débit ventriculaire.
Une augmentation du retour veineux entraine une augmentation de la PVC ;
Le retour veineux augmente s’il y a :
- Diminution des résistances périphériques
- Augmentation du volume sanguin total
- Diminution de la capacitance (et donc augmentation du tonus des parois veineuses)
La PVC augmente si en aval, la capacité du cœur à vider l'oreillette diminue:
- Baisse de la contractilité cardiaque
- Baisse de la FC
- Augmentation de la post-charge ventriculaire (augmente Ra)
En plus des facteurs précédents, la PVC augmente en cas de :
- Expiration forcée (manœuvre de Valsalva)
- Transfert du sang des veines des membres inférieurs vers celles du thorax (passage de la position
debout au décubitus, ou microgravité)
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Retour veineux
C’est la « pompe thoracique » lors de l’inspiration:
- L'abaissement du diaphragme augmente la pression abdominale
- Le sang est chassé vers le cœur car les valvules des veines périphériques empêchent le retour du
sang en amont
- La pression pleurale devient négative et dilate les veines intra-thoraciques
- Aspiration du sang veineux abdominal
Lors de l’expiration:
- Augmentation de la pression du thorax et baisse de la pression abdominale
- Diminution du retour veineux
Les effets de la Résistance veineuse :
- Les grandes veines ont une faible R lorsque leur PTM est positive
- Paroi veineuse compliante: peut se collaber (PTM ~ 0), alors R augmente
- Ex: veines du cou et des bras à l’entrée du thorax
La R veineuse n’est donc pas négligeable et contribue à l’augmentation de la pression veineuse
périphérique
Les effets de la contraction musculaire
- Les veines systémiques sont munies de valves
- Les muscles compriment les veines en se contractant
- Le sang est poussé en direction du cœur grâce aux
unidirectionnelles
- La "pompe musculaire" n'est efficace qu'en
marchant
valvules
D’autres facteurs affectent le retour veineux
- La pression veineuse post-capillaire (~ 15 mmHg) favorise le retour veineux. Celle-ci augmente
lorsque la R artérielle diminue (vasodilatation artérielle)
- La contraction ventriculaire durant la systole augmente le volume atrial. Il en résulte une baisse de
la pression atriale (baisse de PVC) qui favorise le retour veineux par "aspiration". En diastole:
l’ouverture des valves AV et le vidange atrial entraîne également une baisse de P qui favorise le
retour veineux
L’incompétence des valves veineuses entraîne:
- Augmentation du volume et de la pression
périphérique
- Apparition de varices
- De plus, l’élévation de la P capillaire en amont favorise l’apparition d’œdèmes
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veineuse
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Pression veineuse périphérique
En position allongée, son niveau dépend :
- En amont: du retour veineux vers le cœur
- En aval: de la PVC et des résistances veineuses à l’entrée du thorax
En position debout, la pression veineuse périphérique dépend de la gravité en plus des facteurs précédents :
- Effet du poids de la colonne de sang c’est la pression hydrostatique
- La pression veineuse périphérique est négative au niveau de la tête
- Les veines intra-craniennes ne s’affaissent pas car enfermées dans la boîte crânienne non
déformable
La pression veineuse périphérique au niveau des pieds, en position debout et en immobilité complète atteint
88 mm Hg (1,20 m)
En conséquence:
- Le volume sanguin augmente dans les veines de la moitié inférieure du corps
- La pression capillaire augmente parallèlement à la pression veineuse périphérique
- L'eau filtre du sang vers les tissus
- Le stockage veineux et la filtration aboutissent à une diminution du volume sanguin efficace
(circulant)
L’adaptation de la capacitance (V/P) est particulièrement marquée dans la circulation veineuse. Elle permet
de conserver la même pression transmurale de remplissage même si le volume de sang change.
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Le mécanisme d’adaptation de la capacitance :
- local par adaptation passive des fibres musculaires lisses des parois des vaisseaux à une
modification de leur étirement
- régulation active par le Système Nerveux Sympathique (OS)
En position debout, la PVP au niveau des veines de la cheville peut diminuer à 20 mmHg après:
- Activation du SNS (OS)
- Mise en jeu de la pompe musculaire
- Mise en jeu de la pompe thoracique
Mesure de la pression veineuse
La PVC peut être mesuré par un cathéter placé dans la veine cave supérieure ou l’OD
La PVC peut être estimé par la hauteur maximale des pulsations dans la veine jugulaire externe par rapport
au bord sternal, en décubitus à 45° Normalement elle est inférieure à 5 cm (~ 4 à 5 cmH2O).
La pression veineuse
périphérique peut être estimée
par la différence de hauteur entre le niveau où les veines s'affaissent et le niveau de l'oreillette droite.
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