Physiologie respiratoire Structure et fonctions de l

Physiologie respiratoire

Structure et fonctions de l’appareil respiratoireMécanique ventilatoire

Propriétés statiquesPropriétés dynamiquesExpiration forcéeTravail ventilatoire

Transport des gaz respiratoiresVentilation alvéolaireDiffusion alvéolo-capillairePerfusion pulmonaireRapports Ventilation-PerfusionTransport sanguin

Régulation de la ventilation

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

Définition de la Mécanique ventilatoire

Étude des conditions d’équilibre et de mouvement du système thoraco- pulmonairesoumis à l’action des muscles respiratoires

Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine Système mécaniqueGrandeurs d’entrée et de sortieEvolution temporelleUn modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)Application du modèle à un mouvement périodiqueApplication aux éléments du système thoraco-pulmonaire

Voies aériennesTissu pulmonaire Paroi thoraco-abdominale

Position des muscles respiratoiresLimites du modèle

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

Contrainte

Déformation

Contrainte

Déformation

Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine Système mécaniqueGrandeurs d’entrée et de sortieEvolution temporelleUn modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)Application du modèle à un mouvement périodiqueApplication aux éléments du système thoraco-pulmonaire

Voies aériennesTissu pulmonaire Paroi thoraco-abdominale

Position des muscles respiratoiresLimites du modèle

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

F

Un système mécanique a des frontières avec son environnement

F

F

FF

FF

F F

PoumonsThorax-Paroi

Tissu pulmonaire

Gaz

Système thoraco-pulmonaire

Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machineSystème mécaniqueGrandeurs d’entrée et de sortieEvolution temporelleUn modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)Application du modèle à un mouvement périodiqueApplication aux éléments du système thoraco-pulmonaire

Voies aériennesTissu pulmonaire Paroi thoraco-abdominale

Position des muscles respiratoiresLimites du modèle

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

Grandeurs d’entrée et de sortiePour étudier le comportement d’un système, on lui applique une contrainte et on analyse la déformation

F = mγ

L1

Sortie = déplacement

Entrée = force

Contrainte appliquée à un système caractérisé par sa longueur ?

= ForceF

Contrainte ?= Pression (= Différence de pression à ses bornes)

Déformation ?= Changement de volume

Comment appliquer la pression ?A la bouche (respirateur ou spiromètre)Autour du thoraxAvec les muscles respiratoires (uniquement pour l’étude du poumon)

On mesure la déformation par la variation de volume:Les variations de volume thoracique et pulmonaire sont égales.

Elles peuvent être mesurées par le volume mobilisé à la bouche.

Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine Système mécaniqueGrandeurs d’entrée et de sortieEvolution temporelleUn modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)Application du modèle à un mouvement périodiqueApplication aux éléments du système thoraco-pulmonaire

Voies aériennesTissu pulmonaire Paroi thoraco-abdominale

Position des muscles respiratoiresLimites du modèle

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

F

L

F’

FF

FF

Fk

L ⋅=1⇒⋅= LkF

2

2

dtLdm

dtdLrLkF ⋅+⋅+⋅=

F’

infrel FFFF ++=

L

F

Elasticité

Résistance

F

Système linéaire, un degré de liberté

FF

FF’

Equation fondamentale de la mécanique (Lois de Newton)

Longueur Vitesse Accélération

P

r

P

V

V

Modèle descriptifSystème linéaire, un degré de liberté (mais 3 dimensions)

infrel PPPP ++=

2

2RE

dtVdI

dtdVVP ⋅+⋅+⋅=

Volume Débit Accélérationvolumique

Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine Système mécaniqueGrandeurs d’entrée et de sortieEvolution temporelleUn modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)Application du modèle à un mouvement périodiqueApplication aux éléments du système thoraco-pulmonaire

Voies aériennesTissu pulmonaire Paroi thoraco-abdominale

Position des muscles respiratoiresLimites du modèle

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

3 formes identiques de l’équation du mouvement:à coefficients constants (C, R, I)

C: Compliance (r. élastique)

R: Résistance (r. visqueuse)

I: Inertance (r. inertielle)

à un degré de liberté (V) VC

Pel ×=1

VRPfr &×=VIPin &&×=

Propriétés statiques

Propriétés dynamiques

Compliance : Complaisance

E1

=

infrel PPPP ++= A débit nul, la pression s’oppose aux seules forces élastiques

Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine Système mécaniqueGrandeurs d’entrée et de sortieEvolution temporelleUn modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)Application du modèle à un mouvement périodiqueApplication aux éléments du système thoraco-pulmonaire

Voies aériennesTissu pulmonaire Paroi thoraco-abdominale

Position des muscles respiratoiresLimites du modèle

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

V

t

)2sin( tfaV ⋅⋅= π&

)sin( taV ⋅⋅= ω&

t

dtVd

IVRdtVCP&

&& ×+×+×= ∫1

Si on représente le débit comme une fonction sinusoïdale du temps:

)sin()2sin( tatfaV ⋅⋅=⋅⋅= ωπ&

Alors:

)cos()sin()cos(1 ωtωaIωtaRωtωa

CP ⋅⋅⋅+⋅⋅+⋅−⋅=

Dépendant de f

ωtωaIωtaRωtωC

aP cossincos ⋅⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅

−=Indépendant

de fDépendant

de f

dttda

ItaRdttaC

P )sin()sin()sin(

1 ωωω

⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅= ∫

ωtC

ωIaVRP cos)1( ⋅⋅

−⋅⋅+⋅=ω

&

ωtC

ωIaωtaRP cos)1(sin ⋅⋅

−⋅⋅+⋅⋅=ω

Résistance RéactanceDépendant de fIndépendant de f

VC

×1

VR &×

VI &&×

+

+

lP e =+

resP

inP

=+

=

=

P

C = 0.2 l.cmH2O-1

R = 2 cmH2O.l-1.sI = 0.01 cmH2O.l.s2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

PelPresPinitPtot

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 1 2 3 4 5 6

PelPresPinitPtot

A 4 Hz (fréquence de résonance), dans ce modèle, la réactance est nulle:

ω=

CIω 1

La pression mesurée est égale à la pression résistive

ωtC

IωaωtRaP cos)1(sin ×−+×=ω

a 0.5F 10 c.min-1

C 0.2 l.cmH2O-1

R 2 cmH2O.l-1.sI 0.01 cmH2O.l.s2

a 0.5F 240 c.min-1

C 0.2 l.cmH2O-1

R 2 cmH2O.l-1.sI 0.01 cmH2O.l.s2

Quel effet de la fréquence respiratoire ?

ωπ =⋅ f2

Dépendant de f

ωtωaIωtaRωtωC

aP cossincos ⋅⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅

−=

Indépendant de f

Dépendant de f

Si ω est faible (c’est-à-dire à fréquence respiratoire normale), la pression inertielle peut être négligée

infrel PPPP ++=

VC

Pel ×=1

VRPfr &×=

Propriétés statiques

Propriétés dynamiques

Stocks J, Sly PD, Tepper RS, and Morgan WJ. Infant respiratory function testing. New-York: Wiley-Liss, 1996.

Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine Système mécaniqueGrandeurs d’entrée et de sortieEvolution temporelleUn modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)Application du modèle à un mouvement périodiqueApplication aux éléments du système thoraco-pulmonaire

Voies aériennesTissu pulmonaire Paroi thoraco-abdominale

Position des muscles respiratoiresLimites du modèle

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

Pressiontrans-bronchique

Pressiontrans-pulmonaire

Pressiontrans-thoracique

Gaz

Tiss

uPu

lmon

aire

Thor

ax

Pressiontrans-thoraco-broncho-pulmonaire

Pressiontrans-thoraco-pulmonaire

Pob

Palv

PplPsc

Contrainte = Pression appliquée au système (= Différence de pression à ses bornes)

Déformation = Changement de volume

Poum

ons

Thor

ax-p

aroi

Psr

Pp

Pob

PscSyst

ème

thor

aco-

pulm

onai

re

VRpVCp

PplPobPp &×+×=−=1

VRtVCt

PscPplPt &×+×=−=1

VRsrVCsr

PscPobPsr &×+×=−=1

+ + += = =

Ppl

Pob

Ppl

Pt

PscPpl

PscVRtRpVCtCpVRrsVCrs&& ×+×+=×+× + )()

11(

1

Poumons Thorax-paroiSystème thoraco-pulmonaire

Csr1

Cp1

Ct1= +

Rsr = Rp Rt+

Poumons VRpVCp

PplPobPp &×+×=−=1

VRtpVCtp

PplPalvPtp &×+×=−=1

VRgVCg

PalvPobPg &×+×=−=1

Gaz (voies aériennes)

Tissu pulmonaire

)(: AirwaysaériennesvoiesdesRésistancegva RR =V

PalvPobRvaRg&−

==

CpCtp = RpRvaRtp =+

Équivalents « électriques » du système respiratoire

Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine Système mécaniqueGrandeurs d’entrée et de sortieEvolution temporelleUn modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)Application du modèle à un mouvement périodiqueApplication aux éléments du système thoraco-pulmonaire

Voies aériennesTissu pulmonaire Paroi thoraco-abdominale

Position des muscles respiratoiresLimites du modèle

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

Grandeurs caractéristiques du système (Compliance, Résistance)

Un exemple facile: le poumon ( cf cours sur propriétés élastiques)

Propriétés élastiques: rapport à débit nulPressionVolume

VRpVCp

PplPob &×+×=−1

CpPplPob

V=

−0Quand =V&

Un cas « facile »: le poumon.Les muscles respiratoires (sur la cage thoracique) sont extérieurs au système étudié.

VRpVCp

PplPob &×+×=−1

0≈V&

( ) ( )ob1ob2

1

PPPPVVCp

−−−−

=2

( )12

1

PPVVCp

−−

=2

Adapté de: Flandrois R, Brune J, and Wiesendanger T. La respiration. Villeurbanne: SIMEP Editions, 1976.

Diaphragme

Adapté de: Flandrois R, Brune J, and Wiesendanger T. La respiration. Villeurbanne: SIMEP Editions, 1976.

Diaphragme

Un cas « facile »: le poumon.

Pel PfrP

V

P’

PplPob

V

V’

−

elPV

PVCp ==

''

Insp.

Exp.

VPfrRp&

=

Plus difficile: la paroi thoraco-abdominale (et le système poumon-paroi).

Quel générateur de pression ?

F’

Les muscles respiratoires font partie du système thoraco-pulmonaire:Ils doivent être en relaxation pour permettre la mesure des propriétés mécaniques de la paroi thoraco-abdominale et du système thoraco-pulmonaire.

F F

2

2

'dt

LdmdtdLrLkFF ⋅+⋅+⋅=−

2

2

dtLdm

dtdLrLkF ⋅+⋅+⋅=

Introduction: Le système thoraco-pulmonaire vu comme une machine Système mécaniqueGrandeurs d’entrée et de sortieEvolution temporelleUn modèle mécanique simple (Compliance, Résistance, Inertance)Application du modèle à un mouvement périodiqueApplication aux éléments du système thoraco-pulmonaire

Voies aériennesTissu pulmonaire Paroi thoraco-abdominale

Position des muscles respiratoiresLimites du modèle

Équilibre et mouvement du système thoraco-pulmonaire

Modèle essentiel, utilisé pour caractériser la fonction mécanique ventilatoire (compliance, résistance)

Les limites du modèle à coefficients constants (C, R , I) et à une dimension:

La description linéaire (c.f. propriétés statiques et dynamiques)

La dimension (degré de liberté) volume (c.f. périmètre thoracique ou abdominal)

L’hétérogénéité du système (c.f. ventilation alvéolaire)L’absence de description des mécanismes (origine de l’élasticité?)

Une expression plus générale:

PCVVC

P ×=⇔×=1

Système linéaire ?

PR

VVRP ×=⇔×=1&&Système linéaire ?

En résumé:

ComplianceInertance

Résistance

Modèle descriptif simple, mais indispensable à la compréhension de la mécanique ventilatoire, de la ventilation assistée et des explorations fonctionnelles respiratoires.

Handbook of physiology, Respiratory system, Mechanics of breathing

Documentation disponible à la BU médecine (+ autres…)