UE5 – VandrouxBiomécanique cardiaque

I. Rappels

La pression mesure le rapport entre la norme de la force pressante et la surface sur laquelle elle s’exerce. On n’utilise pas toutes les unités de pression. C’est une force par unité de surface (N/m²).Un bar vaut un peu moins qu’1 atm. Le mmHg est l’unité la plus utilisée et notamment dans les pressions au niveau des vaisseaux.

L’USI est le pascal. 1Pa = 1 N.m-2

On utilise le cm d’eau quand on prend la pression au niveau des voies aériennes.

La tension est une force par unité de longueur (N/m). La tension artérielle résulte de la pression artérielle et de l’élasticité des vaisseaux.

Quelques unités : Rappels

La force : NewtonN = kg m / s2

1 dyne = 10-5 N

Le travail d’une force, l’énergie : Joule1 J = 1 N.m = 1 kg m2 / s2 = 1 W/s

La puissance (énergie par le temps) : Watt1 W = 1 J/s = 1 N.m/s = 1 kg m2 s-3

La pression : Pascal 1 N/m2

Torr = mmHg

Présentation

Le sang est un liquide visqueux, soumis à des frottements, aussi la circulation ne peut se faire sans perte de charge. L’énergie nécessaire pour compenser cette perte sous forme de chaleur est apportée par la pompe cardiaque.

Le cœur est une double pompe (cœur droit assure la circulation pulmonaire et cœur gauche assure la circulation systémique). Il y a deux systèmes avec des pressions différentes, le VG fonctionnant avec des pressions autour de 100mmHg. Les régimes de pressions des deux entités sont différents (100mmHg à gauche et 20 mmHg à droite). A 50 mmHg, il s’agit d’une hyperpression.

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1 bar = 105 Pa1 mbar = 102 Pa1 mmHg = 133,4 Pa1 cm eau = 98,1 Pa1 mmHg = 1,36 cm eau1 atm = 1,013 bar = 1033 cm eau = 760 mmHg

II. Anatomie fonctionnelle Chaque corps de pompe comporte 2 cavités :

Les oreillettes ont un rôle de réservoir recueillant le sang des veines (pulmonaires ou veines caves) pour permettre un remplissage rapide des ventricules.

Les ventricules apparaissent comme les vrais corps de pompe. Ils communiquent au sang l’énergie nécessaire pour la circulation. Contraction cardiaque = ventricule. Ils éjectent le sang dans la circulation. Cela ne veut pas dire que les oreillettes ne se contractent pas.

Leur fonctionnement est lié : - les contractions des oreillettes sont synchrones (c.à.d. OD et OG se contractent en même temps) - les contractions des ventricules sont synchrones (c.à.d. VD et VG se contractent à peu près en même temps).

Les oreillettes ne se contractent pas en même temps que les ventricules.Imaginons que le débit est différent entre le cœur droit et gauche, d’un côté il y aura trop de sang, alors que de l’autre, il n’y en aura pas assez. Si le cœur gauche fonctionne moins bien que le droit, dans la circulation pulmonaire, il y aura une accumulation de sang, alors que dans la circulation systémique, il y en aura moins. Cela entraîne un OAP, d’après la loi de Starling. A l’inverse, s’il y a moins de sang dans la circulation pulmonaire, il y aura une baisse de pression.

Compte tenu de la disposition en série du système circulatoire, ils doivent assurer un même débit. Débit droit = Débit gauche.

Appareils valvulaires

Les valves sont des structures membraneuses de fonctionnement purement passif (elles n’obéissent qu’aux différences de pression entre leurs deux faces). Elles ne se contractent pas et imposent un seul sens à la circulation sanguine.

Les valves ne constituent pas un système automatique, qui s’ouvre et se ferme sous l’action d’un muscle ou de certains nerfs. Ce sont des structures purement passives : elles s’ouvrent et se ferment selon les différences de pressions.

- Si la pression d’amont est supérieure à la pression d’aval, les valves s’ouvrent. - Si la pression d’aval est supérieure à la pression d’amont, les valves se ferment.

Valve mitrale : entre OG et VG Valve sigmoïde aortique : entre VG et aorte Valve sigmoïde pulmonaire : entre VD et tronc de l’artère pulmonaire

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Valve tricuspide : entre OD et VD

Les atteintes valvulaires peuvent être à type :- de rétrécissement (ou sténose) : les valves ne s’ouvrent pas suffisamment. Le débit est diminué.- d’insuffisance (ou fuite) : les valves ne se ferment pas suffisamment, nous avons alors une fuite et le sang repart en sens inverse.- ou de « maladie » (rétrécissement + insuffisance).

III. Cycle cardiaque Le terme de diastole correspond au remplissage d’une cavité, le terme de systole à la phase d’éjection de la cavité.Les choses se passent de manière un peu opposée entres les oreillettes et les ventricules

Par exemple, et schématiquement, lorsque les oreillettes sont en systole : Les ventricules sont en diastole. Les valves mitrales et tricuspides sont ouvertes. Les valves sigmoïdes aortiques et pulmonaires sont fermées.

Diagramme pression-volume du ventricule gauche (important)

Variation de volume par rapport à la pression. Ici la pression est en KPa. Attention en pratique les pressions seront en mmHg.

Les 4 phases du cycle cardiaque

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1. Phase de remplissage

- AB est la phase de remplissage du ventricule.

- Le ventricule double de volume à pression quasi-constante, voisine de zéro.

La systole vient de se finir on commence la diastole. Le cœur doit se remplir. Le cœur augmente de volume sans augmenter la pression Phase de relâchement.On considère la pression comme quasi nulle.

La valve mitrale est ouverte, ce qui entraine le remplissage du ventricule. Augmentation du volume sans modification de la pression.

2. Phase de contraction cardiaque isovolumétrique

- BC est la phase de contraction isovolumétrique (le volume reste le même mais le cœur commence à augmenter ses pressions en se contractant).

- La tension des fibres musculaires augmente la pression intraventriculaire sans variation de volume.

- Absence de travail mécanique Le cœur commence à augmenter ses pressions mais celles-ci restent inférieures à la pression de la valve aortique, donc il n’y aura pas d’éjection.

Il y a : - fermeture de la valve mitrale - contraction des muscles

Puisque la valve aortique ne s’ouvre pas tout de suite, il y a donc : mise en tension du muscle cardiaque augmentation de pression de la cavité cardiaque

Il n’y a pas encore d’éjection. Augmentation de la pression sans modification du volume.

3. Phase d’éjection

- CD est la phase d’éjection.

- L’éjection débute lorsque la pression dans le VG devient égale à la pression de l’aorte.

Quand on va avoir une pression dans le VG, qui va être supérieure à la pression aortique :

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- la valve aortique va s’ouvrir - le VG va continuer à se contracter et à augmenter la pression intra-ventriculaire.

On va avoir à la fois :- une éjection (= diminution de volume) - et une augmentation de pression car les ventricules sont encore actifs (muscle en contraction).

Systole

4. Phase de relâchement isométrique

- DA est la phase de relâchement isométrique.

- Le muscle se relâche sa pression diminue.

La valve aortique se ferme et le muscle se relâche, ce qui entraîne :- une diminution de la pression intra-ventriculaire. Relaxation. Protodiastole

L’aire dans le polygone représente l’énergie que le cœur à besoin, pour augmenter et pour augmenter sa contraction. La pression et le volume vont correspondre au travail du cœur.

A l’inverse des poumons, le cœur lui, a une phase de relaxation active.

IV. Calculs

Calcul du travail cardiaque (QCM exercice)

Au cours d’un cycle, le muscle cardiaque fournit un travail correspondant à la surface de la courbe pression volume.

La formule veut dire quev: le travail (∆W en joules) est égal à l’air sous la courbe

En assimilant la courbe à un trapèze et en prenant les valeurs suivantes pour le ventricule gauche : VA = VD = 80 cm3

VB = VC = 160 cm3

pA = pB = négligeable=0 pC = 100 torr pD = 120 torr

Torr = mmHg

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Aire rectangle = 80.10-6 x 100.133 = 1.064Aire triangle = (20.133 x 80.10 -6)/2 = 10.133 x 80.10 -6 = 0,1064Aire totale = 1.064 + 0,1064 = 1,2 (Pa.m3)

Attention il va falloir convertir les pressions en Pa et les cm3 en m3.

Méthode donné dans l’ancien ronéo   : Aire rectangle = 80 x 100 = 8000Aire triangle = (20 x 80)/2 = 10 x 80 = 800Aire totale = 8000 + 800= 8800 (mmHg x cm3)

1 mmHg = 133 Pa et 1cm3 = 10-6 m3

Donc ∆W = 8800 x 133(Pa) x 10-6(m3)Or Pa = N/m² donc Pa x m3 = N/m² x m3 = N.m = Joules∆W = 8800 x 133 x 10-6 = 1,17 JoulesOn tire ∆W ≈ 1,2 Joules Soit 1,2 Watt (J/s) pour une fréquence cardiaque de 60/min.

Pour le ventricule droit, la pression de l’artère pulmonaire est beaucoup plus basse, d’où une puissance d’environ 0,2 Watt.

V. Débit cardiaque Avec : fC : fréquence cardiaque VE : volume d’éjection systolique

Ce débit est de l’ordre de 5 à 6 L / min. Il dépend de la taille et du poids. C’est une valeur qui s’adapte.

Dépendant de la taille et du poids du sujet, on définit : l’index cardiaque (IC) : c’est le débit par unité de surface corporelle, exprimé en L. min-1.m-2.

Très utilisé.

l’indice de débit : rapport du débit cardiaque sur le volume sanguin total du sujet. Normal entre 1,2 et 1,3 min-1. L’indice est beaucoup moins utilisé que l’index.

La surface corporelle moyenne est de 1,73m²

Aire du rectangle : L*l

Aire du triangle rectangle : (L*l)/2

Il faudra ensuite additionner les deux aires.

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IC = 5 ou 6(L) / 1.72 > 3Plus on est grand et fort, et plus le débit cardiaque est important (normalement).

Fraction d’éjection

- Le volume d’éjection est le volume de sang éjecté par le ventricule par systole.

- Le volume télédiastolique (VTD) est le volume en fin de remplissage, en fin de diastole juste avant la systole.

- Le volume télésystolique (VTS) est le volume en fin de systole, avant que ne commence le remplissage.

A partir de ces volumes, on définit la fraction d’éjection comme étant le volume envoyé dans la circulation divisé par le volume au début de la systole. Plus simplement c’est le pourcentage de sang contenu dans le cœur qui sera envoyé dans la circulation.

Exemple de l’année dernière : Fe est de 50% avec : VTD = 160VTS = 80donc : Fe = (160 – 80) / 160 = 80 / 160 = 0,5 = 50%

Les valeurs normales de la fraction d’éjection varient entre 50 à 70%. Une valeur plus basse peut témoigner d’une insuffisance cardiaque systolique.

On peut avoir des valeurs plus hautes pendant des activités physiques, le stress ou en situation d’hypovolémie (choc septique). En effet, pour adapter son débit, le cœur augmente la Fe.

Courbe de Starling

C’est la représentation du volume d’éjection systolique en fonction du volume télédiastolique.

Toute augmentation du volume télédiastolique augmente le volume d’éjection. Plus le cœur se remplit, plus il aura de facilité à d’envoyer du volume.

Plus le cœur est gros (plus son volume est important), plus le VES est important.Le premier déterminant de l’IC est le VTD (= c’est la précharge).

Si vous avez un cœur insuffisant cardiaque, il a une contractibilité moins importante, même si vous augmentez le volume, le VES est moins important, avec la même réserve, il va envoyer moins de sang.

La courbe de Starling dépend de la capacité du cœur : elle sera donc moins importante si le cœur est hypocontractile.

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Décompensation au volume critique Au-delà d’un certain volume diastolique critique, les fibres musculaires seront trop étirées, cela abouti à un point critique, ou si l’on augmente la précharge, il n’y aura pas d’augmentation du VES. Par exemple si nous avons un patient en pleine hémorragie, nous avons une diminution de la précharge (= moins de VTD), il faudra donc la remplir afin d’augmenter son VES. A cela, la pression artérielle va augmenter.

La force de contraction de la fibre musculaire augmente avec la longueur initiale jusqu’à une valeur limite : au-delà, la force de contraction musculaire diminue modérément.

Lorsque le volume ventriculaire augmente à tension constante, la pression développée diminue. En étirant les fibres au niveau du cœur, l’élasticité va être moins bonne. Si on dépasse une certaine limite, en augmentant trop le VTD du cœur, on peut avoir un effet négatif sur le VES.

Retour veineux (volume de la petite circulation qui revient au cœur)

A l’état normal, le débit du ventricule est égal au débit de remplissage du ventricule (ou retour veineux).

D’après la courbe de Starling, le débit d’éjection est fonction du volume diastolique de remplissage lui-même proportionnel à la pression télédiastolique du ventricule égale à la pression de l’oreillette à cet instant, car la valve mitrale est ouverte.

Plus la pression au niveau du ventricule augmente, moins le sang auriculaire (retour veineux) rentre dans le ventricule. Plus la pression dans le ventricule diminue, mieux le retour veineux se fera.

Autrement dit, plus la différence de pression entre l’oreillette et le ventricule est important mieux c’est. Et inversement si la pression est moins importante, alors le VES est moins important

PTDVG (= Pression TéléDiastolique du Ventricule Gauche)

En traçant sur un même graphique, les variations du débit d’éjection et du retour veineux en fonction de la pression télédiastolique du ventricule, l’état des régimes permanents est représenté par le point de croisement des 2 courbes.

Il est important d’avoir un état d’équilibre entre :- ce qui rentre dans le cœur (retour veineux)- ce qui sort du cœur (courbe de Starling) Le point de croisement de ces 2 courbes détermine la précharge optimale à l’éjection.

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PTDVG et insuffisance cardiaque

En cas d’insuffisance cardiaque, la PTDVG augmente.

Cela entraine une augmentation du volume du ventricule avec risque de décompensation avec stase de sang au niveau du ventricule.

Le traitement de l’insuffisance cardiaque systolique consiste d’ailleurs soit à renforcer le muscle cardiaque (inotropes positifs) soit à diminuer le retour veineux en diminuant le volume sanguin par diurétiques.

Contrairement au poumon, pour revenir à son état habituel, le cœur se relâche de manière active (il a besoin d’énergie), et non passive.Nous pouvons donc avoir des troubles de la relaxation (insuffisance cardiaque) donc une pression télédiastolique plus importante et donc un retour veineux diminuer.NB : Il existe des insuffisances cardiaques diastoliques seules, systoliques seules et diasto-systoliques.

VI. Cycle cardiaque   : Exemple En introduisant un capteur de pression dans le VG (cathétérisme gauche), on peut obtenir un diagramme pression/temps et un diagramme volume/temps qui va nous permettre de suivre les différents temps du cycle cardiaque.

Nous prendrons une fréquence cardiaque de 65/min, soit un cycle de 92 ms ; le cycle commence en début de diastole (après éjection du sang dans l’aorte).

NB : ms = milliseconde cs = centiseconde proto- = début télé- = fin

1. La diastole

A. La protodiastole (point D sur le graphique)

La systole vient juste de se finir, la pression dans ventricule gauche était supérieure à l’aorte c’est le début du remplissage.

- Durant les 4cs initiales, le VG commence à se relâcher.- Les pressions ventriculaires gauches et aortiques diminuent à la même vitesse. - La valve aortique est alors ouverte : VG et aorte sont une cavité unique sans différence de pression, c’est le début de la diastole.- Le VG contient le volume de sang résiduel post-éjection. Le minima de volume appelé volume télésystolique (de fin de systole).

- A la fin de la protodiastole, la pression VG devient inférieure à la pression aortique (le VG se relâche plus rapidement que l’aorte) ; la valve aortique se ferme, le médecin entend alors au stéthoscope un bruit appelé B2 ; le VG est alors complétement clos.

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B. Phase de relaxation isovolumique (phase DA)

- Les deux valves sont fermées.

- Durant les 8cs suivantes, le relâchement ventriculaire se poursuit dans un VG clos, la pression diminue vite, le volume de la cavité restant inchangé.

La pression diminue sans variation de volume, il n’y a donc pas encore de remplissage ventriculaire.

- Durant la systole ventriculaire précédente, l’oreillette gauche (OG) était en diastole (elle se remplissait de sang), la valve mitrale était fermée. Le remplissage continue durant la protodiastole VG et la phase de relâchement isovolumique. La pression de l’OG augmente alors qu’elle diminue dans le VG de façon passive. Il n’y a pas de contraction de l’OG.

- Lorsque POG > PVG, la valve mitrale s’ouvre (aucun bruit). Le sang tombe de l’oreillette vers le ventricule.

- La relaxation est un phénomène actif : les troubles de relaxation entrent dans le cadre de l’insuffisance cardiaque diastolique. Avec l’âge, il y a de plus en plus de trouble de la relaxation.

C. Remplissage du VG

- Durant les 46cs suivantes, le remplissage du VG va s’effectuer d’abord passivement. C’est la phase la plus longue.

- Il y a 3 phases : Phase de remplissage rapide 1 cs, 80% du volume à éjecter passe de l’OG vers le VG.

Phase de remplissage lent : 25cs, la pression hydrostatique augmente dans le VG par accumulation de sang, mais la relaxation continuant, la pression totale ne varie pas. L’afflux est moins rapide car il n’y a plus de retard de relaxation. Secondairement, il y aura la systole auriculaire, il y aura contraction pour éjecter le reste de sang.

En cas de fibrillation auriculaire, c’est cette contraction qui ne se fait pas. Il y aura une perte d’au moins 20 à 25 % de précharge et donc de l’efficacité cardiaque.

Systole auriculaire : 10cs, apporte peu de sang mais PVG > POG, la valve mitrale se ferme, le médecin perçoit dans son stéthoscope un bruit appelé́ B1.

Vélocité du sang au doppler mitral ( écho cardiaque)

On voit le mouvement du sang sur la valve.

• 1er passage - remplissage rapide « E » (early), ouverture de la valve mitrale. La vitesse augmente.

• 2ème passage- remplissage lent, le cœur continu à se relaxer. La vitesse diminue.

• Systole auriculaire « A ». La vitesse réaugmente.

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C’est une écho-doppler et la courbe représente la vitesse.

Le diagramme montre les variations du volume ventriculaire.1 : protodiastole Puis relaxation isovolumique avec diminution de pression dans VG

2 : phase de remplissage rapide

3 : phase de remplissage lent

4 : systole auriculaire

D. La télédiastole

- Durant les 7cs suivantes, tout reste en l’état. - Equivalent de la précharge.- Le VG contient alors environ 200 mL de sang, c’est le volume maximum durant le cycle : il est appelé volume télédiastolique. - Cette phase définit aussi la PTDVG (pression télédiastolique du ventricule gauche). Si on est en surcharge de pression, celle-ci va augmenter. On le voit dans certains types d’IC.- Cette phase termine la diastole qui aura durée 65cs, encadrée par deux bruits : B2 et B1.

2. La systole

- Elle se déclenche brutalement.- La pression augmente vite dans la cavité close ; c’est la phase de contraction isovolumique (BC) ; en 5cs, la PVG > P aortique, la valve aortique s’ouvre (phase AB).- L’éjection dure 22cs, avec une phase d’éjection rapide (80% du VE en 5cs) puis une phase d’éjection lente (13cs) pendant laquelle la PVG commence à diminuer.- A la fin de l’éjection, nous sommes à nouveau en protodiastole (PVG = P aortique)

Pour l’examen, on aura surement un calcul d’aire et des questions sur le cycle cardiaque, savoir définition index débit savoir raisonner sur une courbe de Starling, insuffisance cardiaque.

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