APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire 02/10/15 LEVERRIER Floriane L3 CR :Saidi Sonia Appareil Respiratoire Dr Stéphane Delliaux 14 pages Notions de mécanique ventilatoire : Compliance, Résistance, Muscles ventilatoires, Ventilation alvéolaire Plan Partie 1 : Compliance, résistance, travail ventilatoire A. Compliance I. Définition II. Compliance pulmonaire III.Compliance thoracique B. Résistance I. Définition II. Notions de mécanique des fluides appliquées à la respiration III.Résistance des voies aériennes IV. Résistance tissulaire C. Travail ventilatoire Partie 2 : Action des muscles respiratoires A. Généralités B. Anatomie fonctionnelle I. La paroi thoracique II. Les muscles respiratoires Partie 3 : La ventilation alvéolaire A. Pression des gaz et vapeur d'eau I. Pression atmosphérique II. Pression partielle III.Vapeur d'eau, réchauffement et humidification de l'air inspiré B. La ventilation alvéolaire I. Ventilation totale II. Espace mort III.Ventilation alvéolaire 1/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire Partie 1 : Compliance, résistance, travail ventilatoire A. Compliance I. Définition En médecine, la compliance est la capacité à se laisser distendre (= distensiblité) : c'est l'aptitude d'une cavité organique à changer de volume sous l'influence d'une variation de pression. C = dV/dP La compliance est l'inverse de l'élastance qui est une grandeur physique quantifiant l'élasticité, c'est à dire la déformabilité réversible d'un corps. La compliance est un reflet indirect de l'élastance. II. Compliance pulmonaire On récupère un poumon d'animal que l'on place dans un bocal fermé dans lequel on fait varier la pression (que l'on mesure). Le poumon est lui placé en série avec un appareil qui permet de mesurer le volume pulmonaire. En faisant varier la pression, on peut observer les variations pulmonaires induites. COURBE PRESSION-VOLUME Volume = f(Pression autour du poumon) Ces valeurs de volume sont différentes suivant si on est en situation d'inflation/inspiration (courbe du bas) ou de déflation (courbe du haut). Ceci constitue du principe d'hystérésis. C = dV/dP = Pente de la courbe PV On distingue 3 sections : 2 curvilinéaires (en pointillé) et une linéaire La section linéaire peut être modélisée par une droite dont le coefficient directeur (dV/dP) est la compliance. Sur la phase inspiratoire/d’inflation et sur celle déflatoire, on peut modéliser une courbe moyenne dont la compliance est la pente. La compliance du poumon est d'ordinaire très importante, d'environ C = 200 mL/cm H2O pour P = -2 à -10cm H2O. 2/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire Les déterminants de l'élasticité pulmonaires : – Principal : L'élasticité pulmonaire est principalement due à la nature élastique du tissu pulmonaire, grâce notamment à l'élastine, au collagène et à leur agencement entre elles. On peut comparer ça à un bas et un fil de nylon. – Secondaires : 1. Tension superficielle alvéolaire La tension superficielle (TS) est une force existant au niveau de toute interface entre 2 milieux différents. La surface alvéolaire est une interface air/tissu qui développe donc une tension superficielle que l'on peut mettre en évidence par l'expérience de Von Neergaard. Cette courbe pression/volume a été réalisée dans deux conditions expérimentales différentes : – Conditions spontanées : L'alvéole est remplie d'air et l'interface est respectée ; – Conditions modifiées : Les alvéoles sont remplies de solution salée faisant disparaître la différence de milieu de part et d'autre de l'interface et les courbes sont totalement différentes. En effet, la compliance est beaucoup plus élevée et l'hystérésis beaucoup plus fermée. Il existe donc une tension superficielle lorsque l'interface diminue la compliance pulmonaire. La tension superficielle se fait ici en trois dimensions et les forces sont concentriques. L'arbre alvéolaire peut donc être modélisé comme un ensemble sphérique (bulle de savon) où il existe cette interface liquide/gaz et des variations spontanées de volume et de pression. Plus le rayon est petit plus la pression est importante, induisant un gradient entre les petites et les grandes alvéoles. 3/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire 2. Surfactant Le surfactant limite la tension superficielle alvéolaire. C'est un agent tensio-actif puissant sécrété par les pneumocytes II, composé à 90% de lipides (DipalmitoylPhosphatidylCholine saturée principalement). Il diminue la tendance des alvéoles à se fermer. Les avantages du surfactant sont : – Le maintien d'une faible tension superficielle ; – L'augmentation de la compliance et la diminution du travail nécessaire à l'expansion pulmonaire ; – La stabilisation des alvéoles et le maintien des alvéoles au sec. De plus, le surfactant maintient la forme sphérique des alvéoles. En effet, on retrouve la présence d'une traction radiale dans les trois dimensions de l'espace de la paroi alvéolaire. Le surfactant diminue également la pression hydrostatique de l'interstitium inter-alvéolaire, ce qui limite la transsudation. En physiopathologie, le manque de surfactant entraîne une baisse de la compliance et une augmentation du travail nécessaire à l'expansion pulmonaire. On observe des atélectasies (collapsus alvéolaire), oedèmes pulmonaires par transsudation. Exemple : Syndrome de détresse respiratoire du nouveau-né prématuré par déficit de surfactant. Une diminution de la compliance peut être due à : – Hyper-débit veineux pulmonaire : Il y a beaucoup de sang dans les poumons, rendant l'expansion pulmonaire plus difficile ; – Oedème pulmonaire ; – Atélectasies (si l'alvéole est totalement collabée, il sera très difficile de la rouvrir, puisqu'il va falloir une très grande pression), – Fibrose. La compliance peut être augmentée (mais cela n'améliore pas forcément les capacités respiratoires, cela signifie juste que le poumon s'expand plus facilement) avec l'âge, puisque la quantité d'élastine et de collagène diminue. Puisque les contraintes sont moindre, la compliance augmente. De même, avec un emphysème on retrouve une destruction parenchymateuse ce qui augmente la compliance. III. Compliance thoracique a) La cage thoracique est élastique On peut le mettre en évidence via un pneumothorax expérimental : Du fait des capacités élastiques du poumon et du thorax, il existe une dépression dans la cavité virtuelle pleural. 4/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire Si on dissocie les deux feuillets pleuraux, créant un pneumothorax, le poumon se rétracte sur son hile et la cage thoracique augmente de volume. On peut conclure qu'il existe une force élastique de la cage thoracique qui a tendance à se distendre. b) Courbe pression-volume thoracique On peut mesurer la compliance chez l'Homme in vivo, sur poumon in situ. Le sujet respire dans un appareil à différents niveaux de volume pulmonaire et on mesure les différentes pressions générées. Le volume pulmonaire peut s'exprimer en pourcentage de la capacité vitale. En soustrayant les courbes d'hémi-volume, on peut en déduire une courbe pression-volume de la paroi thoracique et déterminer sa compliance. B. Résistance I. Définition En médecine, il s'agit d'une dérive des sciences fondamentales (mécanique newtonienne, puis des fluides continus), jusqu'à la dynamique des fluides appliqués ici à l'appareil respiratoire. La résistance des voies aériennes est la force qui s'oppose à l'écoulement de l'air dans l'arbre trachéobronchique. II. Notions de mécanique des fluides appliquées à la respiration a) Principes d'écoulement des gaz dans un tube Si un gaz s'écoule dans un tube, il existe une différence de pression aux deux extrémités du tube : Cette différence de pression dépend de plusieurs paramètres dont le débit et le comportement mécanique du fluide. On distingue le flux laminaire, transitionnel et turbulent qui ont des propriétés différentes. Dans l'arbre bronchique : – la trachée est le siège d'écoulement aérique de type turbulent, – les bronches le siège d'écoulement aérique de type transitionnel – et enfin les bronchioles terminales le siège d'écoulement aérique de type laminaire. Un flux laminaire est associé à un écoulement rapide qui offre peu de résistance aux parois du tube, front de progression parabolique avec une 5/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire vitesse de propagation importante au milieu du tube. Un écoulement turbulent n'a pas de direction précise dans les trois dimensions et offre une grande résistance aux parois et a une vitesse de propagation plus faible. Les flux transitionnels sont plus intermédiaires. b) Ecoulement aérique laminaire Les caractéristiques des relations pression-débit ont été décrites par Poiseuille (seulement pour information) : V= ΔPπr4/8ηl ↔ ΔP = 8ηl/πr4 × V d'où ΔP = K × V K=R Avec V = Débit volumique, ΔP = Pression motrice, r = rayon, η = viscosité, l = longueur La différence de pression est donc dépendante de la viscosité et de la longueur du tube. Ici, la différence de pression est proportionnelle à un débit. c) Ecoulement aérique turbulent Les caractéristiques des relations pression-débit ont été décrites par Poiseuille : ΔP = KV2 On retrouve une faible vitesse axiale. Attention, ici la différence de pression n'est pas dépendante de la viscosité, mais de la densité du gaz. III.Résistance des voies aériennes a) Mesure ΔP = RV R = (P1-P2)/V Avec : P1 = Pression alvéolaire, mesurée par pléthysmographie P2 = Pression buccale, mesurée par manomètre V = Débit ventilatoire, mesuré par débit-mètre On arrive à mesurer la résistance des voies aériennes des patients. On a deux pressions à mesurer, une pression alvéolaire par pléthysmographie et à une pression buccale par manomètre. b) Site principal de la résistance des voies aériennes Du hile à la périphérie, les bronches sont de plus en plus nombreuses et petites. Or les mesures indiquent que l'essentiel de la résistance des voies aériennes (>80%) est supportée par les bronches de la première à la septième génération. 6/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire Ce paradoxe est dû au nombre prodigieux de bronchioles, et à la nature de plus en plus laminaires des flux dans les bronches les plus petites. Le calibre rétrécit mais le calibre total augmente. Le changement conformationnel fait que l'écoulement est de plus en plus laminaire et a donc moins d'interaction avec la paroi et moins de résistance. Jusqu'à la 16ème division, ce sont des bronches conductives, c'est à dire qu'elles ne présentent pas d'alvéoles. Puis, lorsqu'on va vers la distalité, on retrouve la zone transitionnelle et la zone exclusivement alvéolaire, diffusive. Jusqu'à la dixième dichotomie, la surface totale n'est pas très importante, mais elle croit ensuite exponentiellement avec la distalité. L'essentiel de la résistance se situe avant la dixième génération bronchique, c'est à dire au niveau des bronches de gros et moyens calibre. c) Déterminants de la résistance des voies aériennes Parmi les déterminants de la résistance des voies aériennes, on retrouve : 1- Volume pulmonaire Comme les vaisseaux extra-alvéolaires, les bronches sont soutenues par la traction radiale et leur calibre augmente lorsque le poumon se dilate. Remarque : A très bas volume, les petits voies aériennes peuvent alors se fermer complètement, c'est la notion de volume de fermeture. 7/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire Plus le volume pulmonaire croît, plus la résistance des voies aériennes décroît. Plus le volume pulmonaire croît, plus la conductance des voies aériennes croit (et plus les bronches s'ouvrent). 2- Tonus du muscle bronchique Ce tonus musculaire peut être régulée. S'il y a contraction des muscles lisses, le rayon de la lumière diminue et donc à une augmentation de la résistance. A l'inverse, une dilatation/relaxation des muscles bronchiques entraînent une augmentation du rayon bronchique et une diminution de la résistance bronchique. La résistance est donc fonction du tonus du muscle lisses bronchique. Le tonus entre dans un cadre de régulation plus grand, comme dans l'homéostasie neurogène, hormonale et humorale. 3- Viscosité et densité des gaz Exemple : Plongée profonde Plus on descend, plus la pression qui s'exerce sur nous est importante. On doit pour éviter le collapsus respirer de l'air à la même pression que celle environnante. On est dans des conditions d'hyperbarie. Cette hyperbarie entraîne une augmentation de la densité des gaz respirés et une augmentation de la résistance à l'écoulement trachéo-bronchiques. Pour faciliter cette respiration, on diminue la viscosité en proposant des mélanges avec de l'hélium, puisque sa viscosité est inférieure. IV. Résistance tissulaire La résistance tissulaire représente 20% de la résistance totale. Lorsque le poumon et la paroi thoracique sont mobilisés, une certaine force ou pression est nécessaire pour vaincre la viscosité des tissus (résistance tissulaire) qui glissent les uns sur les autres. RTOT = Rvoies aériennes + Rtissulaire C. Travail ventilatoire Le travail d'une force est l'énergie fournie par cette force lorsque son point d'application se déplace. Le déplacement du poumon et de la paroi thoracique nécessaire à la ventilation est la résultante du travail développé par les muscles respiratoires. Ce travail ventilatoire peut se mesurer comme le produit pression × volume W = P × V (J) 8/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire Partie 2 : Action des muscles respiratoires A. Généralités L'action mécanique de chaque muscle respiratoire est essentiellement déterminé par son anatomie et la charge à déplacer lors de sa contraction. Les muscles respiratoires sont des muscles squelettiques striés et leur première fonction est de mobiliser rythmiquement la paroi thoracique afin d'assurer la ventilation. Remarque : La ventilation est l'acheminement de l'air ambiant jusqu'aux alvéoles et de l'air alvéolaire jusqu'à l'air ambiant. B. Anatomie fonctionnelle I. La paroi thoracique La paroi thoracique des mammifères peut être modélisée par deux compartiments disposés en parallèle, la cage thoracique et l'abdomen séparés par le diaphragme, structure musculo-tendieuse(c'est a dire en partie deformable). Une augmentation du volume pulmonaire peut donc résulter d'une augmentation du volume de la cage thoracique ou une augmentation du volume de l'abdomen. La cage thoracique comprend les vertèbres thoraciques, les côtes, les cartilages costaux, le sternum, ainsi que les articulations et les ligaments associés. L'anatomie dicte les possibilités de mouvement. Les limites de cette cage thoracique déterminent le volume pulmonaire. Les variations de volume de cette cage thoracique imposent des variations de volume pulmonaire si la plèvre est intègre. L'abdomen est considéré d'un point de vue mécanique, comme un compartiment rempli de liquide, donc incompressible (100 à 300 ml de gaz abdominal). Certaines de ses limites sont virtuellement immobiles : dorsale (colonne vertébrale), caudale (pelvis), latérales (crêtes iliaques). Les limites mobiles de l'abdomen sont donc : craniale (diaphragme), ventrale (paroi abdominale antérieure). La déscente du diaphragme induit un déplacement antérieur de la paroi abdominale. A l'inverse, un déplacement postérieur de la paroi abdominale entraîne l'ascension du diaphragme. II. Les muscles respiratoires 9/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire Le diaphragme est composé d'une partie musculaire et d'une partie tendineuse. Il y a une forte insertion au niveau du squelette, notamment du sternum, le reste étant mobilisable. Il s'insère de façon verticale et craniale, très étroitement lié à la cage thoracique, c'est ce qu'on appelle la zone d'apposition. Il va ensuite venir de façon horizontale séparer le thorax de l'abdomen, c'est ce qu'on appelle le dôme diaphragmatique. La mobilisation du diaphragme se fait principalement par le déplacement du dôme diaphragmatique et très peu par déplacement de la zone d'apposition. Le dôme diaphragmatique a un mouvement cranial-caudal qui va avoir un effet piston sur tout ce qu'il y a en dessous et ceci est permis par une modulation possible de la surface de la zone d'apposition. Au cours de la respiration, la zone d'apposition diminue quand le diaphragme se contracte et le diaphragme (dome) redescend. L'inspiration nécessite une contraction musculaire alors que l'expiration naturelle est un phénomène passif, une relaxation des muscles. Le muscle inspiratoire principal est le diaphragme. Les autres muscles inspiratoires sont dits accessoires et sont mises en jeu lors des inspiratoires forcées ou maximales. On retrouve dans cette catégorie les muscles sterno-cléido-mastoïdiens, les muscles intercostaux externes et les muscles scalènes. L'expiration forcée et maximale nécessite également une contraction musculaire, mettant ici en jeu les muscles intercostaux internes et abdominaux. Partie 3 : Action des muscles respiratoires C. Pression des gaz et vapeur d'eau I. Pression atmosphérique La pression atmosphérique ou pression barométrique PB est la pression totale résultant de l'énergie cinétique de toutes les molécules constituant le mélange atmosphérique. La PB décroît avec l'altitude mais au niveau de la mer, elle soulève un tube où à été fait le vide une colonne de mercure de 760mm. PB = 760 mmHg (Torr) Déterminants de la pression atmosphérique L'air atmosphérique est un mélange de gaz : – Oxygène : 21% – Azote : 78% – Argon : 0,93% – Gaz carbonique : 0,03% – Vapeur d'eau : 0 à 2% selon le taux d'humidification de l'air – Traces de pollution La pression totale est la résultante de la pression du mélange gazeux 10/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire II. Pression partielle Dans un mélange gazeux, la pression relevant de l'énergie cinétique de chacun des gaz le constituant pris isolément est appelée pression partielle des constituants. La pression partielle d'un gaz constituant un mélange gazeux est la pression développée uniquement par les molécules de ce gaz. Loi de DALTON La pression totale d'un mélange gazeux est égale à la somme des pressions partielles de chacun des gaz du mélange. PB = P02 + PN2 + PAr + PCO2 + PH2O = 760 mmHg En phase gazeuse, la pression partielle est proportionnelle à la concentration du gaz. La pression partielle d'un gaz est obtenue en multipliant la pression totale par la fraction constituante du gaz. P02 = F02 × PB = 0,21 × 760 = 160 mmHg III.Vapeur d'eau, réchauffement et humidification de l'air inspiré L'eau un cas particulier. L'eau peut être en quantité variable dans l'atmosphère suivant le degré d'évaporation qui dépend de la température alors que tous les autres composants seront sous forme gazeuse à température ambiante. En effet, la vapeur d'eau se comporte différemment des autres gaz respiratoires. Lorsqu'un mélange gazeux (air) est en contact avec un liquide (eau) et est saturé en vapeur de ce liquide (vapeur d'eau), alors la pression partielle de cette vapeur dépend de la température. L'air atmosphérique est plus froid que la température corporelle et rarement saturé à 100% en vapeur d'eau. L'air inspiré est alors réchauffé jusqu'à 37° et saturé en eau (100%). A 37°, la vapeur d'eau exerce une pression partielle de 47mmHg. Cette pression partielle générée par la vapeur d'eau est indépendante de la pression barométrique et n’influence pas la composition fractionnaire de l'air atmosphérique. Si PB = 760 mmHg (air ambiant) Si PH2O = 47 mmHg (voies aériennes) Alors la pression restante de l'air inspiré est 760-47 = 713 mmHg Et la pression partielle inspirée est : PiO2 = 0,21 x 713 = 150 mmHg (moins que l'air ambiant à cause de la saturation en eau de l'air inspiré) PiN2 = 0,79 x 713 = 563 mmHg 11/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire D. La ventilation alvéolaire I. Ventilation totale La ventilation totale est le volume que l'on peut mesurer en collectant les gaz expirés pendant une durée donnée, par exemple 1 min. On l'appelle aussi ventilation-minute ou volume-minute (VE) Unités : Volume/durée, litre/minutes, il s'agit donc d'un débit. Le volume de gaz expiré lors d'un cycle respiratoire normal est le volume courant Vt : VE = VT x f f=fréquence Mise en évidence de la ventilation alvéolaire : Les échanges gazeux ont lieu dans les acini alvéolaires, lorsque l'air frais arrive à proximité du sang capillaire. L'air inspiré est acheminé aux alvéoles par les voies aériennes, conductives, qui ne contiennent pas d'alvéoles et ne participent donc pas aux échanges gazeux. En revanche, elles réchauffent et humidifient l'air inspiré. II. Espace mort a) Espace mort anatomique La ventilation alvéolaire est différente de la ventilation totale. En effet, tout l'air inspiré n'arrive donc pas jusqu'aux acini alvéolaires. Tout l'air inspiré ne participe donc pas aux échanges gazeux. A la fin d'une inspiration, le volume d'air restant dans les voies aériennes (conductives) est appelé espace mort anatomique VD justement car il ne participe pas aux échanges gazeux. Valeur normale : 150 à 180 ml Fraction gaspillée du volume courant (VT) : VD/VT = 0,25 à 0,35 12/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire Le Vi, niveau de ventilation inspiré, se répartit en partie au niveau des zones diffusives, des alvéoles et au niveau des zones conductives ou espaces morts anatomiques. Le volume expiré est égal au volume inspiré, mais issu d'un mélange de gaz qui provient et des alvéoles où il y a eu des échanges gazeux et des espaces morts anatomiques où il n'y a pas eu d'échanges gazeux. b) Espace mort alvéolaire Certains alvéoles sont mal ou pas perfusés et donc participent pas ou peu aux échanges gazeux et contribue à la ventilation d'un espace mort. L'ensemble de ces alvéoles constituent l'espace mort alvéolaire. c) Espace mort physiologique L'espace mort physiologique est composé de l'espace mort anatomique et de l'espace mort alvéolaire. Une partie de la ventilation totale sera dans l'espace mort anatomique, une autre partie dans l'espace mort alvéolaire et une dernière partie dans les alvéoles. VD physiologique = VD anatomique + VD alvéolaire A gauche une alvéole n'est pas du tout perfusée (pas de vaisseaux), au milieu, une alvéole mal perfusée et à droite une alvéole normale. L'espace mort alvéolaire est la réunion de l'ensemble des alvéoles pas et peu perfusés. III.Ventilation alvéolaire La ventilation alvéolaire correspond à l'ensemble des débits qui atteignent les alvéoles ayant une fonction de diffusion, c'est à dire qui sont fonctionnelles. VA = VE - VD physiologique 13/14 APPAREIL RESPIRATOIRE – Notions de mécanique ventilatoire C'est un paramètre ventilatoire critique car il détermine la quantité d'air frais disponible par unité de temps jusqu'au niveau des alvéoles qui font pouvoir assumer les échanges gazeux. Bon normalement le prof met le diapo sur l'ENT rapidement.. A l'équipe des bras cassés ! 14/14