Physiologie Respiratoire Cours n 2 D MAILLARD Circulation

Physiologie Respiratoire Cours n° 2 – D. MAILLARD • Circulation pulmonaire • Physiologie et physiopathologie des échanges gazeux

Circulation Pulmonaire

VP OG VG Aorte Coeur Gauche Circulation Systémique Poumons Coeur Droit AP VD OD VCI VCS

Perfusion pulmonaire intra et extra alvéolaire - Hémodynamique PA Part Artériole PCP Pv PA Alvéole Capillaire Veinule

I I II PA > Part > Pv III II Part = PAP - gh IV Part > PA > Pv Débit III Pv = POG - gh VP AP OD OG Part > Pv > PA VD Part = PAP + gh IV VG Pv = POG + gh

Résistances Vasculaires Pulmonaires Pression Artérielle Pulmonaire Moyenne - Pression Moyenne de l'Oreillette Gauche (mm. Hg) Débit Cardiaque (L/min) PAP - PCP QC = 12 - 6 5 = 1, 2 mm. Hg/L/min (UR)

Facteurs modifiant les résistances vasculaires pulmonaires Résistances Vasculaires Pulmonaires (cm H 2 O/L/min) 300 Recrutement 200 100 Pression Artérielle Pression Veineuse 0 10 20 30 40 Pression (cm H 2 O) Distension

I PA > Part > Pv II Pression Part > PA > Pv III Pression de Distension et de Recrutement Maximum I, IV Part > Pv > PA IV III Débit

Facteurs modifiant les résistances vasculaires pulmonaires Résistances Vasculaires Pulmonaires (cm H 2 O/L/min) 120 Résistances Vasculaires Pulmonaires 100 80 Totales Alvéolaires 60 Extra-alvéolaires 50 100 150 200 VR CRF CPT CRF Volume Pulmonaire (m. L) Volume Pulmonaire

Facteurs modifiant les résistances vasculaires pulmonaires Augmentation des Résistances Vasculaires Pulmonaires (%) 600 500 400 300 p. H 200 7, 1 100 7, 2 7, 3 7, 4 0 0 25 50 75 100 Pression Partielle en Oxygène Alvéolaire (mm. Hg)

Facteurs modifiant les résistances vasculaires pulmonaires Vasomotricité des Artérioles Pulmonaires Substances Circulantes Acétylcholine Prostaglandine E Bradykinine Catécholamines Prostaglandine F Angiotensine II Histamine P AO 2 p. H PAPO 2

Échanges liquidiens intra pulmonaires Qf = k[(PCP - PA) - CP] = k[(10 - 0) - 25] = - 15 Alvéole Capillaire PCP PHyd = 14 mm. Hg = 25 mm. Hg Artériole PHyd = 10 mm. Hg PHyd = 8 mm. Hg = 25 mm. Hg PHyd = -3 mm. Hg Interstitium = 19 mm. Hg Qf = k[(PCP - PI) - ( CP - ] = k[10 - (-3) - (25 - 19)] = 7 Lymphe Veinule

Oedème Pulmonaire Alvéole Oedème Alvéolaire Pcap Capillaire Interstitium Etiologies Oedème Interstitiel Alvéole Circulation Lymphatique Lésion

Physiologie et physiopathologie des échanges gazeux - La ventilation alvéolaire - La diffusion alvéolo-capillaire - Le court-circuit droit-gauche -. La. distribution des rapports VA/QC et les anomalies

La ventilation alvéolaire

Volume courant 500 ml Fréquence respiratoire 15/min Ventilation totale 7500 ml/min Espace mort Anatomique 150 ml Gaz alvéolaire 3000 ml Sang Capillaire Pulmonaire 70 ml Ventilation alvéolaire 5250 ml/min Débit sanguin Pulmonaire 5000 ml/min

Trachée 1ère génération Zone de conduction (espace mort anatomique) bronchioles terminales bronchioles respiratoires alvéoles Zone des échanges gazeux (espace alvéolaire)

Espace mort anatomique VD • Ne participe pas aux échanges gazeux • Zone de conduction : environ 150 ml (2 ml/kg) • Rôle +++ Réchauffer et humidifier l'air inspiré – Epurer l'air inspiré des grosses particules – • En série entre la bouche et les alvéoles • Altère l'efficacité de la ventilation – Une fraction de l'air inspiré ne parvient pas aux alvéoles.

Espace Mort (VD) Zones ventilées mais non perfusées = pas d’échanges gazeux VD physiologique = VD anatomique + VD alvéolaire Trachée Bronches Bronchioles terminales Alvéoles ventilées Non perfusées

Ventilation alvéolaire VA • La ventilation alvéolaire est la fraction de la ventilation totale (VE) qui parvient aux alvéoles. • Aucun échange gazeux dans le VD. • Tout le CO 2 expiré provient donc du gaz alvéolaire. • Le CO 2 alvéolaire provient du métabolisme cellulaire : VCO 2.

Gaz Inspiré Gaz Expiré FIO 2 = 21% FICO 2 = 0% FIN 2 = 79% PI 02 = 150 mm. Hg PICO 2 = 0 mm. Hg • VT = V T • f • • VO 2 = VT (Fi. O 2 - FEO 2) • • VCO 2 = VT • FECO 2 Gaz Alvéolaire V • A = V • T - (VD • f) • • (F O - F O ) • VO = V 2 A i 2 A 2 • • VCO 2 = VA • FACO 2 FAO 2=14% FACO 2=5, 5% PAO 2 = 100 mm. Hg PACO 2 = 40 mm. Hg FEO 2 = 17, 5% FECO 2 = 3, 5%

Équations des gaz alvéolaires PIO 2 ° ° ° VCO 2 = VA. FACO 2 = VA. PACO 2. K ° VCO 2 x 0. 863 PACO 2 = ° VA PAO 2 = PIO 2 – PA O 2/R PIO 2 – k (VA) PAN 2 = cst PAO 2 + PACO 2 PH 20 = 47 Pa. CO 2

Calculer les gaz alvéolaires ! En pratique clinique: PA CO 2 = Pa CO 2 PIO 2 = 150 mm. Hg PAO 2 = 140 - Pa. CO 2

Ventilation normale PA O 2 PACO 2 PAO 2 + PACO 2 = constante hypoxie Hypoventilation hypercapnie PA O 2 hyperoxie PACO 2 Hyperventilation hypocapnie PACO 2

Causes d'hypoventilation alvéolaire • Dépression des centres respiratoires par des drogues • Atteinte des centres respiratoires par tumeur, hémorragie, encéphalopathie • Atteinte de la moelle épinière (poliomyélite) • Atteinte des racines nerveuses des nerfs moteurs (Guillain Barré, diphtérie) de la jonction neuromusculaire (myasthénie) • Atteinte des muscles respiratoires • Atteinte de la cage thoracique (cyphoscoliose) • Trouble ventilatoire obstructif, compression trachéale • Augmentation de l'espace mort alvéolaire

« Over-dose » et hypoventilation alvéolaire P a. O 2 Pa. CO 2 p. H HCO 3 - = 48 mm. Hg = 80 mm. Hg = 7, 18 = 29, 8 mmol/l PAO 2 = PIO 2 - 1, 15 Pa. CO 2 = (Pb-47)FIO 2 - 1, 15(80) = [(760 -47) 0, 21] - 92 = 150 - 92 = 58 mm. Hg Pa. O 2 + Pa. CO 2 = 128 (N > 120) • Hypoxémie • Hypercapnie • Acidose respiratoire • DA-a O 2 = 10 mm. Hg (5 à 15 normale) Si DA-a O 2 normal = hypoventilation alvéolaire pure sans atteinte des bronches et parenchyme

La diffusion alvéolocapillaire

DIFFUSION DES GAZ A TRAVERS LA MEMBRANE ALVEOLO CAPILLAIRE • ALVEOLE PVO 2 40 mm. Hg PVCO 2 45 mm. Hg ALVEOLE GR O 2 PAO 2 100 mm. Hg PACO 2 40 mm. Hg CO 2 < 1µm Pc. O 2 100 mm. Hg Pc. CO 2 40 mm. Hg ° V GAZ = K. ( PAO 2 – PVO 2) K dépend de sol, e, S,

Le transfert de gaz à travers une membrane : loi de Fick. Vgaz = S. d (P 1 -P 2) / E D= S. d / E (coefficient de transfert) . D = Vgaz / P 1 -P 2 1. 2. 3. 4. Surface d’échange (S) Gradient de pressions (P 1 – P 2) Épaisseur de la membrane (E) Propriétés physico-chimique du gaz (d)

Alvéole Hématie O 2 DM O 2 + Hb ∂V c Hb. O 2 1. Transfert membranaire 2. Transfert dans l’érythrocyte et fixation à l’Hb

Détermination du transfert alvéolo-capillaire chez l’homme Utilisation du CO se fixant totalement sur l’Hb . DL = V(x) / PA(x) - Pcap(x) . DLCO = V(CO) / P A(CO) = 0 si FI CO faible DLO 2 = 1, 23 DLCO 1/DL = 1/DMembrane + 1/DErythrocyte 1/DL = 1/DM + 1/∂Vc

Pa. O 2 (mm. Hg) 100 P AO 2 80 DAa. O 2 Normale Anormale 60 Pa. O 2 Très anormale 40 Exercice (Qc augmente) 20 0 Temps de réserve 0 0, 25 0, 50 Temps Capillaire (sec) 0, 75

Diffusion capillaire – alvéole du CO 2 Pcp. CO 2 (mm. Hg) 45 Anormale Normale 40 Exercice 0 PACO 2 0, 50 0, 75 0, 25 Temps Capillaire (sec) Le CO 2 diffuse aussi rapidement que l’O 2 alors que le gradient des pressions est 10 fois plus petit. POURQUOI ?

Causes de troubles de diffusion 1. Anomalies de la membrane – Épaississement de la paroi dans les pathologies interstitielles (fibroses) Réduction de la surface d'échange (emphysème, pneumonectomie) Œdème – – 2. Anomalies vasculaires et sanguines – Réduction du volume sanguin par : • • – Embolie Réduction des artérioles pulmonaires Réduction de l’hémoglobine fonctionnelle • • Anémie Hémoglobine anormale

Le trouble de diffusion dans la fibrose pulmonaire Repos : Exercice : Pa. O 2 75 mm. Hg 55 mm. Hg Pa. CO 2 34 mm. Hg 30 mm. Hg p. H 7, 44 7, 50 HCO 3 - 23, 1 mmol/l 23, 4 mmol/l DA-a. O 2 36 mm. Hg 60, 5 mm. Hg • Hypoxémie au repos • DA-a. O 2 • Chute sévère de la Pa. O 2 avec l’exercice • DLCO • Ici Pa. O 2 + Pa. CO 2 = 109 donc < 120

Le court-circuit droit-gauche

Ccap. O 2 Cv. O 2 QT QS Ca. O 2 QT QT • Ca. O 2 = QS • Cv. O 2 + (QT - QS) • Ccap. O 2 QS/QT = Ccap. O 2 - Ca. O 2 / Ccap. O 2 - Cv. O 2

Causes de court circuit 1. Physiologique : 2 à 5 % du Qc – – – Anastomoses vraies entre les systèmes veineux et artériel intra pulmonaires Veines bronchiques débouchant dans les veines pulmonaires Veines de Thébésius drainant une partie du sang veineux myocardique dans le ventricule gauche 2. Pathologique : > 5 % du Qc – – – Pneumonie Œdème pulmonaire Ouverture d'anastomoses intra pulmonaire (cirrhose hépatique)

Court-circuit droit-gauche par tumeur de la bronche souche droite O 2 A. A Pa. O 2 50 Pa. CO 2 38 p. H 7, 42 HCO 3 24, 6 shunt D-G CO 2 Pcap. O 2= 40 mm. Hg A A C 2 capillaire C 1 capillaire artère Pa. O 2=50 mm. Hg Pcap. O 2= 135 mm. Hg O 2=100% 65 mm. Hg 42 mm. Hg 7, 38 24, 8 50 % de Qc • Hypoxémie • Normocapnie • Epreuve d’hyperoxie anormale Pa. O 2 + Pa. CO 2 = 88

Absence de réponse à l’hyperoxie : Pourquoi ? Oxygénation (21 %) Oxygénation (100 %) c’ augmenté par l’O 2 dissous Concentration en O 2 c 2 a vc 1 50 100 150 a’ vc 1 c # c’ Pa’O 2 résultante Pa. O 2 résultante 0 c'2 0 50 100 Pression Partielle en Oxygène (mm. Hg) c # c’ => Pa. O 2 résultantes très proches 600

La distribution des. rapports. VA/QC

Rapport Ventilation-Perfusion: VA/Q 1 VA/Q 2 2 3 VA/Q 3 4 5 6 0, 0 VA 0, 5 1, 0 Q 1, 5 VA ou Q (L/min par Poumon)

Pourquoi VA/Q diminue-t-il du sommet vers la base ? Capacité Vitale (%) 100 Sommet V 2 80 ΔV 2/ΔP 2 60 Compliances différentes V 1 Base Renouvellement du gaz plus faible au sommet ΔV 1/ΔP 1 40 20 P 1 P 2 0 0 5 10 15 20 Pression (cm H 2 O) 25 30

Rapport Ventilation-Perfusion (VA/Q) : conséquence sur les gaz alvéolaires 1 VA/Q 2 3 PO 2 Alvéolaire (mm. Hg) Sommet 140 2 VA/Q 120 3 100 4 80 5 6 0, 0 VA 0, 5 1, 0 Q 1, 5 VA ou Q (L/min par Poumon) 60 Base 40 0 20 40 60 PCO 2 Alvéolaire (mm. Hg)

Conséquences sur les gaz alvéolaires de chaque zone pulmonaire PCO 2 (mm. Hg) B A C 50 VA/Q base 0 0 50 100 PO 2 (mm. Hg) sommet 150

Explications ? • Les alvéoles des bases pulmonaires sont mal ventilées par rapport à leur perfusion : – Effet shunt = zone d’hypoventilation relative à la perfusion : PAO 2 basse, PACO 2 augmentée. • Les alvéoles des apex pulmonaires sont mal perfusées par rapport à leur ventilation : – Effet espace mort = zone d’hypoperfusion relative à la ventilation : PAO 2 haute, PACO 2 diminuée. • Pressions partielles alvéolaires = Pressions partielles sanguines capillaires.

Conséquences de la distribution régionale hétérogène des VA/Q sur le gaz alvéolaire PCO 2 (mm. Hg) 50 v 0 0 VA/Q moyen 50 100 PO 2 (mm. Hg) 150

La distribution des rapports ventilation/perfusion • Physiologiquement non homogène donc Pa. O 2 < PAO 2. • En pathologie, on observe une inhomogénéité plus grande (troubles ventilatoires obstructifs et restrictifs) avec majoration d’ : – Effet shunt par trouble de distribution de la ventilation, – Effet espace mort par trouble de distribution de la perfusion.

Les gaz du sang artériel • Le sang capillaire de l’apex a une PO 2 élevée et une PCO 2 basse. • Le sang capillaire des bases a une PO 2 basse et une PCO 2 élevée. • Le sang artériel est un mélange des sang capillaires de chaque territoire pulmonaire. • Pa. O 2 = 90 mm Hg, Pa. CO 2 = 40 mm Hg

L’asthme responsable d’effet shunt par trouble de distribution de la ventilation Distribution de la ventilation Pa. O 2 Pa. CO 2 p. H HCO 3 Pcap. O 2= 50 mm. Hg A 1 P A 1 capillaire A 2 P A 2 C 1 capillaire artère Pa. O 2=70 mm. Hg Pcap. O 2= 125 mm. Hg A. A 70 38 7, 42 24, 6 O 2=100% 600 mm. Hg 42 mm. Hg 7, 40 24, 8 mmol/l • Hypoxémie • Normocapnie • Epreuve d’hyperoxie normale. Pa. O 2 + Pa. CO 2 = 108

Pourquoi le territoire hyperventilé ne compense-t-il pas le territoire hypoventilé au niveau de la PO 2 résultante ? Concentration en O 2 v c 1 c 2 a Pression en O 2 résultante 0 50 100 150 Pression Partielle en Oxygène (mm. Hg) La pression résultante dépend de la moyenne des contenus: O 2 : relation en S – CO 2 : relation linéaire.

Espace Mort Anatomique Espace Mort Physiologique Espace Mort (150 m. L) Alvéolaire Shunt Physiologique Normal Aorte Artère Pulmonaire Effet Shunt Vrai

Les causes d’hypoxémie Troubles des Échanges Gazeux Pa. O 2 Pa. CO 2 D(A - a)O 2 mm. Hg Diagnostic Hypoventilation diminuée augmentée < 10 Pa. CO 2 augmentée DO 2 < 10 Diffusion diminuée > 10 DLCO et Épreuve d'effort Shunt Droite-Gauche diminuée normale ou diminuée > 10 Épreuve en oxygène pur Anomalies VA/Q diminuée normale ou diminuée > 10