Ronéos 2023-2024 - Physiologie Respiratoire PDF

PARIS VI – Ronéos 2023-2024 Professeur: Dr Christian Straus Rédacteurs: Ruben FHIMA & Yingxin LU EIA – RESPIRATOIRE PHYSIOLOGIE 1: Structure fonctionnelle de l'appareil respiratoire SOMMAIRE: I – INTRODUCTION...

PARIS VI – Ronéos 2023-2024 Professeur: Dr Christian Straus Rédacteurs: Ruben FHIMA & Yingxin LU EIA – RESPIRATOIRE PHYSIOLOGIE 1: Structure fonctionnelle de l'appareil respiratoire SOMMAIRE: I – INTRODUCTION PAGE 1 II – LES VOIES AÉRIENNES ET LES ÉCHANGES GAZEUX 1) LES VOIES AÉRIENNES PAGE 2 2) LA RÉSISTANCE A L’ÉCOULEMENT DES GAZ PAGE 3 3) LES ZONES D’ÉCHANGES GAZEUX PAGE 5 III – PHYSIOLOGIE DE L’APPAREIL RESPIRATOIRE 1) L’ESPACE MORT PAGE 8 2) LE VOLUME COURANT PAGE 9 3) LA VENTILATION ALVÉOLAIRE PAGE 9 4) LES VOLUMES PULMONAIRES PAGE 11 IV – LES TECHNIQUES DE MESURE DES VOLUMES PULMONAIRES MOBILISABLES 1) LE SPIROMÈTRE À CLOCHE PAGE 12 2) LE PNEUMOTACHOGRAPHE PAGE 12 3) LE PLÉTHYSMOGRAPHE PAGE 13 V – LES TECHNIQUES DE MESURE DE VOLUMES PULMONAIRES NON MOBILISABLES 1) LA MÉTHODE DE DILUTION D’UN GAZ TRACEUR PAGE 14 2) LA MÉTHODE PLÉTHYSMOGRAPHIQUE PAGE 15 3) LA MÉTHODE DE RINÇAGE DE L’AZOTE PAGE 17 VI – LES MESURES DES VOLUMES 1) EXPRESSION DE MESURES DE VOLUMES PAGE 17 2) COMPARAISON DES RÉSULTATS A DES VALEURS ATTENDUES PAGE 18  EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle I – INTRODUCTION DÉFINITION DE LA PHYSIOLOGIE - Science qui étudie les fonctions et les propriétés des organes et les propriétés des organes et des tissus des êtres vivants. Physiologie o On peut s'intéresser à la physiologie d’un être vivant en entier, celle des organes (ici les poumons) des tissus, ou des cellules. Physiologie - Science qui étudie les fonctions (généralement les fonctions humaine normales) de l’organisme humain. - C’est savoir comment fonctionne l’organisme humain pour pouvoir ensuite corriger ce qui ne « marche » plus (c’est-à-dire les maladies) Physiopathologie - Quand on s’intéresse au mécanisme des maladies. RAPPELS GÉNÉRAUX - Les poumons sont au nombre de 2 par individu. Ils représentent l'organe central de l’appareil respiratoire, ils assurent les échanges gazeux en captant l'oxygène dont nos cellules ont besoin pour fonctionner. - Permet à l’oxygène d’atteindre le fond des alvéoles. - Puis l’oxygène passe dans le sang = sang oxygéné et rejoint la veine pulmonaire: o L'inspiration Tout ce qui est qualifié de "veine" correspond aux vaisseaux qui rejoignent le cœur. o Tout ce qui est qualifié "d'artère" correspond aux vaisseaux qui partent du cœur. - Quitte poumons par veines pulmonaires, arrive au cœur, puis est éjecté dans les artères (notamment l’aorte) pour être distribué aux tissus périphériques. - Tissus périphériques: l'oxygène y est consommé par le métabolisme (=respiration): o Le sang artériel Fonctionnement énergétique des tissus: consommation d’oxygène et production de dioxyde de carbone. - Le sang est appauvri en dioxygène et enrichi en dioxyde de carbone. - Rejoint le cœur par Veine Cave Supérieure et Veine Cave Inférieure, puis quitte le cœur Le sang veineux par les artères pulmonaires avant de rejoindre les poumons - Le dioxyde de carbone est éliminé au niveau des alvéoles et est expiré dans l’air L'expiration ambiant. 1 EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle II – LES VOIES AÉRIENNES ET LES ÉCHANGES GAZEUX 1) LES VOIES AÉRIENNES LES VOIES AÉRIENNES Gaz inspiré - Correspond à l'air avec une composition précise: 21% d’oxygène et de l’azote. - Tuyaux qui conduisent l’air aux alvéoles, et le dioxyde de carbone des alvéoles à l’extérieur. On appelle ces voies aériennes: les voies de conduction (il ne se passe Voies de rien d’autre dans ces tuyaux que le débit de gaz). conduction - Les voies de conduction des gaz correspondent à la trachée et aux bronches qui se divisent par dichotomies successives jusqu’à la 16ème génération. LES VOIES AÉRIENNES: LES VOIES AÉRIENNES SUPÉRIEURES - Débutent au niveau du nez et de la bouche. - Fait partie du tronçon commun aux voies Bouche aériennes et digestives avec le pharynx. - Carrefour aérodigestif qui se prolonge par: Pharynx o En avant, le larynx (voie aérienne); o En arrière, l’œsophage (voie digestive). - Position des cordes vocales permettant la Larynx phonation et de la "pomme d'Adam" formée par les cartilages thyroïdes et cricoïdes. 2 EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle LES VOIES AÉRIENNES: LES VOIES AÉRIENNES INFÉRIEURES - Elle se divise en 2 bronches souches: droite et Trachée gauche pour chacun des poumons. - Puis divisions dichotomiques en bronches et bronchioles de plus en plus petites jusqu’à atteindre les alvéoles. Bronches et - On parle d'arbre pulmonaire, qui possède une bronchioles structure fractale, avec une dimension proche de 1: permet au volume thoracique (relativement petit) de contenir la très grande surface d’échanges pulmonaires. 2) LA RÉSISTANCE À L'ÉCOULEMENT DES GAZ RÉSISTANCE À L'ÉCOULEMENT DES GAZ - Les voies de conduction opposent une certaine résistance à l’écoulement des gaz. - La résistance de l’arbre bronchique peut se calculer si on connaît: o le débit gazeux (V’) qui le traverse; o les pressions à ces extrémités, c’est à dire l’ouverture des voies aériennes supérieures et dans les alvéoles. RÉSISTANCE À L'ÉCOULEMENT DES GAZ: 2 MODES D'ÉCOULEMENT - Correspond à de faibles débits où les lignes de direction du flux sont parallèles aux parois: P1 P2 r Débit: V’ l - Le débit V’ est directement proportionnel à la différence de pressions entre les 2 extrémités du conduit: P1#𝑃2 - R: résistance à l’écoulement en cm H2O · L–1 · s–1 𝑅 = &' Laminaire - P1 et P2: pressions aux extrémités du conduit en cm H2O - V': débit en L · s–1 - Il existe une autre manière de calculer la résistance et qui permet de comprendre les symptômes de certaines pathologies respiratoires : 8· · l 𝑅= - l : longueur conduit / r : rayon conduit /  : viscosité du gaz π · r4 - À partir de ces deux formules, on peut en déduire la Loi de Poiseuille : V' = (P1 – P2) · π · r4 8·η·l 3 EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle RÉSISTANCE À L'ÉCOULEMENT DES GAZ: PATHOLOGIES RESPIRATOIRES AUGMENTANT LA RÉSISTANCE - À l'inspiration, tout le contenu thoracique augmente de volume selon la flexibilité du tissu: o Du parenchyme pulmonaire, souple, s'expand beaucoup o Une bronchiole, plutôt souple, voit son rayon augmenter o L'aorte, rigide, s'expand peu  Le calibre bronchique augmente à l'inspiration. Mécanisme - À l'expiration, c'est le phénomène opposé qui survient, le contenu général thoracique diminue de volume.  Le calibre bronchique diminue à l'expiration. - Ainsi, le rayon des différents tuyaux est modifié, donc leurs résistances aussi. Or, le rayon étant inversement proportionnel à la puissance 4 de la résistance, un léger changement de rayon possède un très fort impact sur la résistance à l'écoulement. - Asthme: plus fréquent chez les jeunes - BPCO: Broncho-Pneumopathie Chronique Obstructive: 90% des personnes atteintes sont fumeurs (mais il existe d'autres étiologies). - Dans ces deux pathologies, la muqueuse des Mécanisme bronches est épaissie car malade ou inflammée: Normal BCPO pathologique le calibre bronchique est plus petit, donc encore plus petit à l’expiration ⇒ augmentation importante des résistances (R → r–4). Expiration Inspiration  Par conséquent, une pathologie réduisant le calibre bronchique affectera d’abord l’expiration et, seulement ensuite, l’inspiration. 4  EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle TAILLES DES VOIES DE CONDUCTION co2)upe 500 400 en 300 Diamètre Surface Trachée 1,8 cm 2,5 cm2 200 totale Bronches 6e – 7e ordre 1 - 2 mm 10 cm2 100 e Bronches 14 ordre 0,7 mm 70 cm2 Sur face Bronches de transition 0,5 mm 530 cm2 0 5 10 15 20 23 Zone respiratoire 250 µm 80 m2 à 140 m2 Génération bronchique - Les bronches deviennent de plus en plus étroites lorsqu’on desc - Vu que leur rayon diminue, on pourrait croire que leur résistance , compte Cependant tenu de leur très grand nombre, leur surface de sectiien plus él evée. C'est ce qui explique que les résistances sont plus élevées au niveau des voies aéri qu'au niveau des alvéoles, en conditions physiologiques. 3) LES ZONES D'ÉCHANGES GAZEUX LES ZONES D'ÉCHANGES DE GAZ - Les zones d’échanges gazeux sont caractérisées par la présence d’alvéoles sur leur paroi: o l’oxygène de l’air qui passe dans le sang; o le dioxyde de carbone qui sort pour être expiré. Définition - L’épithélium et les tissus qui soutiennent les voies de conduction (les bronches) et les zones d’échange gazeux (les alvéoles), sont très différents. - La surface totale de la zone d’échanges est de 50 à 100 m2. - Elles débutent après les bronchioles terminales (16e génération), au niveau de la 1ère génération des bronchioles respiratoires (17e génération) et se poursuivent jusqu’à la 23e génération. o La quantité d’alvéoles présents sur les parois bronchiolaires augmente de la 17e à la 23e génération. Situation o Bronchioles respiratoires: comprises entre la 17e anatomique génération et la 19e génération. o Canaux alvéolaires: compris entre la 20e génération et la 22e génération. o Sacs alvéolaires: correspondent à la 23e génération. - Le nombre "réel" de générations bronchiques est compris entre 18 et 30. 5  EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle LES ZONES D'ÉCHANGES DE GAZ: ÉPITHÉLIUM DE SURFACE - Elles sont constituées de cellules ciliées avec des glandes à mucus et Voies de du mucus qui circule sur les cellules bronchiques. conduction - Les tissus des voies de conduction (les bronches) et des zones d'échanges gazeux (les alvéoles) sont très différents. - Sont des cellules extrêmement fines. - Elles tapissent les vaisseaux sanguins et constituent la membrane alvéolo-capillaire: ~0,5 micron Voies Pneumocytes I o Elle peut s'épaissir dans des conditions d'échanges physiopathologiques (œdèmes pulmonaires, = Alvéoles pneumopathies interstitielles) ⇒ problème de diffusion des gaz. - Surface totale de la membrane: 50 à 100 m2. - Sont des cellules plus grosses. - Pneumocytes II Elles fabriquent le surfactant. LES ZONES D'ÉCHANGES DE GAZ: LES ALVÉOLES - Les alvéoles peuvent être imaginés comme des petits sacs composés d’une membrane très fine et enveloppés d’un filet de vaisseaux capillaires. o Cela est nécessaire pour que l’alvéole soit fonctionnelle car cela permet les échanges gazeux entre l’alvéole et le sang. Les capillaires doivent être pleins Caractéristiques de sang. - L’épaisseur de la membrane alvéolo-capillaire est d’environ 0,5 µm. - Il y a plus de 1000 capillaires par groupe d’alvéoles et les poumons contiennent 300 millions d’unités alvéolo-capillaires. - Certaines pathologies ont pour effet un arrêt des échanges gazeux: o L'embolie pulmonaire correspond à des vaisseaux pulmonaires bouchés et Pathologies donc des capillaires alvéolaires vides, le sang ne circule plus. o Lors d'un rétrécissement des vaisseaux pulmonaires: la résistance augmente, le sang ne circule plus, les capillaires sont vides. 6  EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle LES ALVÉOLES : LA LOI DE LAPLACE - On considère que les alvéoles sont des petites sphères. o Possède un rayon, un diamètre. - Il existe une pression au sein de cette alvéole. Elle est décrite par la loi de Laplace : P = 4T/r P: Pression dans l'alvéole T: tension de surface sur les parois de l'alvéole P r: rayon de l'alvéole supposée sphérique La loi de Laplace - Selon la loi de Laplace la pression est plus élevée dans les petites alvéoles que dans les grandes. o Les gaz devraient donc s'écouler dans les grandes alvéoles. - Mais ce n'est pas le cas, en raison du surfactant: o Film lipido-protéique qui tapisse la paroi alvéolaire, o Réduit la tension de surface des plus petites alvéoles et homogénéise les pressions. LES ALVÉOLES : LE SURFACTANT - Fabriqué par les pneumocytes II. - Il permet de régler la tension pour que les pressions soient pareilles dans tous les alvéoles en réduisant/augmentant la tension de surface des plus petits alvéoles de manière que tout soit en équilibre. Caractéristiques - Néanmoins, il est soumis à des règles: agencements moléculaires, qui font que les molécules montent et descendent selon que le film est plus ou moins étiré, et qu’à la fin, avec les charges électriques, il règle la tension de surface dans chaque alvéole. - Présents chez les bébés prématurés car ils naissent avant que leurs poumons ne soient assez mûrs pour fabriquer du surfactant. Cela les empêche de respirer, Maladies des ils sont placés en réanimation. membranes - Traitements: Pathologies du o Corticoïdes donnés à la mère avant la naissance pour hyalines surfactant accélérer la maturation. o Injection de surfactant artificiel dans les poumons du bébé à la naissance. - Maladies pulmonaires graves de l’adulte qui affectent le surfactant: poumon devient “irrespirable”. Le surfactant pulmonaire est un mélange de phospholipides et de lipoprotéines sécrété par les pneumocytes de type II (voir Fonction pulmonaire néonatale). Il diminue la tension superficielle air/liquide créée par la fine couche de liquide se trouvant à la surface des alvéoles, en diminuant ainsi la tendance des alvéoles à se collaber et le travail nécessaire pour les distendre. En cas de déficit en surfactant, une pression supérieure est nécessaire pour ouvrir les alvéoles. Si la pression respiratoire n'est pas adéquate, les poumons deviennent atélectasiques de manière diffuse, ce qui déclenche une inflammation et un œdème pulmonaire. Le nourrisson devient hypoxique, car le sang passant dans les portions atélectasiées du poumon n'est pas oxygéné (formant un shunt droit-gauche intrapulmonaire). La compliance pulmonaire est diminuée, ce qui augmente le travail respiratoire. Dans les cas sévères, le diaphragme et les muscles intercostaux se fatiguent et une hypercapnie (rétention de dioxyde de carbone) avec acidose respiratoire apparaît. 7  EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle III – PHYSIOLOGIE DE L'APPAREIL RESPIRATOIRE MODÈLE MONO-ALVÉOLAIRE - Si tous les alvéoles étaient ventilés et perfusés de manière homogène, les poumons pourraient être modélisés comme: o un tuyau unique (qui représente toutes les voies de conduction), o arrivant dans un alvéole unique (qui représente tous les alvéoles), o avec un vaisseau sanguin unique (qui représente tous les capillaires). - Il faut néanmoins considérer que c'est une simplification: le poumon n'est pas réellement homogène, certains capillaires sont à l'arrêt. 1) L'ESPACE MORT LE MODÈLE MONO-ALVÉOLAIRE: L'ESPACE MORT - L'espace mort correspond au volume de gaz pulmonaire qui n’est pas impliqué dans les échanges gazeux qu'on soit au repos ou en activité. - L’espace mort: c’est donc un volume de gaz VD. - voies de conduction types d'espace mort Espace mort - Gaz qui reste dans les conduits: partie haute. Espace mort anatomique - VD anatomique: 150 ml sur un cycle ventilatoire de 500mL au repos (= volume courant). - Quand on inspire, encore du gaz qui descend dans les alvéoles mais ne participe pas aux échanges gazeux Alvéole Espace mort (inclut VD anatomique). physiologique - Tous les espaces ventilés mais non perfusés - VD physiologique: dépend du poids, de la taille... - Les alvéoles sont détruits ou ne sont plus du tout utilisés, et donc l'espace mort n'existe plus. Cela survient dans la BPCO, dans les embolies pulmonaires. Pathologies  Cet espace mort augmente de manière pathologique, avec augmentation du gaz carbonique dans le sang - Quand on inspire, on fait rentrer du gaz mais certaines molécules subsistent dans le nez, la bouche, le pharynx, le larynx, la trachée, ou dans les 12 premières divisions, et ne servent pas pour les échanges gazeux, servent juste à remplir les tuyaux. o À chaque inspiration, on a donc une proportion de gaz (⅓ en général) qui ne sert pas. Cela s'explique par le fait que la voie d’entrée et la voie de sortie pour de l'air est la même. Précisions - Tous nos capillaires ne sont pas toujours utilisés, certains sont vides au repos (capillaires de réserve qu’on va utiliser quand on va fournir des efforts). o Le gaz qui va atteindre les alvéoles dont les capillaires sont vides ne va pas servir non plus aux échanges gazeux: il va arriver dans des alvéoles où il n’y a pas de capillaire, pas de sang, pas d’échanges. Les alvéoles dont les capillaires sont non perfusés, cela est compté comme de l’espace mort. 8 EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle 2) LE VOLUME COURANT LE MODÈLE MONO-ALVÉOLAIRE: VOLUME COURANT - Le volume courant (VT) correspond au volume de gaz qui entre et qui sort des poumons à chaque cycle de la ventilation: o La partie du volume courant qui n’atteint pas de zone d’échanges gazeux correspond à l’espace mort (VD): 1/3 du VT o Une partie seulement du volume courant sert effectivement aux Définition échanges gazeux. C’est la partie qui atteint les alvéoles perfusés. Il s’agit du volume alvéolaire (VA): 2/3 du VT  Le volume courant peut donc s’écrire comme la somme de l’espace mort et du volume alvéolaire: VT = VD +VA - À l'expiration: les voies de conduction sont Air remplies d'un gaz chargé en CO2. ambiant Cinétique - À l'inspiration: prise d'un volume courant, respiratoire cela signifie qu'on réinspire ⅓ de gaz déjà chargé en CO2 de l'expiration et ⅔ d'air CO2 ambiant, riche en O2. 3) LA VENTILATION ALVÉOLAIRE LE MODÈLE MONO-ALVÉOLAIRE: DÉBIT VENTILATOIRE - Le débit ventilatoire (V’) est le débit de gaz qui entre (débit inspiratoire, V’I) ou qui sort (débit expiratoire, V’E) des poumons. Le débit ventilatoire se mesure au nez ou à la bouche, c’est-à-dire à l’ouverture des voies aériennes supérieures. On admet que V’I = V’E , on peut donc écrire: - V'E: débit expiratoire V'E = VT × F - VT: volume courant - F: fréquence ventilatoire Définition - Cependant, V'E n’est pas toujours égal à V'I car la production de CO2 n’est en général pas égale à la consommation du dioxygène. Au repos, on note le rapport R de la production de CO2 à la consommation d’oxygène: - R: V'CO 2 quotient respiratoire R= ≈ 0,8 - V'(CO2): débit de CO2 V'O2 - V'(O2): débit d'O2  Cette différence de débit partiel est corrigée par l'adaptation de la ventilation. On fait varier le VT de l'ordre de 20% pour s'adapter à cette différence. COMPOSITION APPROXIMATIVE DE L'AIR Air inspiré Air expiré - O2 = 16% o En partie grâce à - O2 = 21% l’espace mort - N2 = 79% - CO2 = 5% - N2 = 79% 9 EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle LE MODÈLE MONO-ALVÉOLAIRE: DÉBIT ALVÉOLAIRE - La ventilation alvéolaire ou débit alvéolaire (V’A), correspond au débit gazeux au niveau des zones où s’effectuent les échanges gazeux, c’est-à-dire au niveau des alvéoles perfusés. Le débit alvéolaire sert à capter le dioxygène et à éliminer le CO2. Définition - Une diminution de la ventilation alvéolaire conduira donc une élévation du taux de CO2 contenu dans le sang. - Reflète la quantité de CO2 qu’on a dans le sang, qui est : Pression o Proportionnelle à la production de CO2 par l’organisme (débit de CO2) partielle en o Inversement proportionnelle à V’A CO2 - PaCO2: Pression partielle en CO2 artérielle K.V'CO2 artérielle - V'(CO2): Débit en CO2 PaCO2 = - V'A: débit alvéolaire V'A - Étant admis que V’E = VT x F, on peut écrire : V’E = (VA + VD ) × F - V’E = F × VA + F × VD - De ces équations, il ressort que si l’espace mort (VD) est constant et pour un même débit ventilatoire total (V’E = VT × F) le débit alvéolaire (V’A) sera plus grand si le volume courant (VT) est plus grand et la fréquence ventilatoire (F) plus petite. V’E = V’A + V’D Mesure du V’A = V’E – V’D débit On illustre cela avec 2 exemples alvéolaire Exemple 1 Exemple 2 - F = 18/min ; VT = 500 ml ; VD = 150 ml - F = 12/min ; VT = 750 ml ; VD = 150 ml - V’E = 18 x 500 = 9000 ml/min - V’E = 12 x 750 = 9000 ml/min - V’D = 18 x 150 = 2700 ml/min - V’D = 12 x 150 = 1800 ml/min - V’A = 9000 – 2700 = 6300 ml/min - V’A = 9000 – 1800 = 7200 ml/min Donc, pour une même ventilation totale (V’E ), la ventilation alvéolaire sera plus grande si le volume courant (VT) est grand et la fréquence respiratoire (F) petite. - La valeur physiologique de la pression partielle en CO2 est PCO2(N) = 40 mmHg. On adapte donc la ventilation aux pressions partielles des gaz dans le sang. Si on est à PCO2(P) = 25 mmHg, il faut réduire V'T et augmenter la fréquence. Débit - C'est une maladie qui provoque des crises où le patient alvéolaire et respire trop par rapport à ses besoins. Il y a un déséquilibre PCO2 Pathologie: La acido-basique du sang, ce qui amène à une alcalose spasmophilie respiratoire. Ces patients peuvent faire des crises de tétanie et on les envoie vers le kiné qui leur apprend à changer leur respiration. - On va essayer de changer le mode respiratoire pour lui faire éliminer le moins de CO2. On va utiliser des VT plus petits. 10 EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle 4) LES VOLUMES PULMONAIRES LES VOLUMES PULMONAIRES : DESCRIPTION DES VOLUMES PULMONAIRES VT - Correspond au volume de gaz inspiré ou expiré à Volume chaque cycle ventilatoire. Courant VRI - Correspond au volume encore possible d'inspirer Volume de après une inspiration normale pour atteindre le Réserve Inspiratoire volume pulmonaire maximal. VRE Volume de - Correspond au volume encore possible d'expirer Réserve après une expiration normale. Expiratoire - Correspond au volume de gaz réparti entre des zones VR comportant des alvéoles perfusés et des voies de Volume conduction bronchique ou bronchiolaire. C'est un Résiduel volume qui ne sort jamais des poumons, qu’on ne peut pas expirer - Ne correspond pas à l'espace mort. LES VOLUMES PULMONAIRES: DESCRIPTION DES CAPACITÉS PULMONAIRES Une capacité pulmonaire est une somme de volumes CI - Est égale à la somme du volume courant et du volume Capacité de réserve inspiratoire: Inspiratoire CI = VT + VRI - Est égale à la somme du volume courant, du volume de réserve inspiratoire et du volume de réserve CV expiratoire: Capacité Vitale CV = VT+ VRI + VRE - Certaines maladies neuromusculaires ou myopathies provoquent une réduction de la capacité vitale. - Est égale à la somme du volume de réserve expiratoire et du volume résiduel: CRF CRF = VRE + VR Capacité - C'est le volume qui reste dans nos poumons après une Résiduelle expiration normale. Fonctionnelle - Elle est très importante, son altération provoque de gros essoufflements, des gênes, des handicaps, des souffrances, de la dyspnée. CPT - Est égale à la somme du volume courant, du volume Capacité de réserve inspiratoire, du volume de réserve Pulmonaire expiratoire et du volume résiduel Totale : CPT = VT + VRI + VRvE + VR 11  EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle - Certains volumes sont dits "volumes mobilisables", c'est-à-dire qu’ils peuvent Volumes entrer ou sortir des poumons, et d’autres ne le sont pas. mobilisables - Les volumes pulmonaires mobilisables sont : VT, VRI, VRE, CI, CV. Volumes non - Le volume résiduel n’est pas un volume mobilisable et ce qui contient le volume mobilisables résiduel. Il s’agit d'un volume non mobilisable. IV – LES TECHNIQUES DE MESURES DES VOLUMES PULMONAIRES MOBILISABLES 1) LE SPIROMÈTRE À CLOCHE TECHNIQUES DE MESURES DES VOLUMES PULMONAIRES MOBILISABLES: SPIROMÈTRE À CLOCHE - Le système de mesure des volumes pulmonaires mobilisables le plus ancien est constitué d’une cloche, pouvant monter ou descendre librement dans un bac, auquel elle est reliée par des joints étanches. - Pour les mesures, le système cloche-bac est connecté Fonctionnement par des tuyaux aux voies aériennes du patient qui respire à l’intérieur. - À l’inspiration, le volume du système cloche-bac diminue. Le contraire survient à l’expiration. Les mouvements de la cloche sont proportionnels au volume de gaz mobilisé. - Pour permettre des mesures prolongées, le système peut être doté d’une cartouche de chaux sodée, dont la fonction est de capter le CO2, et d’une alimentation en oxygène pour compenser la consommation du patient. - Pour que la mesure des volumes mobilisables soit fiable, aucune fuite ne doit avoir lieu. Ainsi, Examen si le patient est connecté à l’appareil par un embout buccal et qu'il respire par la bouche, il doit clinique porter un pince-nez afin d’éviter les fuites nasales. - Les mouvements du piston donnent les valeurs des volumes par exemple : o Le volume courant VT, c'est la respiration au repos. o La capacité vitale CV qui représente l'ensemble des volumes mobilisables. 2) LE PNEUMOTACOGRAPHE (dispositif plus actuel) TECHNIQUES DE MESURES DES VOLUMES PULMONAIRES MOBILISABLES: PNEUMOTACHOGRAPHE - Pneumo = air Mesure des débits gazeux - Tacho = vitesse pulmonaires - Graphe = mesure Définition - Le pneumotachographe est un dispositif qui permet une mesure directe des débits gazeux instantanés. L’intégration du signal de débit au cours du temps fournit une mesure du volume (fait par ordinateur) - Le plus classique. Différents - Est constitué d'un réseau capillaire visant à rendre le débit gazeux Fleisch types laminaire. La différence de pression entre l’entrée et la sortie de ce réseau est proportionnelle au débit. 12 EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle Lilly - Le réseau capillaire est remplacé par une grille. - Il existe d’autres principes de pneumotachographe comme les pneumotachographe à fils chauds, à ultra-sons ou même à hélice. - Appareil très peu encombrant par rapport au spiromètre et permet de mesurer des volumes mobilisables de façon simple. 3) LE PLÉTHYSMOGRPAHE TECHNIQUES DE MESURES DES VOLUMES PULMONAIRES MOBILISABLES: PLÉTHYSMOGRAPHE - Un pléthysmographe est une cabine étanche dans laquelle le patient est assis. Le patient peut inspirer et expirer en dehors de la cabine du pléthysmographe grâce à un tuyau. En général, le patient est connecté à ce tuyau par un embout buccal et il porte un pince-nez. - Dans ces conditions, les variations de volume gazeux à l’intérieur de la cabine étanche correspondent Fonctionnement exactement aux variations de volume pulmonaire. - Cette méthode permet donc de mesurer les volumes mobilisables. Les variations de volume dans la cabine étanche peuvent être mesurées directement - Il est aussi possible de mesurer les variations de pression dans la cabine du pléthysmographe et de les convertir en variations de volume (par la loi des gaz parfaits). 13  EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelleV – LES TECHNIQUES DE MESURES DES VOLUMES PULMONAIRES NON-MOBILISABLES 1) LA MÉTHODE DE DILUTION D'UN GAZ TRACEUR TECHNIQUES DE MESURES DES VOLUMES PULMONAIRES NON-MOBILISABLES : MÉTHODE DE DILUTION D'UN GAZ TRACEUR - L'objectif est de trouver la CRF. Car on pourra ensuite simplement demander au patient de Idée générale souffler très fort dans un spiromètre pour trouver le VRE. o Puis on fait CRF – VRE = VR. Et on a le volume résiduel. - Un gaz traceur est un gaz qui ne franchit pas la membrane alvéolo-capillaire. Le gaz le plus Définition fréquemment utilisé est l’hélium (He) (dans certains cas, on peut aussi utiliser le Méthane, (CH4)). - La méthode consiste à placer dans un spiromètre à cloche (ou dans un système en circuit fermé conceptuellement proche), une quantité connue de gaz traceur. - Un analyseur permet de mesurer la concentration du gaz traceur dans le spiromètre. Le patient, portant un pince-nez, est connecté au spiromètre par l’intermédiaire d’un embout buccal, à la fin d’une expiration courante, c’est à dire lorsque son volume pulmonaire correspond à la capacité résiduelle fonctionnelle (CRF). - Puis le patient respire normalement dans le spiromètre. Dans ces conditions, le gaz traceur initialement contenu dans le spiromètre se dilue dans le système composé du spiromètre, des tuyaux et du patient. Ainsi, au fur et à mesure que le patient respire, la concentration d’hélium diminue. Fonctionnement - Lorsque cette concentration est stabilisée, le patient est déconnecté du spiromètre à la fin d’une expiration courante. La connaissance de la concentration finale en gaz traceur ainsi que du volume du spiromètre et des tuyaux (fournis par le fabriquant), permet de calculer le volume pulmonaire dans lequel le gaz traceur s’est dilué, c’est à dire la capacité résiduelle fonctionnelle. - Celle-ci est en effet, égale au rapport de la quantité de gaz traceur placé dans le spiromètre à sa concentration finale, auquel on soustrait le volume du spiromètre et des tuyaux. - Lorsque la valeur de la capacité résiduelle fonctionnelle a été calculée, il est facile d’en déduire celle du volume résiduel (VR) par la soustraction du volume de réserve expiatoire (VRE), volume mobilisable facile à mesurer. nHe = [He]ini × Vspiro nHe = [He]f × Vf ⇔ Vf = nHe/ Figure 1 [Hef]CRF = Vf – Vspiro CRF = (nHe /[He]f) –Vspiro Vspiro: volume des tuyaux et du spiromètre [He] = FHe, ini = initial; f = final C1V1 : quantité initiale d’hélium (connus) V1 : volume spiromètre et tuyaux V2 : volume des poumons du patient (inconnu) 14 EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle Après équilibration, l’hélium va se diluer entre le spiromètre, les tuyaux et les poumons des patients. Donc si l’hélium se dilue, la concentration d’hélium (C2) diminue et on mesure la concentration d’hélium qui baisse au fur et à mesure que l’hélium, qui était auparavant limité au spiromètre et aux tuyaux, se répand dans le spiromètre, les tuyaux et les poumons du patient. On aura donc un volume plus grand ce qui veut dire que la concentration d’hélium baisse au fur et à mesure que l’hélium se dilue dans tout ce système et on mesure C2. L’hélium s’est dilué dans tout le volume qui se Figure 2 situe en dessous du volume courant (voir figure 2). Ce volume correspond à la CRF (= VRE + VR). Pléthysmographe = méthode de référence car il existe des maladies où la méthode de l’Hélium sous-estime le VR : l’asthme en crise, la BPCO BPCO : maladie qui augmente de façon considérable VR. Le fait d’avoir un VR qui augmente entraîne un essoufflement. 15 EIA Respiratoire – Physiologie 1 : Structure DFGSM 2 fonctionnelle 1) LA MÉTHODE PLÉTHYSMOGRAPHIQUE TECHNIQUES DE MESURES DES VOLUMES PULMONAIRES NON-MOBILISABLES : MÉTHODE PLÉTHYSMOGRAPHIQUE Schéma - La mesure des volumes non mobilisables avec un pléthysmographe nécessite de pouvoir mesurer la pression régnant dans les voies aériennes du patient, en général au niveau de l’embout buccal. Technique - On mesure en général le volume de fin d’expiration courante qui, chez un sujet normal, correspond à la capacité résiduelle fonctionnelle (CRF). Pour ce faire, l’orifice du tuyau par lequel le patient respire à l’extérieur du pléthysmographe est occlus à la fin d'une expiration courante. - On demande alors au patient, d’effectuer une manœuvre de halètement en inspirant et expirant légèrement contre la valve occluse à une fréquence d’environ 1 Hz. Il va compresser et décompresser les gaz dans ses poumons. o Compression: la pression à la bouche augmente, décompression: la pression à la Examen bouche baisse. o Compression: volume pulmonaire diminue, décompression: volume pulmonaire clinique augmente. - On obtient une relation qui unit les variations de volume pulmonaire avec les variations pressions buccal (figure de droite) - Ainsi, on enregistre simultanément les variations de volume à l’intérieur du pléthysmographe et les variations de pressions dans les voies aériennes du patient. 16 EIA Respiratoire – Physiologie 1: Structure fonctionnelle DFGSM 2 TECHNIQUES DE MESURES DES VOLUMES PULMONAIRES NON-MOBILISABLES: MÉTHODE PLÉTHYSMOGRAPHIQUE (SUITE) - On démontre avec la loi de Boyle et Mariotte que: o VGT = Patm x ∆Vpleth/∆Pb o VGT: volume gazeux thoracique - Si occlusion à la CRF, VGT = CRF o le volume de gaz contenu dans le thorax (VGT) du patient est proportionnel au rapport de la variation de volume dans le pléthysmographe, à la variation de pressions dans les voies aériennes. - Si les voies aériennes ont été occluses à la fin d’une expiration courante, le volume de gaz thoracique (VGT) est égal à la capacité résiduelle fonctionnelle CRF. - Pour connaître la valeur du volume résiduel, il est ensuite facile de soustraire la valeur Détermination du volume de réserve expiratoire à celle de la capacité résiduelle fonctionnelle. des volumes pulmonaires 1) LA MÉTHODE DU RINÇAGE À L'AZOTE TECHNIQUES DE MESURES DES VOLUMES PULMONAIRES NON-MOBILISABLES: MÉTHODE DU RINÇAGE À L'AZOTE - Cette méthode consiste aussi à mesurer la CRF pour en déduire la valeur du VR par Principe soustraction du VRE. C'est une méthode qui reprend l'idée de la méthode de l'hélium mais on remplace par l'azote (qui passe dans le sang mais pas trop ; donc l’azote n’est pas tout à fait un gaz traceur). - Quand on inspire de l’air, le gaz contient 79% azote. Ici on inspire de l’oxygène pur, il n’y a plus d’azote. L’O2 remplace progressivement le N2 dans les poumons. La quantité de N2 expirée est mesurée à chaque cycle ventilatoire. o Lorsque la quantité d'azote expiré devient négligeable, on additionne les quantités expirées à chaque cycle. - Le volume total d’azote expiré représente (à la correction des conditions dépressions et de température près), 79% du volume gazeux contenu dans les poumons à la fin d’une expiration courante. Chez un sujet normal, il s’agit de la CRF. 17  EIA Respiratoire – Physiologie 1: Structure fonctionnelle DFGSM 2 VI – LES MESURES DES VOLUMES EXPRESSION DES MESURES DE VOLUMES - Dans les poumons, les gaz sont chauds (37°C) et saturés en vapeur d’eau. Ce sont les conditions BTPS (Body Temperature And Pressure, Saturated) - Les gaz expirés dans les appareils de mesure, sont à température ambiante et plus ou moins saturés en Principe vapeur d’eau. Ce sont les conditions ATPS (Ambient Temperature And Pressure, Saturated) o Les volumes mesurés en ATPS sont donc différents des volumes dans le corps humain (BTPS). On doit donc convertir les volumes ATPS en BTPS. (fait par ordinateur). VBTPS = ATPS(273,2 ⋅ 310,2 + t) ⋅⋅ ((PPBB –– 6P,H32)O) V Où t = température ambiante (°C), PB = pression barométrique (kPa) et PH2O = pression ambiante de vapeur d'eau (kPa). Noter que le terme "ambiant" se rapporte à la température et à la saturation du gaz inspiré ou à celles atteintes par le gaz inspiré dans un instrument; il peut s'agir des conditions régnant dans la pièce, mais dans toutes les autres circonstances il s'agit de la température et de la Exemple saturation du gaz inhalé à partir d'un appareil (spiromètre, par exemple) ou exhalé dans celui-ci. Le tableau III présente la relation entre la température et la pression de vapeur d'eau (PH2O) d'un gaz totalement saturé. Entre 16 et 37°C, cette relation est donnée par la approchée suivante: PH2O = 1,63 – 0,071 · t + 0,0053 · r2 (kPa) Au niveau de la mer, on peut prendre pour la pression barométrique une valeur de 101,3 kPa, mais la valeur réelle peut s'écarter notablement de ce chiffre en cas de tempête. EXPRESSION DES MESURES DE VOLUMES: COMPARAISON DES RÉSULTATS À DES VALEURS ATTENDUES - L’interprétation des mesures de volumes pulmonaires requiert une comparaison à des valeurs attendues, encore appelées valeurs "normales", "théoriques", "prédites" ou "valeurs de référence". Ces valeurs sont celles qui sont retrouvées chez 90% d'une population de sujets sains. - Dans le cas des volumes pulmonaires, la valeur de référence moyenne est fournie par une équation qui prend en compte l’âge, la taille et le Principe sexe. Il faut aussi tenir compte de l’origine ethnique du patient. - Une valeur de volume pulmonaire est considérée comme pathologique, si elle s'écarte de la valeur moyenne prédite de plus d’1,64 fois l’écart type résiduel (ETR). - Bien que cela soit moins rigoureux, on considère aussi une valeur de volume pulmonaire comme pathologique si elle est inférieure à 80% ou supérieure à 120% de la valeur prédite. - Par exemple, un syndrome restrictif se définit par une diminution de la capacité pulmonaire totale, telle que la valeur mesurée est inférieure à Exemple la valeur prédite moins 1,64 fois l’écart type résiduel ou bien telle que la valeur mesurée est inférieure à 80% de la valeur prédite. 18