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