physiologie respiratoire structure et fonctions de l
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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…)
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