Post on 04-Apr-2015
VII. Constante de temps (tau, τ)• temps nécessaire pour observer des
changements de pression dans le système pulmonaire
(temps) τ = Résistance x Compliance• plus la résistance est élevée ou
plus la compliance est élevée, plus la constante de temps sera longue
figure tirée de T. Kovesi, 2010
Hyperinflation dynamique
• Il arrive parfois que la constante de temps pour le système respiratoire soit tellement élevée (e.g. à cause d'une obstruction qui augmente la résistance à l'écoulement de l'air ou d'une compliance pulmonaire très élevée) que les poumons n'ont pas le temps de se vider avant le collapsus des voies aériennes
• l'air est retenu de plus en plus dans les poumons (trappage) menant au phénomène d'hyperinflation dynamique
• L'hyperinflation oblige les poumons à travailler plus forts car les muscles respiratoires sont moins efficaces lorsqu'ils sont trop étirés ET ils doivent travailler plus forts contre l'air retenu afin de gonfler les poumons à nouveau.
resi
stan
ce
compliance
VIII. Travail de la respiration
• Coût énergétique: 2-3% repos 20-30% exercice
• Ve = fréquence resp. x volume courant (TV) = 12 /min x 500 mls = 6000 ml/min
• Rappel: travail doit surmonter les résistances élastiques (66%) etinélastiques (résistances voies aériennes)
• Taux et profondeur sont optimisés pour produire un travail respiratoire utilisant un minimum d'énergie
• Respiration profonde:– Beaucoup de travail contre la résistance élastique des
poumons• Fréquence élevée:
– Beaucoup de travail contre la résistance des voies aériennes
• Si le poumon est moins compliant ou raide (maladie restrictive)
– fréquence; volume courant• Si résistance voies aériennes est élevée (maladie obstructive)
– volume courant; fréquence
Échange gazeuxÉchange gazeux
John J. Leddy, PhDDépartement de Médecine cellulaire et moléculairePavillon Roger-Guindon, pièce 3141451, chemin Smyth613-562-5800 poste 8170
jleddy@uottawa.ca
John J. Leddy, PhDDépartement de Médecine cellulaire et moléculairePavillon Roger-Guindon, pièce 3141451, chemin Smyth613-562-5800 poste 8170
jleddy@uottawa.ca
Objectifs d'apprentissage
• Décrire comment calculer le gradient alvéoloartériel (A-a) en oxygène normal et indiquer la gamme normale de valeurs pour le P(A-a)O2.
• Définir les termes pression partielle, espace mort anatomique, espace mort physiologique et ventilation alvéolaire, et décrire comment calculer la ventilation alvéolaire lorsque les valeurs de l'espace mort, du volume courant et de la fréquence respiratoire sont fournies.
• Expliquer comment l'oxygène et le dioxyde de carbone sont transportés dans le sang.
• Expliquer la signification de la forme de la courbe de dissociation de l'oxyhémoglobine normale et les conséquences liées aux changements de la courbe de dissociation de l'oxyhémoglobine.
Objectifs d'apprentissage
• Savoir pourquoi la concordance entre la ventilation et la perfusion est nécessaire pour optimiser l'oxygénation et connaître les mécanismes utilisés par le poumon pour maintenir la concordance entre la ventilation et la perfusion.
• Expliquer pourquoi les différences de ventilation ou de perfusion dans les unités de volume respiratoire diminuent la PO2 artérielle et pourquoi la présence d'unités de volume respiratoire dont le rapport VA/Q est élevé ne compense pas la présence d'unités de volume respiratoire dont le rapport VA/Q est faible.
• Expliquer les facteurs qui déterminent la vitesse de diffusion à travers la membrane alvéolo capillaire.
• Décrire comment la PO2 alvéolaire, la capacité de diffusion, le temps de transit et la PO2 veineuse ont un effet sur la PO2 pulmonaire de fin de capillaire.
• Décrire les différences entre les régions du poumon en ce qui concerne la ventilation et la perfusion, savoir pourquoi ces différences existent et comprendre leurs effets sur la PaO2.
• Comprendre la différence entre la teneur en oxygène dans le sang artériel et la distribution de l'oxygène.
Physiologie respiratoire :
• Échange gazeuxA. Pression partielle oxygène
B. Diffusion
C. Transport de l'oxygène
D. Transport du gaz carbonique
E. Ventilation alvéolaire
• Échange gazeux IIA. Espace mort anatomique
et physiologique
B. Facteurs déterminant pO2 et pCO2 alvéolaires
C. Hypoxie et Hypoxémie
i. Hypoventilation
ii. Diffusion
iii. Ventilation-perfusion
iv. Shunt
Pressions partielles (loi de Dalton)
• Dans un mélange gazeux, chaque gaz exerce une pression proportionnelle à sa concentration:– pTOT = p1 + p2 +p3 …
• pO2 = % O2 x pression atmosphérique
= 21% x 760 mm Hg= 160 mm Hg
• pCO2 = % CO2 x pression atmosphérique= 0.04% x 760 mm Hg= 0.3 mm Hg ~ 0 mm Hg
– Donc, le CO2 alvéolaire et le CO2 expiré proviennent uniquement de notre corps
Revue de certaines lois des gaz
Solubilité des gaz (loi de Henry)• Lorsqu'un gaz et un liquide sont en contact, le gaz se
dissout dans le liquide selon sa pression partielle et sa solubilité dans le liquide
• À l'équilibre, pGAZ(air) = pGAZ (liquide)
• Lorsque l'air est inhalé, il est réchauffé et humidifié dans les voies aériennes supérieures
• On doit donc retirer la pression représentant la vapeur d'eau avant de faire le calcul de la pression partielle de l'oxygène dans les voies respiratoires– si pVAP(H2O) = 47 mm Hg, à 37oC
• donc,pATM - pVAP(H2O) = 760 – 47 = 713 mm HgpO2 inspiré = 21 % x 713 mm HgpO2 inspiré = 150 mm Hg
• La formule générale pour pO2 inspiré est – pO2 = FiO2 (pATM - pH2O), ou FiO2 représente la fraction d'oxygène
inspirée
1A. Pression partielles de O2
tissu, cellule, mitochondrie
Ajustement pour la vapeur d'eau
1A. Pression partielles de O2
atmosphère
trachée
alvéoles
Pression partielles de O2 et de CO2 dans le système respiratoire
sang veineux
sang artériel
Effet de l'altitude sur le pO2 inspiré
pO2 = FiO2 (pATM - pH2O),
Plus que la pression atmosphérique baisse,plus la pression partielle O2 partante baisse également
Courbes de dissociation de l'oxygène de l'hémoglobine (Hb)
- plus la pressionpartielle de l'oxygènebaisse, plus que l'Hb devient insaturé et moins que le sang peut transporté d’O2
- ceci est particulièrement vrai aux valeurs de pO2 tissulaires (40 mm Hg)
1B. Diffusion des gaz
• Diffusion du gaz carbonique est 20 X celle de l'oxygène due à sa très grande solubilité
= Capacité de diffusion
A = superficie, T = épaisseur, ΔP = différence de pressions partielles du gazd= coefficient de diffusion du gaz (solubilité)
Le taux de diffusion d'un gaz (V) est déterminé par les composantes de la loi de Fick (ci-dessous)
Capacité de diffusion (D)
• VO2 = surface • «coeff. diffusion» • P épaisseur
(DL = capacité de diffusion pulmonaire)• VO2= DLO2 • P
DLO2 = VO2 / P ou (P1-P2)
• Pour oxygène, il est difficile de mesurer certaines de ces valeurs dans les capillaires. Nous utilisons donc le gaz CO puisque sa pCO est négligeable au niveau artériel*
• Donc, DLCO = VCO / pACO – paCO (négligeable)DLCO = VCO / pACO (unités ml/min/mm Hg)
Capacité de diffusion pulmonaire (DLCO)
La capacité de diffusion pulmonaire (DL) comprend 2 composantes: la diffusion membranaire (DM) et la composante sanguine (réaction entre O2 et Hb)
Capacité de diffusion (DLCO) réduite
• Épaississement de la paroi: – Fibrose interstitielle, sarcoïdose,
amiantose• Réduction de la superficie:
– Œdème, emphysème, tumeur, maladie vasculaire pulmonaire
• Diminution de l'absorption au niveau des globules rouges– Anémie, volume sanguin,
embolie pulmonaire
surface
épaisseur
pression
– Surface d'échange gazeux• 50-100 m2
(1/2 terrain badminton)• Grand nombre de sphères
(alvéoles) recouvertes d'un réseau de capillaire
– Épaisseur• 0.5 μm• 75 ml de sang étendu sur une
très grande surface
Le système respiratoire est optimisé pour faciliter la diffusion des gaz
Transfert des gaz: au niveau des capillaires
.25 .5 .75 s
Oxyde nitreux --transfert estlimité par la perfusion
Monoxyde de carbone --Limité par la diffusion
Transfert des gaz:limités par la diffusion, perfusion
très soluble peu solublelimité par diffusion limité par perfusion
Hb
• Le N2O n'est pas très soluble dans le sang• Sa pression partielle augmente rapidement• Le transfert est donc limité par la perfusion sanguine
• Le CO est très soluble dans le sang (car il se lie fortement à l'hémoglobine)
• Sa pression partielle monte très graduellement car la majorité des molécules sont absorbées et ne figurent pas dans la « pression partielle » mesurée
• Ce transfert est limité par la diffusion du CO
• L'oxygène ressemble plus au N2O qu'au CO à moins qu'il y ait un problème de diffusion
• Même pendant l'exercice (temps de transit =0.25s), le globule rouge a suffisamment de temps pour faire le plein d'oxygène
1C. Transport de l'oxygène
• Lorsqu’on respire de l’air atmosphérique, le volume d’oxygène dissous dans le sang est insuffisant pour satisfaire au besoin du corps en O2( apport = 18 mls O2/min vs besoin = 250 mls O2/min au repos)
• Nous avons donc un besoin absolu d’hémoglobine afin d’augmenter notre capacité de transporter de l’oxygène (CaO2)
Contenu en O2 dans le sang artériel (CaO2)
= (O2 lié Hb)
= (SaO2* [Hb] *1.34 mlO2 / g Hb)
= (98%*15 g Hb/100ml sang*1.34mlO2 / g Hb)
= 19.7 ml O2 / 100 ml sang
+ O2 dissolved+ .003 (PaO2) + .003 ml O2/100 ml sang /
mmHgO2 * (100 mmHg O2)+ 0.3 ml O2 /100 ml sang= 20.0 ml O2 / 100 ml sang
Anémie: pO2 = ?CaO2 = ?
Courbe de dissociation de l'oxygène
• À 100 mmHg = pO2 (alvéoles) presque 100% O2 est lié à l'Hb
• Même à 80 mmHg (haute altitude, respiration peu profonde) la saturation est presque maximale
• pO2 des tissus ~ 40 mmHg (saturation de 75%)
Courbe de dissociation de l'oxygène
• Pente abrupte assure une grande dissociation pour une petite différence de pO2 (eg. exercice)
• La courbe est déplacée vers la droite par pH acide ++ pCO2, ++ température ou 2-3 BPG élevé2,3-Bisphosphoglycérate
(hypoxie, altitude)
plus d'oxygène est libéré
Transfert: gaz carbonique1D.
Transport: gaz carbonique
CO2 est transporté • 1) dissous
(7-8% total)– 20X plus soluble que O2
• 2) lié à hémoglobine (10-20% total)– Carbamino hémoglobine
• 3) bicarbonate (70% ou plus)
pH = pKa + log [HCO3] / [CO2]
[CO2] = solubilité X pCO2(loi de Henry)
Relation entre le pH et le CO2
La ventilation ou taux d’échange d’air nous permet de considérer le lien qui existe entre le mouvement de masse d’air et la diffusion des gaz au niveau moléculaire.Avec chaque respiration, une fraction de l’air inspiré ne se rend pas aux alvéoles … et donc est inutile car il ne participera pas à l’échange gazeux. On nommera ce volume = “espace mort”
1E. Ventilation alvéolaire
1E. Ventilation alvéolaire
150 ml
Vtot = fréquence x volume total = 7500 ml/minfréquence x (vol. alv. + vol mort anatomique)
15 x ( 350 + 150 )Vtot = ventilation totale
VA + Vd , Vd= espace mortVA = V(tot) – Vd 15 x (500-150) = 5250 ml/min
Volume d'air ne participant pas à l'échange gazeux (~ 1 ml par lb) =zone de conduction
2A. Espace mort anatomique (~1ml / lbs)
= espace mort anatomique + alvéoles non perfusés ne participant pas à l'échange gazeux
• les espaces morts sont soustraits du volume courant pour déterminer la ventilation alvéolaire réelle
• les espaces morts ne rajoutent pas de CO2 à l’air expiré
Espace mort physiologique
Physiologie respiratoire :
• Échange gazeuxA. Pression partielle
oxygène
B. Diffusion
C. Transport de l'oxygène
D. Transport du gaz carbonique
E. Ventilation alvéolaire
• Échange gazeux IIA. Espace mort anatomique et
physiologique
B. Facteurs déterminant pO2 et pCO2 alvéolaires
C. Hypoxie et Hypoxémie
i. Hypoventilation
ii. Diffusion
iii. Ventilation-perfusion
iv. Shunt
Facteurs déterminant la pO2 alvéolaire
Équation de gaz alvéolaire
• pAO2= piO2 - (pACO2 / R) + F (correction)
• pAO2= (FiO2 x (pATM-pH2O)) - (pACO2 / R)
oxygène inspiré oxygène consommé
• A = alvéolaire, i = inspiré
R = quotient métabolique = CO2 produit = 0.8
O2
consommé
pAO2= (FiO2 x (pATM-pH2O)) - (pACO2 / R)
PiO2 = %O2 x (Patm - Pvap) = .21 x (760 – 47) = 150 mmHg
PACO2 ~ PaCO2 = 40 mmHg, R= 0.8 (peut varier selon le métabolisme)
PAO2 (calculée) = 150 – (40 / 0.8) = 100 mmHg
pO2 alvéolaire calculée (pAO2)
Facteurs déterminant la pCO2 alvéolaire
• pACO2 VCO2 / VA
• Niveau de CO2 alvéolaire est affecté par:
• taux de production de CO2 par le corps (VCO2)
• est inversement proportionnel à la ventilation
alvéolaire (VA)
• souvent approximé comme pACO2 ~
paCO2
pAO2= piO2 - (pACO2 / R) pACO2 VCO2 / VA
Noter la relation qui existe entrela ventilation alvéolaire (VA), les niveaux de CO2 alvéolaire (pCO2) et les niveaux d’oxygène alvéolaire (pO2)
• Hypoxie: quantité d'oxygène livrée aux tissus est insuffisante par rapport aux besoins cellulaires
• Hypoxémie: niveau de PaO2 réduit
2C. Hypoxie et hypoxémie
Hypoxémie : p(art) O2 réduite
• Les différentes causes d'hypoxémie peuvent être caractérisées par la présence ou nonde différence excessive entre les pO2 Alvéolaire vs artérielle (AaDO2)
• Valeur AaDO2 anormale est une différence démesurée entre la pO2 alvéolaire idéale (calculée) et la pO2 artérielle mesurée
• AaDO2 anormale :
p(Alv) - p(art) > 15-20 mmHg
• AaDO2 acceptable varie selon l'âge et la fraction d'O2 inspirée
• Calcul rapide: AaDO2 normale = (âge+10) / 4• AaDO2 augmente de 5 à 7 mmHg pour chaque
augmentation de 10% du FiO2
AaDO2 normale
• En temps normal, il y a deux facteurs qui expliquent la présence de la légère différence de pression partielle d'oxygène Alvéolaire-artérielle (AaDO2)
– Diffusion imparfaite au niveau alvéolaire– Mélange d'un peu sang désoxygéné avec le
sang artérielle
AaDO2 Normale due à la Diffusion
A
a
Cause de AaDO2 normale due à la Diffusion:
dans le capillaire (trajet de 0.75s), la pO2 du sang n'atteint jamais un équilibre parfait avec la pression partielle alvéolaire(normale)
Problèmes de diffusion: AaDO2 anormale
de plus, certaines conditions pathologiques peuvent entraîner une réduction de la diffusion (plutôt rare et surtout observée lors de l'exercice) qui augmente la AaDO2(anormale)
A
a
AaDO2 Normale due à un Shunt anatomique
A
a
• Cause de AaDO2 due à un Shunt:
• Il existe un petit shunt anatomique (normal) causé par le mélange de sang oxygéné avec un peu de sang désoxygéné provenant de l'irrigation des poumons (région bronchiale) et du coeur
• Un mauvais jumelage Ventilation-Perfusion (V/Q) ou un shunt cardiovasculaire congénital peuvent entraîner un shunt plus marqué, élevant ainsi la AaDO2 (anormale)
Normale
(A-a
) P
O2 D
iffe
ren
ce (
mm
Hg)
Anormale
N'oubliez pas que la différence AaO2 dite «normale» (ou acceptable) peut être très élevée si le patient respire 100% oxygène.
Effet de FiO2 au niveau du gradient (A-a)
Ventilation-perfusion
shunt (sang désoxygéné) espace alvéolaire mort
Il existe des différences régionales importantesdans la ventilation (V) et la perfusion (Q).Dans chaque alvéole, les niveaux d'O2 et de CO2 sont déterminés par le rapport V/Q
normal
Ventilation - perfusion
Différences régionales de la Ventilation du poumon
Ventilation basse
Ventilation élevée
effet « slinky »: les alvéoles du haut du poumon sont déjà étirées (car les poumons sont suspendus à la cage thoracique) et donc ressentent moins de changement de volume (ventilation) avec chaque inspiration
Perfusion:surtout liée à la gravité
Très basse
Très élevée
Différences régionales de la Perfusion du poumon
Starling resistor
Perfusion du poumon• Supérieure: la pression alvéolaire est
plus élevée que les pressions artériel et veineuse– Rare: seulement si pression artérielle
est basse
• Intermédiaire: la pression alvéolaire est plus élevée que la pression veineuse– Débit sanguin est déterminé par la différence
a>A plutôt que a > v
• Inférieure: la pression alvéolaire est plus basse que les pressions artériel et veineuse
Rapport Ventilation-Perfusion (V/Q)
basse
élevée
Très élevée
Très bassePoumons:
bas haut
Q
V
Poumons: bas haut
Pour comprendre les conséquences des différences régionales, nous pouvons considérer à nouveau les exemples de shunt et d'espace mort
Exemple un peu plus physiologique …
V/Q élevé
V/Q bas(mauvais jumelage V/Q )
Remarquer bien que cette valeur n'est pas la moyenne des deux autres
Prédiction pour volumes sanguins mixtes(sang A + B)
SangA B
pO2 100 40
Sat% 97.5 75 moy = 87%
ContO2 19.9 15.1 moy = 17.5 ml O2
pO2 combiné: 54 mm
Hg
NB: un « vrai » shunt ne réagit pas à une augmentation de % oxygène inspiré
shunt espace alvéolaire mort
Diapos additionnelles
Formule pour le calcul d'un shunt
• Qs/Qt = (CcO2 - CaO2) / (CcO2 - CvO2)
où CxO2= ((Hb)*1.39*SatxO2)) + 0.003*pxO2
Pour CcO2, SatcO2=100%, pcO2=pAO2 calculée
Formule pour le calcul d'un shunt
• Qs/Qt = (CcO2 - CaO2) / (CcO2 - CvO2)
CcO2= ((Hb)*1.39*SatcO2)) + 0.003*pcO2
CaO2= ((Hb)*1.39*SataO2)) + 0.003*paO2
CvO2= ((Hb)*1.39*SatvO2)) + 0.003*pvO2
Pour CcO2, SatcO2=100%, pcO2=pAO2 calculée