Mecanique ventilatoire
Le phénomène rythmique de la respiration est assuré par l'alternance d'une inspiration active et d'une expiration, le plus souvent passive.
A/ Phénomènes mis en jeu pendant l'inspiration
1) Principe
L'inspiration est due à la contraction du diaphragme et des muscles intercostaux, qui accroît les dimensions et le volume du thorax. A la suite de la diminution de la pression intra-alvéolaire, l'air s'engouffre dans les poumons jusqu'à ce que la pression intra-alvéolaire et la pression atmosphérique s'équilibrent. Il faut savoir que les gaz s'écoulent des régions de haute pression vers les régions de basse pression.
2) Moteur de la dilatation du thorax:
Ce sont les muscles inspirateurs. On distingue:
* les muscles inspirateurs habituels qui sont mis en jeu au cours de la ventilation normale:
- le diaphragme: muscle inspiratoire principal, assure 75% du volume courant. Commandé par le nerf néphrique (racines: C3C4C5).
- muscles intercostaux externes
- muscles petits dentelés postérieurs
* les muscles inspirateurs accessoires qui interviennent lors de l'inspiration forcée:
- les muscles scalènes
- les muscles sterno-cleido-mastoidiens
- les petits et grands pectoraux
- les muscles sous-claviers
- les muscles grands dentelés
- muscles des ailes du nez (etc...)
Mais pour parvenir jusqu'aux alvéoles, les gaz doivent vaincre des forces de résistance.
3) Résistances à l'inspiration: sont au nombre de trois:
- Force de résistance des tissus élastiques
Un système élastique est un système qui après avoir été déformé sous l'effet d'une force extérieure revient à sa forme primitive intégralement quand cesse l'action de la force déformante (tissu pulmonaire).
- Force de résistance des tissus non élastiques
Due au frottement, elle dépend de la vitesse de déplacement (nulle au début de l'inspiration et maximum en plein mouvement inspiratoire).
- Forces de résistance des voies aériennes
La principale source de résistance à l'écoulement gazeux est la friction ou frottement, entre l'air et la surface des conduits aériens. L'écoulement gazeux est inversement proportionnel à la résistance. La plus grande résistance à l'écoulement gazeux se rencontre dans les bronches de dimensions moyennes.
On distingue 2 situations:
* En régime laminaire (régime dans lequel les molécules se déplacent parallèlement aux parois de la canalisation), l'écoulement des fluides est régi par la loi de Poiseuille qui dit: la différence de pression entre les deux extrémités d'une canalisation est directement proportionnelle au débit du fluide. Et
R= 8µ L / pie r4
R= résistance à l'écoulement des gaz de ventilation
L= longueur du tube
r= rayon
µ = indice de viscosité
* En régime turbulent: apparait la notion de débit critique= au dessous duquel le régime est laminaire et au-dessus duquel le régime est turbulent. On a intervention du débit critique lorsqu'il y a obstruction bronchique. Le régime turbulent est soumis à la loi de VENTURI:
P= K2 x D²
P= variation de pression entre les deux extrémités de la canalisation
D= débit du fluide
K2 = inversement proportionnel au carré de la surface de section de canalisation et fonction de la densité du fluide.
Conclusion:
Le facteur le plus important (loi Poiseuille) est le rayon des voies aériennes.
B/ Phénomènes mis en jeu pendant l'expiration
1) Principe
L'expiration est un phénomène passif à l'état normal, consécutif au relâchement des muscles inspiratoires et à la rétraction des poumons. Les gaz s'écoulent hors des poumons quand la pression intra-alvéolaire excède la pression atmosphérique.
2) Moteur
- à l'état normal: c'est la force élastique thoraco-pulmonaire
- pathologie: intervention de mécanismes compensateurs qui sont:
* les muscles expirateurs
¤ muscles de la paroi abdominale (les grands droits, les transverses, les grand et petit oblique)
¤ muscles intercostaux internes
* l'augmentation de la force élastique expiratoire thoraco-pulmonaire.
3) Force de résistance à l'expiration
Ce sont celles:
* des tissus non élastiques
* des voies aériennes, trachéo-bronchiques
C/ Etude de la mécanique ventilatoire
1) les pressions: 4 pressions fondamentales
La pression atmosphérique = 760 mmHg, la pression intra-buccale, la pression intra-alvéolaire, la pression intra-thoracique. Cette dernière varie progressivement du haut (-10 cm d'H2O) vers le bas (-2,5cm H2O), ainsi les alvéoles du haut sont plus distendues.
2) La courbe pression-volume
représente la pression des voies aériennes pour un volume pulmonaire donné. La courbe inspiratoire est différente de la courbe expiratoire (gaz piégé dans les alvéoles à l'expiration).
3) La compliance
Est une valeur caractérisant l'élasticité du poumon
C= delta V / delta P en ml/ cm H2O
La compliance pulmonaire dépend de l'élasticité du tissu pulmonaire et de la flexibilité du thorax. Lorsque l'une ou l'autre diminue, l'expiration devient un processus actif et nécessite une dépense d'énergie.
Certains facteurs augmentent la compliance:
* l'âge
* emphysème
* anesthésie avec curarisation
Certains facteurs diminuent la compliance:
* déformations de la cage thoracique
* fibroses pulmonaires
* facteurs obstruants bronches: OAP, atélectasies
La tension superficuielle du liquide alvéolaire tend à réduire la taille des alvéoles, ce à quoi s'oppose le surfactant.
4) Rapport ventilation-perfusion: V/p
- Variations régionales de la ventilation
Les différentes parties du poumon ne sont pas ventilées de la même façon. La ventilation est plus importante dans les régions déclives pour diminuer progressivement vers les régions proclives (sujet en ventilation spontanée).
- Variations de la perfusion pulmonaire
Chez un sujet debout, le flux sanguin pulmonaire est maximum aux bases, de par l'action de la pesenteur, et décroît de façon linéaire jusqu'aux sommets.
* On a donc 3 zones pulmonaires:
¤ zone 1 : peu ventilé et mal perfusée
¤ zone 2 : bien ventilée et bien perfusée
¤ zone 3 : très bien perfusé par rapport à la ventilation. Définit l'effet shunt.
** Le shunt: est définit comme le débit sanguin veineux qui n'est pas oxygéné. On distingue:
* le shunt anatomique: sang veineux rejoignant le système artériel sans passer par le poumon.
* le shunt phyisiologique: fraction de sang veineux qui va traverser les poumons mais qui sera insuffisamment oxygéné en raison d'une ventilation locale insuffisante.
Rapport V/P : ventilation/ perfusion
Joue un rôle clef dans les échantges gazeux pulmonaires.
Varie entre sommet et base pulmonaire. Valeur moyenne = environ 0,8.
5) La diffusion
Le passage des gaz à travers la paroi alvéolaire (alvéoles : 300 millions) vers les capillaires se fait par diffusion passive. La surface de la barrière gaz-sang dans le poumon est énorme ( 50 à 100m²) et son épaisseur est faible (≈ 0,5µ) ; = idéal pour la diffusion. Le CO² diffusse environ 20 fois plus vite que l’O².
→ Propriétés fondamentales des gaz :
· rappel : les variations de volume engendrent des variations de pression, les variations de pression provoquent l’écoulement des gaz, et les gaz s’écoulent de manière à égaliser la pression. Dans l’organisme, les échanges gazeux reposent sur l’écoulement et sur la diffusion des gaz.
· La loi de Boyle-Mariotte= loi des gaz parfaits, exprime la relation entre la pression et le volume d’un gaz, et dit qu’à température constante : PxV= cte. V= volume du gaz, P= pression du gaz.
· Selon la loi de Dalton, la pression exercée par chacun des constituants d’un mélange de gaz est proportionnelle au pourcentage du gaz dans le mélange.
· Selon la loi de Henry, la quantité d’un gaz qui se dissout dans un liquide est proportionnelle à sa pression partielle. La solubilité d’un gaz ainsi que sa température sont d’importants facteurs.
→Passage de l’O² de l’alvéole vers le capillaire :
Est réalisé grâce à un processus de diffusion des molécules d’oxygène, dont la vitesse dépend de nombreux facteurs :
· le gradient des pressions partielles
· la distance à parcourir
· la surface d’échange
· le temps de contact
PaO² est d’environ 100mmHg.
Composition du gaz alvéolaire : le gaz alvéolaire contient plus de gaz carbonique et de vapeur d’eau et moins d’oxygène que l’air atmosphérique.
6) Le travail ventilatoire
Est donc nécessaire pour déplacer le poumon et la paroi thoracique. C’est donc le travail nécessaire pour vaincre les forces élastiques et pour surmonter les résistances visqueuses (voies aériennes et tissus).
1) Volumes
→ Volume courant : = Vt = tidal volume = volume d’air déplacé à chaque inspiration ou expiration normale.
Vt ≈ 0,5 l (500ml)
→ Volume mort : partie du volume courant qui n’intervient pas dans la respiration mais qui reste dans les voies aériennes supérieures.
Vm= 0,15 l
→ Volume de réserve expiratoire : quantité d’air que le sujet expire au cours d’une expiration forcée qui suit une expiration normale.
VRE= 1500 ml
→ Volume résiduel : quantité d’air restant dans les poumons après une expiration forcée. Varie avec l’âge ; il est de 1,5l à 20 ans et de 3l à 80 ans !
→ Volume respiratoire minute : quantité d’air qui entre et sort des poumons en une minute.
Vol/mn = Vt x fréquence respiratoire
Si VT augmente : respiration profonde
Si VT diminue : respiration superficielle
→ Volume expiratoire maximum par seconde : le sujet fait une inspiration forcée puis expire le plus vite possible dans un spiromètre.
2) Les capacités pulmonaires
→ Capacité vitale : volume d’air maxi que le sujet peut mobiliser volontairement au cours d’un cycle respiratoire.
CV = VC = VT + VRI + VRE
Elle peut être modifiée par:
· les lésions thoraciques
· les tumeurs abdominales
· les douleurs abdominales ou thoraciques
· les bandages thoraciques ou abdominaux trop serrées
· les positions OP
→ Capacité inspiratoire : volume d’air maximal que l’on peut inspirer
CI = VT + VRI = 3000ml
→ Capacité résiduelle fonctionnelle : quantité d’air restant dans le poumon à la fin d’une expiration normale.
CRF = VRE + VR = 3000 ml (ne peut être mesurée directement avec le spiromètre)
→ Capacité pulmonaire totale : quantité totale de gaz contenue dans les 2 poumons. Elle est de 4 à 7l.
CPT = VT+ VRI+ VRE+ VR ou
CPT = CV + VR
3) Divers
→ Fréquence : nombre de cycles inspiratoires au cours d’une minute.
F = 10 à 20 / mn
→ Notion d’espace mort : partie du volume qui ne participe pas aux échanges gazeux.
→ expace-mort anatomique : 2ml/kg = volume d’air des voies aériennes ne participant pas aux échanges gazeux.
→ espace-mort physiologique : supérieur à l’espace mort anatomique, il comprend des alvéoles ventilées mais non perfusées.
