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MECANIQUE VENTILATOIRE

Physiologie respiratoire IFMK. Septembre 2012

Dr. M. VIPREY

MECANIQUE VENTILATOIRE 2 2

DEFINITIONS

4 étapes : – Ventilation pulmonaire : mouvements d’air

entre l’atmosphère et l’alvéole (Convection)

• Mécanique ventilatoire • Ventilation alvéolaire

– Diffusion : passage des gaz de l’alvéole au capillaire pulmonaire (Diffusion)

– Circulation sanguine : transport des gaz des capillaires pulmonaires aux capillaires tissulaires (Convection)

– Diffusion : échanges des gaz entre le capillaire tissulaire et la cellule (Diffusion)

cellule

poumon

Ventilation ≠ Respiration

MECANIQUE VENTILATOIRE 3

PLAN • Rythme ventilatoire • Volumes pulmonaires

– Méthodes de mesures

– Volumes • Dynamique ventilatoire

– Cycle ventilatoire – Pressions statiques – Pressions dynamiques

• Propriétés mécaniques – Propriétés élastiques : compliance – Propriétés résistives : résistance

• Méthodes d’exploration – Volumes – Courbe débit-volume


RYTHME VENTILATOIRE • Ventilation calme, normale : Eupnée

– Mouvements périodiques, réguliers – Inspiration : entrée d’air dans les poumons

• Augmentation des diamètres thoraciques • Déplacement antérieur de la paroi abdominale

– Expiration : sortie d’air des poumons • retour à la position de base (passive)

• Hyperventilation : – Exercice : augmentation de l’amplitude et de la fréquence respiratoire


RYTHME VENTILATOIRE

• Variable • Fréquence :

– Tachypnée – Bradypnée

• Amplitude: – Apnée – Hypopnée – Soupir

• Rythme : – Régulier – Irrégulier – Respiration périodique

t

v

Volumes MECANIQUE VENTILATOIRE 6






• Méthodes d’exploration • Volumes • Courbe débit-volume


MESURE DES VOLUMES

• L’amplitude des mouvements thoraciques est variable.

• Les volumes d’air mobilisés sont variables.

• La ventilation pulmonaire ne mobilise pas la totalité des volumes pulmonaires. – Volumes mobilisables

• Spirométrie à cloche – Volumes non mobilisables

• Pléthysmographie corporelle • Méthode de dilution à l’Hélium


MESURE DES VOLUMES

Les mouvements respiratoires du sujet font varier la quantité d’air sous la cloche, ce qui induit un mouvement de celle-ci et un

déplacement du stylet sur le papier, par l’intermédiaire de la poulie.

Spirométrie à cloche


VOLUMES PULMONAIRES

• Volume courant : VT (TV : tidal volume) – Volume mobilisé au cours

d’un cycle ventilatoire – Ventilation de repos – 500 ml chez l’adulte – 8 à 10 ml / kg chez l’enfant (Ventilation mécanique)

VT

VT

volume

t


• Volume de réserve inspiratoire : VRI – Mobilisé au cours d’une

inspiration forcée – 2,5 à 3 l chez l’adulte

• Volume de réserve expiratoire

: VRE – Mobilisé au cours d’une

expiration forcée – 1 l chez l’adulte

VOLUMES PULMONAIRES


VOLUMES PULMONAIRES

• Volume résiduel : VR – Volume d’air contenu dans

les poumons à la fin d’une expiration forcée

– Non mobilisable – Mesure indirecte (He) – Adulte : 1 l

Volume résiduel (VR) ≠ Espace mort (VD)


• Capacité vitale : CV – VRI + VT + VRE – Volume mobilisé au cours

d’une expiration forcée suivant une inspiration forcée

– Totalité des volumes pulmonaires mobilisables

– Adulte : 4 à 4,5 l

VOLUMES PULMONAIRES


• Capacité résiduelle fonctionnelle : CRF – VR + VRE – Volume d’air contenu

dans les poumons à la fin d’une expiration normale

– Mobilisable en partie – Mesure indirecte – Adulte : 2 l

VOLUMES PULMONAIRES


• Capacité pulmonaire totale : CPT – Total des volumes

pulmonaires – Adulte : 5 l

VOLUMES PULMONAIRES

Cycle MECANIQUE VENTILATOIRE 16

CYCLE VENTILATOIRE

• Variations de volumes de la cage thoracique Mouvements d’air

• Fréquence respiratoire ≈ 12-20 cycles / min • Cycle ventilatoire : une inspiration suivie d’une expiration

– Inspiration : active – Expiration : passive (+/- active)

• Renouvellement du gaz alvéolaire – Enrichissement en O2 – Epuration du CO2

• Un cycle ventilatoire ≠ 4 étapes de la respiration

Pressions statiques MECANIQUE VENTILATOIRE 17

PRESSIONS STATIQUES • Loi de Boyle-Mariotte : A température constante et dans un espace clos, la pression P est inversement proportionnelle au volume V :

P0 x V0 = P1 x V1 = P2 x V2

P1 V1 P2 V2

P0 V0

Pressions statiques MECANIQUE VENTILATOIRE 18

PRESSIONS STATIQUES

• Pression atmosphérique Patm – 760 mmHg = 101,3 kPa – Pression de référence : Patm= 0

• Pression alvéolaire : Palv • Pression intra-pleurale Ppl • Gradients de pression :

– Pression trans-murale = pression interne – pression externe – Pression trans-pulmonaire : P TP = P alv – P pl – Pression trans-thoracique : P TT = P pl – P atm – Pression trans-thoraco-pulmonaire : P TTP = P alv – P atm

Cycle MECANIQUE VENTILATOIRE 19

CYCLE VENTILATOIRE

Contraction / relaxation musculaire

Ventilation pulmonaire Volumes pulmonaires

Débit aérien

Variations de la pression alvéolaire

Mobilisation pulmonaire

Variations de la pression pleurale

Mobilisation de la cage thoracique

x FR

Pressions dynamiques MECANIQUE VENTILATOIRE 20

PRESSIONS DYNAMIQUES Un gaz se déplace toujours de la zone de haute pression vers la zone de basse pression


Pressions dynamiques A L’ INSPIRATION :

Contraction des muscles inspiratoires

Expansion thoracique

Pression pleurale P pl ↓

Expansion pulmonaire

Pression alvéolaire P alv ↓

P alv < P atm

Entrée d’air


Pressions dynamiques

Relâchement des muscles inspiratoires

Volume thoracique ↓

Normalisation de la P pl

Volume pulmonaire ↓

P alv ↑

P alv > P atm

Sortie d’air

A L’ EXPIRATION :


PLAN

1. Compliance

2. Facteurs histologiques

3. Surfactant

• Rythme ventilatoire • Volumes pulmonaires







PROPRIETES MECANIQUES

• Ventilation = dynamique • Action des muscles respiratoires contre :

– Élasticité thoraco-pulmonaire (2/3) : COMPLIANCE – Résistances pulmonaires (1/3) : RESISTANCES

• Voies aériennes (80 %) • Parenchyme (20 %)

1. Compliance


1. Compliance • Système élastique

– Au repos : L0 – Après application d’une force F :

longueur L1 – Δ L = L1 - L0 – Compliance = Δ L / Δ F

• Poumon : “ système élastique

3D” – Compliance = “distensibilité” – C = Δ V / Δ P – C pulm = 200 ml / cm H2O

• Elastance = “rétractibilité”

– E = 1/C = Δ P / Δ V

Δ L

Δ F

Δ L Δ F

1. Compliance

L0

L1


Cage thoracique (CT) • Prise de façon isolée, la CT a une tendance

naturelle à l’expansion

• Au repos, lorsque aucune force ne lui est imposée, – la pression interne (représentée par la

pression pleurale) est égale à la Patm, donc P TT = P pl – P atm = 0

– Le volume de relaxation thoracique est > 0 (60% de la CV)

• Lorsque l’on fait varier la P TT, – P interne – P externe < 0 : Pression positive

exercée sur le versant externe de la CT : diminution du volume et forces dirigées vers l’extérieur

– P interne – P externe > 0 : Pression positive exercée sur le versant interne de la CT : augmentation du volume thoracique et forces dirigées vers l’intérieur

% CV

Courbe pression - volume

1. Compliance


Cage thoracique (CT)

Volume de relaxation 60% CV

Inspiration maximale

Expiration maximale

1. Compliance


Poumon • Pris de façon isolée, le poumon a une

tendance naturelle à la rétraction • Au repos, lorsque aucune force ne lui est

imposée, – pression alvéolaire = P atm ,

Donc P TP = P alv – P atm = 0 – Volume de relaxation pulmonaire ≈ 0

(VR)

• Lorsque l’on fait varier la P TP, – P interne – P externe > 0 : Pression

exercée sur le versant interne du poumon : augmentation du volume et forces dirigée vers l’intérieur

% CV


1. Compliance

Pression (cm H2O)


Ensemble thoraco-pulmonaire • Tendance naturelle à l’expansion • Au repos, lorsque aucune force ne lui est imposée,

– P alv = P atm, donc P TTP = P alv – P atm = 0 – Volume de relaxation thoraco-pulmonaire > 0 = CRF

60% CV

VR


1. Compliance

CRF


Ensemble thoraco-pulmonaire • A petit volume (< CRF) : les forces pulmonaires et thoraciques

sont opposées • A la CRF : elles s’annulent (volume de relaxation de l’ensemble) • A plus grand volume (> CRF), elles sont dirigées vers l’intérieur

1. Compliance

Pression (cm H2O)


2. Facteurs histologiques de la compliance pulmonaire

• Tissu pulmonaire – Eléments cellulaires – Matrice extra-cellulaire

• Elastine • Collagène

• Interface air-liquide : rôle du SURFACTANT

2. Facteurs histologiques


3. Surfactant • Sur une interface air-liquide, la tension superficielle T

est la force superficielle de contraction qui tend à rapprocher les parois alvéolaires collapsus

• Loi de Laplace : – P : pression de distension (Palv) – r : rayon de la sphère

• Sans surfactant, T est identique dans toutes les

alvéoles • Donc, Palv est plus élevée dans les alvéoles de petit

calibre (r) Mouvement d’air des petites alvéoles vers les grosses Collapsus des petites alvéoles, distension des

grosses alvéoles 3. Surfactant


3. Surfactant • Tapisse la paroi alvéolaire (interface air-liquide) • Synthétisé par les pneumocytes II

• Agent tensio-actif : - ↓ tension superficielle alvéolaire (P = 2T / r)

- Le surfactant adapte la tension de surface à la taille

alvéolaire de sorte que la pression P alv soit identique dans toutes les alvéoles quel que soit leur calibre

Stabilisation des alvéoles de calibre différent

• ↑ compliance (C = Δ V / Δ P) car ↓ T • Assèchement des alvéoles • Antibactérien

3. Surfactant


PLAN

1. Mécanique des fluides 2. Variation des résistances

• Rythme ventilatoire • Volumes pulmonaires







PROPRIETES MECANIQUES

• Ventilation = dynamique • Action des muscles respiratoires contre :

– Élasticité thoraco-pulmonaire (2/3) : COMPLIANCE – Résistances pulmonaires (1/3) : RESISTANCE

• Voies aériennes • Parenchyme pulmonaire


RESISTANCES PULMONAIRES

Résistances pulmonaires totales

Résistances des VAI : 50%

Résistances des VAS : 50%

Résistances des voies aériennes : 80%

Résistances du parenchyme pulmonaire : 20%

(frottements du tissu pulmonaire)

Trachée + grosses bronches : 40%

Petites VAI : 10%

R parenchyme

RVAS

RVAI gros troncs

RVAI petites bronches

Résistances des voies aériennes

– Intra-thoraciques – Prépondérantes à l’expiration

(relâchement des m. respiratoires : compression des VAI : collapsus)

Résistances des VAS : 50%

Résistances des VAI : 50%

– Extra-thoraciques – Prépondérantes à

l’inspiration (dépression : collapsus)

Inspiration Expiration

↓ P alv ↑ P alv

MECANIQUE DES FLUIDES

• Ecoulement d’un fluide – Gradient de pression ∆P = Palv – Patm – Débit = V° = quantité d’air qui circule dans les VA / unité de

temps (l/min) – Résistance : « difficulté » que l’air doit combattre pour

circuler dans un conduit entre de 2 points sous l’action d’une ∆P donnée

• Régimes – Laminaire – Turbulent – Transitionnel

MECANIQUE VENTILATOIRE 38 1. Mécanique des fluides

MECANIQUE DES FLUIDES

• Ecoulement laminaire – Arbre bronchique périphérique – Loi de Poiseuille :

• Viscosité : η • Rayon : r • Longueur du conduit : l

si r / 2 alors R x16 donc VA de petit calibre : hautes

résistances

P1

l

P2 V° r

V° = V = débit

MECANIQUE VENTILATOIRE 39 1. Mécanique des fluides


VARIATION DES RVA

• Variation du calibre des VAS – Facteurs mécaniques

• P alv : négative en inspiration • Gravité (position allongée) • Muscles pharyngés

– Facteurs nerveux

• Réflexes (nauséeux, …) • Nerfs moteurs des muscles pharyngés

– Facteurs anatomiques

• Rétrécissement du calibre pharyngé (grossesse, obésité)

↓ P alv

2. Variations des RVA


VARIATION DES RVA • Variation du calibre des VAI

– Facteurs mécaniques • Inspiration : P pl négative Traction latérale : Bronchodilatation

– Bronchomotricité : (muscles lisses)

• Bronchodilatation : SN sympathique • Bronchoconstriction :

– SN parasympathique: – Allergènes (via l’histamine) – Irritants (poussière, tabac)

– Facteurs anatomiques

• Obstruction de la lumière bronchique (bouchon de mucus, corps étranger)

2. Variations des RVA


VARIATION DES RVA

• Pathologie : Asthme – Augmentation des résistances des VAI

distales secondaire une réduction de calibre

• Bronchoconstriction (muscle lisse) • Inflammation / œdème de la

muqueuse bronchique

Dyspnée (difficulté respiratoire) Trouble ventilatoire obstructif


Méthodes d’exploration

• Mesure des volumes : – Volumes mobilisables : Spirométrie – Volumes non mobilisables :

• Méthode de dilution à l’Hélium • Pléthysmographie corporelle

• Mesure des débits : – Courbe débit-volume : pneumotachographe – Calcul des résistances : R VA = Δ P / V°

• Pathologie : – Trouble ventilatoire obstructif (TVO) – Syndrome restrictif – Syndrome mixte


VOLUMES

Spirométrie à cloche Courbe de spirométrie

Volume (l)

Temps (s)


VOLUMES MOBILISABLES

• VEMS : volume expiré maximal à la 1ère seconde

– Courbe spirométrique avec expiration forcée

– Ventilation normale – Inspiration maximale : CPT – Puis expiration maximale forcée,

rapide et prolongée – Exprimé en % de la théorique (en

fonction de l’âge, du poids, de la taille)

• Rapport de Tiffeneau : VEMS / CV. Normale = 80 % (80% de la CV est expirée pendant la 1ère

seconde d’une expiration forcée)

CV


VOLUMES MOBILISABLES

• Pathologie : Asthme – Obstruction des bronchioles

distales • Bronchoconstiction • Inflammation • Hypersécrétion

– Altération de l’expiration – Trouble ventilatoire obstructif – ↓ VEMS – CV ≈ normale – ↓ rapport de Tiffeneau

CV

VEMS

CV VEMS

1 sec Normal : Asthme :


COURBE DEBIT-VOLUME

• Mesure des débits d’air générés par le patient aux différents stades du cycle ventilatoire (en fonction du volume pulmonaire, en inspiration et en expiration forcées)

• Spiromètre (volumes) + pneumotachographe (débits)

Temps (s)

Volume (l) volume (l)

Débit (l/s)

inspiration

expiration


COURBE DEBIT-VOLUME

• Cycle respiratoire normal • Puis cycle respiratoire forcé

– Expiration maximale – Inspiration maximale – Expiration rapide forcée

t

Volume (l)

VRI VT VRE VR

CV VR

CPT

volume (l)

Débit (l/s)

inspiration

expiration

CP

T

CV

VR

I V

T V

RE

VR

VR


COURBE DEBIT-VOLUME

• Débit expiratoire de pointe : DEP • Débit maximal à l’expiration :

sommet de la courbe • Débit proximal : Perméabilité des

bronches de gros calibre • Peak-flow = débimètre de pointe

Δ P

R V° =


COURBE DEBIT-VOLUME

• Autres débits expiratoires : – DEM 75 : débit à 75% de la

CV : bronches moyennes – DEM 50 et DEM 25 : débits

à 50% et 25% de la CV : petites bronches

– DEMM 25-75 : débit moyen entre 25 et 75% de la CV

DEM 75

DEM 25

DEM 50


CONCLUSION

• Mouvements respiratoires : – Anatomie fonctionnelle – Muscles respiratoires

• Volumes pulmonaires • Dynamique ventilatoire : loi de Boyle Mariotte • Compliance thoraco-pulmonaire • Tension superficielle : Surfactant • Résistances des voies aériennes : loi de Poiseuille • Courbe débit-volume

MECANIQUE VENTILATOIREDEFINITIONSDiapositive numéro 3RYTHME VENTILATOIRERYTHME VENTILATOIREDiapositive numéro 6MESURE DES VOLUMESMESURE DES VOLUMESVOLUMES PULMONAIRES VOLUMES PULMONAIRES VOLUMES PULMONAIRESVOLUMES PULMONAIRES VOLUMES PULMONAIRESVOLUMES PULMONAIRES Diapositive numéro 15CYCLE VENTILATOIREPRESSIONS STATIQUESPRESSIONS STATIQUESCYCLE VENTILATOIREPRESSIONS DYNAMIQUESPressions dynamiquesPressions dynamiquesDiapositive numéro 23PROPRIETES MECANIQUES1. Compliance Cage thoracique (CT)Cage thoracique (CT)Poumon Ensemble thoraco-pulmonaireEnsemble thoraco-pulmonaire2. Facteurs histologiques de la compliance pulmonaire 3. Surfactant3. SurfactantDiapositive numéro 34PROPRIETES MECANIQUESRESISTANCES PULMONAIRESRésistances des voies aériennesMECANIQUE DES FLUIDESMECANIQUE DES FLUIDESVARIATION DES RVAVARIATION DES RVAVARIATION DES RVADiapositive numéro 43Méthodes d’explorationVOLUMES VOLUMES MOBILISABLESVOLUMES MOBILISABLESCOURBE DEBIT-VOLUMECOURBE DEBIT-VOLUMECOURBE DEBIT-VOLUMECOURBE DEBIT-VOLUMEDiapositive numéro 52

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