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Physiologie respiratoire
Structure et fonctions de l’appareil respiratoire
Mécanique ventilatoire
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Propriétés statiques
Propriétés dynamiques
Expiration forcée
Travail ventilatoire
Transport des gaz respiratoires
Ventilation alvéolaire
Diffusion alvéolo-capillaire
Perfusion pulmonaire
Rapports Ventilation-Perfusion
Transport sanguin
Régulation de la ventilation
Définition de la Mécanique ventilatoire
Étude des conditions d’équilibre et de
mouvement du système thoraco- pulmonaire
soumis à l’action des muscles respiratoires
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine
Système mécanique
Grandeurs d’entrée et de sortie
Evolution temporelle
Un modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)
Application du modèle à un mouvement périodique
Application aux éléments du système thoraco-pulmonaire
Voies aériennes
Tissu pulmonaire
Paroi thoraco-abdominale
Position des muscles respiratoires
Limites du modèle
Contrainte
Déformation
Contrainte
Déformation
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine
Système mécanique
Grandeurs d’entrée et de sortie
Evolution temporelle
Un modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)
Application du modèle à un mouvement périodique
Application aux éléments du système thoraco-pulmonaire
Voies aériennes
Tissu pulmonaire
Paroi thoraco-abdominale
Position des muscles respiratoires
Limites du modèle
Un système mécanique a des
frontières avec son environnement
F
FF
FF
F
FF
Tissu pulmonaire
Gaz
Système thoracopulmonaire
Thorax-Paroi
Poumons
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine
Système mécanique
Grandeurs d’entrée et de sortie
Evolution temporelle
Un modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)
Application du modèle à un mouvement périodique
Application aux éléments du système thoraco-pulmonaire
Voies aériennes
Tissu pulmonaire
Paroi thoraco-abdominale
Position des muscles respiratoires
Limites du modèle
Grandeurs d’entrée et de sortie
Pour étudier le comportement d’un système, on lui applique une contrainte et on analyse la
déformation
Sortie = déplacement
Contrainte appliquée à un
système caractérisé par sa
longueur ?
= Force
L1
F
F = mγ
Entrée = force
Contrainte ?
= Pression (= Différence de
pression à ses bornes)
Déformation ?
= Changement de volume
Comment appliquer la pression ?
A la bouche (respirateur ou spiromètre)
Autour du thorax
Avec les muscles respiratoires (uniquement pour l’étude du poumon)
On mesure la déformation par la variation de volume:
Les variations de volume thoracique et pulmonaire sont égales.
Elles peuvent être mesurées par le volume mobilisé à la bouche.
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine
Système mécanique
Grandeurs d’entrée et de sortie
Evolution temporelle
Un modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)
Application du modèle à un mouvement périodique
Application aux éléments du système thoraco-pulmonaire
Voies aériennes
Tissu pulmonaire
Paroi thoraco-abdominale
Position des muscles respiratoires
Limites du modèle
L
F
F
F
F’
F
F
F = k ⋅L ⇒
1
L = ⋅F
k
L
Résistance
Elasticité
F
FF
FF’
F’
F
Système linéaire, un degré de liberté
F = Fel + Ffr + Fin
dL
d 2L
F = k⋅L+r⋅
+ m⋅ 2
dt
dt
Longueur
Vitesse
Accélération
Equation fondamentale de la mécanique (Lois de Newton)
P
r
V
V
Modèle descriptif
Système linéaire, un degré de liberté
(mais 3 dimensions)
P = Pel + Pfr + Pin
dV
d 2V
P = E ⋅V + R ⋅
+I⋅ 2
dt
dt
Volume
Débit
Accélération
volumique
P
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine
Système mécanique
Grandeurs d’entrée et de sortie
Evolution temporelle
Un modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)
Application du modèle à un mouvement périodique
Application aux éléments du système thoraco-pulmonaire
Voies aériennes
Tissu pulmonaire
Paroi thoraco-abdominale
Position des muscles respiratoires
Limites du modèle
3 formes identiques de l’équation du mouvement:
9à coefficients constants (C, R, I)
1
C: Compliance (r. élastique) =
E
R: Résistance (r. visqueuse)
I: Inertance (r. inertielle)
9à un degré de liberté (V)
Propriétés statiques
1
Pel = × V
C
Compliance : Complaisance
Propriétés dynamiques
Pfr = R × V&
Pin = I × V&&
P = Pel + Pfr + Pin
A débit nul, la pression s’oppose
aux seules forces élastiques
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine
Système mécanique
Grandeurs d’entrée et de sortie
Evolution temporelle
Un modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)
Application du modèle à un mouvement périodique
Application aux éléments du système thoraco-pulmonaire
Voies aériennes
Tissu pulmonaire
Paroi thoraco-abdominale
Position des muscles respiratoires
Limites du modèle
V
t
V& = a ⋅ sin( 2πf ⋅ t )
V& = a ⋅ sin(ω ⋅ t )
t
P
&
1
d
V
=
× ∫ V&dt + R × V& + I ×
C
dt
Si on représente le débit comme une fonction sinusoïdale du temps:
V& = a ⋅ sin( 2πf ⋅ t ) = a ⋅ sin(ω ⋅ t )
Alors:
P=
1
da⋅sin(ωt )
⋅ a⋅sin(ωt ) dt + R ⋅ a ⋅ sin(ωt ) + I ⋅
C
dt
∫
a
1
P =
⋅ (−
⋅ cos ωt ) + R ⋅ ( a ⋅ sin ωt ) + I ⋅ ( a ⋅ ω ⋅ cos ωt )
C
ω
a
=
−
⋅ cos ωt + R ⋅ a ⋅ sin ωt + I ⋅ a ⋅ ω ⋅ cos ωt
P
C ⋅ω
Dépendant de f
Indépendant
de f
Dépendant
de f
P = R ⋅ a ⋅ sin ωt + a ⋅ ( I ⋅ ω −
P = R ⋅ V& + a ⋅ ( I ⋅ ω −
Résistance
Indépendant de f
1
) ⋅ cos ωt
C ⋅ω
1
) ⋅ cos ωt
C ⋅ω
Réactance
Dépendant de f
P el
+
P res
+
P in
1 ×V
C
+
= R × V&
+
= I ×V
&&
=
=
P
C = 0.2 l.cmH2O-1
R = 2 cmH2O.l-1.s
I = 0.01 cmH2O.l.s2
3
Pel
Pres
2
Pinit
Ptot
1
0
0
1
2
-1
a
F
C
-2
R
I
-3
3
4
5
6
0.5
10 c.min-1
0.2 l.cmH2O-1
2 cmH2O.l-1.s
0.01 cmH2O.l.s 2
1.5
Pel
Pres
1
P = Ra × sin ωt + a ( Iω −
Pinit
Ptot
A 4 Hz (fréquence de résonance),
dans ce modèle, la réactance est
nulle:
0.5
0
0
-0.5
-1
0.05
a
F
C
R
I
-1.5
1
) × cos ωt
Cω
0.1
0.5
240 c.min-1
0.2 l.cmH2O-1
2 cmH2O.l-1.s
0.01 cmH2O.l.s 2
0.15
0.2
0.25
Iω =
1
Cω
La pression mesurée est égale à
la pression résistive
Quel effet de la fréquence respiratoire ?
2π ⋅ f = ω
P = −
a
⋅ cos ωt + R ⋅ a ⋅ sin ωt + I ⋅ a ⋅ ω ⋅ cos ωt
C ⋅ω
Indépendant
de f
Dépendant
de f
Dépendant
de f
Si ω est faible (c’est-à-dire à fréquence respiratoire normale), la pression inertielle peut être négligée
P
=
P el + P fr + P in
Propriétés statiques
1
Pel = × V
C
Propriétés dynamiques
Pfr = R × V&
Stocks J, Sly PD, Tepper RS, and Morgan WJ. Infant respiratory function testing. New-York: Wiley-Liss, 1996.
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine
Système mécanique
Grandeurs d’entrée et de sortie
Evolution temporelle
Un modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)
Application du modèle à un mouvement périodique
Application aux éléments du système thoraco-pulmonaire
Voies aériennes
Tissu pulmonaire
Paroi thoraco-abdominale
Position des muscles respiratoires
Limites du modèle
Pob
Palv
Pression
trans-bronchique
Tissu
Pulmonaire
Gaz
Pression
trans-thoraco-broncho-pulmonaire
Pression
trans-pulmonaire
Ppl
Thorax
Psc
Pression
trans-thoraco-pulmonaire
Pression
trans-thoracique
Système thoracopulmonaire
Psr
Pob
Déformation = Changement de volume
Psc
Thorax-paroi
Pt
=
Ppl
=
Pp
1
Psr = Pob − Psc =
× V + Rsr × V&
Csr
=
Pob
Poumons
Contrainte = Pression appliquée au système
(= Différence de pression à ses bornes)
1
Pp = Pob − Ppl =
× V + Rp × V&
Cp
+
+
Pt = Ppl − Psc =
+
1
× V + Rt × V&
Ct
Ppl
Psc
1
1
1
× V + Rrs × V& = (
+
) × V + ( Rp + Rt ) × V&
Crs
Cp Ct
Poumons
Système thoraco-pulmonaire
1
Csr
Rsr
Thorax-paroi
=
1
Cp
+
1
Ct
=
Rp
+
Rt
Poumons
Gaz (voies aériennes)
1
Pp = Pob − Ppl =
× V + Rp × V&
Cp
1
Pg = Pob− Palv =
×V + Rg ×V&
Cg
Rg = Rva =
Pob − Palv
V&
Rva = Rg : Résistance des voies aériennes ( Airways )
Tissu pulmonaire
1
Ptp = Palv − Ppl =
×V + Rtp ×V&
Ctp
Ctp = Cp
Rtp + Rva = Rp
Équivalents « électriques » du système respiratoire
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine
Système mécanique
Grandeurs d’entrée et de sortie
Evolution temporelle
Un modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)
Application du modèle à un mouvement périodique
Application aux éléments du système thoraco-pulmonaire
Voies aériennes
Tissu pulmonaire
Paroi thoraco-abdominale
Position des muscles respiratoires
Limites du modèle
Grandeurs caractéristiques du système (Compliance, Résistance)
Un exemple facile: le poumon ( cf cours sur propriétés élastiques)
Propriétés élastiques: rapport
Volume
à débit nul
Pression
1
Pob − Ppl =
×V + Rp ×V&
Cp
V
= Cp
Pob − Ppl
Quand V& = 0
Un cas « facile »: le poumon.
Les muscles respiratoires (sur la cage thoracique) sont extérieurs au système étudié.
V& ≈ 0
Pob − Ppl =
1
×V + Rp ×V&
Cp
V 2 − V1
Cp =
(P2 − Pob) − (P1 − Pob)
Adapté de: Flandrois R, Brune J, and Wiesendanger T. La
respiration. Villeurbanne: SIMEP Editions, 1976.
Diaphragme
Cp =
V 2 − V1
(P2 − P1)
Adapté de: Flandrois R, Brune J, and Wiesendanger T. La
respiration. Villeurbanne: SIMEP Editions, 1976.
Diaphragme
Un cas « facile »: le poumon.
V
Exp.
V’
Insp.
V
V'
V
Cp= =
P' Pel
Rp=
Pfr
V&
Pel
Pfr
P
P’
Pob − Ppl
Plus difficile: la paroi thoraco-abdominale (et le système poumon-paroi).
Quel générateur de pression ?
Les muscles respiratoires font partie du
système thoraco-pulmonaire:
Ils doivent être en relaxation pour permettre
la mesure des propriétés mécaniques de la
paroi thoraco-abdominale et du système
thoraco-pulmonaire.
F’
F
dL
d 2L
F = k⋅L+r⋅
+ m⋅ 2
dt
dt
F
dL
d 2L
F − F'= k ⋅ L + r ⋅
+ m⋅ 2
dt
dt
Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire
Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine
Système mécanique
Grandeurs d’entrée et de sortie
Evolution temporelle
Un modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)
Application du modèle à un mouvement périodique
Application aux éléments du système thoraco-pulmonaire
Voies aériennes
Tissu pulmonaire
Paroi thoraco-abdominale
Position des muscles respiratoires
Limites du modèle
Modèle essentiel, utilisé pour caractériser la fonction mécanique
ventilatoire (compliance, résistance)
Les limites du modèle à coefficients constants (C, R , I) et à une
dimension:
9 La description linéaire (c.f. propriétés statiques et dynamiques)
Une expression plus générale:
9 La dimension (degré de liberté) volume (c.f. périmètre thoracique
ou abdominal)
9L’hétérogénéité du système (c.f. ventilation alvéolaire)
9L’absence de description des mécanismes (origine de l’élasticité?)
Système linéaire ?
1
P = ×V
C
⇔
V = C× P
Système linéaire ?
P = R×V&
⇔
1
&
V = ×P
R
En résumé:
Compliance
Inertance
Résistance
Modèle descriptif simple, mais indispensable à la compréhension de la
mécanique ventilatoire, de la ventilation assistée et des explorations
fonctionnelles respiratoires.
Documentation disponible à la
BU médecine (+ autres…)
Handbook of physiology, Respiratory system, Mechanics of breathing