UE12 – Appareil respiratoire Pr. Delclaux
Le 21/03/2019 de 15h30 à 16h30 Ronéotypeur : Charlotte Pigneux Ronéolecteur/ficheur : Céline Perrotton
Cours 16 : EFR pratique et adaptations ventilatoires à l'exercice
Ce cours est une introduction aux 5 différents TDs obligatoires (les groupes devront être respectés) sur des syndromes pathologiques qui nous seront présentés chaque semaine et sur quoi nous serons interrogés lors de deux contrôles continus.
EFR : Exploration Fonctionnelle Respiratoire
VA : Voies Aériennes
Sommaire
Introduction : Les atteintes respiratoires
I) L'EFR (Exploration Fonctionnelle Respiratoire) A) Indications de l'EFR
B) Rappels : Les constantes respiratoires II) Analyses des résultats des EFR
A) Définition du sujet sain/normal B) Interprétation des résultats C) En somme, ce qu'il faut savoir III) Adaptation ventilatoire à l'exercice
A) Rappels
B) Adaptation ventilatoire
Introduction : Les atteintes respiratoires
En physiologie, on schématise le système respiratoire par un tuyau (= un segment rigide, correspondant aux voies aériennes (VA)) et par un sac (correspondant aux poumons). On retrouve des maladies liées au tuyau et d'autres liées au sac.
Il existe différentes atteintes respiratoires du système mécanique :
➢ Modifications réduisant le calibre des VA, donnant une obstruction des bronches.
Cette obstruction peut être :
• Transitoire, liée à une contraction du muscle lisse bronchique comme dans l'asthme,
• Permanente, liée à un remodelage, c'est-à-dire à un épaississement de la paroi (exemple : BPCO : Broncho-Pneumopathie Chronique Obstructive, qui est secondaire au tabagisme dans 80% des cas).
➢ Atteintes du parenchyme pulmonaire qui vont modifier les propriétés mécaniques du sac :
• On trouve les fibroses qui sont dues à des dépôts de matrice extra-cellulaire (notamment de collagène de type fibrillaire).
• On trouve aussi l'emphysème pulmonaire qui correspond à la destruction des fibres élastiques, modifiant la compliance des poumons (augmentant le volume des poumons).
➢ Atteintes du système mécanique actif (c'est-à-dire des muscles) qui donnent des myopathies aboutissant à des atteintes musculaires diaphragmatiques qui vont retentir sur le système respiratoire.
I) Les EFR (Explorations Fonctionnelles Respiratoires) A) Indications des EFR
Les EFR ont plusieurs fonctions :
- Tout d'abord, le dépistage d'une affection respiratoire débutante (symptômes respiratoires principaux : dyspnée, toux et expectorations).
- Ce dépistage permet un diagnostic positif surtout dans le cadre de la BPCO (maladie obstructive qui donne une anomalie aux EFR). Il permet aussi un diagnostic de gravité des maladies pulmonaires (c'est-à-dire que plus la fonction respiratoire est amputée, plus elle va pouvoir retentir sur les échanges gazeux et donner de l'insuffisance respiratoire). On va donc pouvoir évaluer la sévérité des maladies.
- Les EFR permettent aussi un suivi évolutif de la maladie et des effets des thérapeutiques (on suit les traitements sur l'amélioration ou l'absence d'amélioration des EFR), par exemple pour les nouveaux traitements des fibroses.
- Dans certaines circonstances, les EFR permettent une évaluation pré-opératoire dont la seule indication actuellement retenue est la chirurgie pulmonaire. Avant, on faisait des EFR pour toutes sortes de chirurgies, ce qui n'avait pas grand intérêt, et maintenant on les fait essentiellement pour la chirurgie pulmonaire.
EFR des pathologies pulmonaires :
Pour observer l'obstruction des VA (asthme, BPCO), on pratique des études de :
• Débits en expiration forcée (car dans cette condition, le débit expiratoire maximal est lié au calibre des VA),
• Résistance des VA en respiration calme qui permet d'avoir directement une idée du calibre des VA.
Pour observer les maladies du parenchyme pulmonaire (fibrose, emphysème), on mesure :
• Les volumes statiques dans une situation où le poumon ne bouge pas, où le débit est nul, ce qui nous donne
B) Rappels : Les constantes respiratoires
On va revoir les trois positions d'équilibre dans le système respiratoire.
On parle d'équilibre car ici, le débit est nul. On se trouve dans la transition entre l'inspiration et l'expiration.
CPT : Capacité Pulmonaire Totale : Volume d'air maximal que contiennent les poumons après une inspiration forcée.
CRF : Capacité Résiduelle Fonctionnelle : Volume d'air contenu dans les VA après une expiration spontanée (non forcée).
VR : Volume Résiduel : Volume qui reste dans les poumons après une expiration forcée.
Comme le système respiratoire est à l'équilibre, les forces qui font bouger le système sont équivalentes.
On retrouve un équilibre pour les trois volumes pulmonaires :
→ Pour la CRF : la pression de rétraction élastique du poumon (qui tend à faire se collaber les poumons) est équivalente à la force exercée par la paroi thoraco-abdominale. La CRF est donc la position d'équilibre du système respiratoire passif.
→ Pour la CPT : la pression de rétraction et la force de la paroi thoraco-abdominale tirent vers le bas. Le poumon est très distendu. Cette pression est compensée par la force du muscle inspiratoire (le diaphragme).
→ Pour le VR : la pression de rétraction tire un peu, la paroi tire beaucoup vers le haut. Ce qui permet l'équilibre est la force des muscles expiratoires de la paroi abdominale.
Ces trois vecteurs vont être à l'origine des différents syndromes comme le syndrome restrictif (vu plus loin dans le cours).
Schéma de l'analyse temps/volume :
L'analyse se fait chez un sujet qui respire d'abord calmement, puis inspirant profondément et enfin à qui on demande de souffler le plus fort et le plus longtemps possible.
On va avoir la Capacité Vitale (CV) : Quantité maximale d'air qui peut être inspirée et rejetée en une inspiration et une expiration.
On va aussi pouvoir mesurer le Volume Expiré Maximal en 1 Seconde (VEMS) exprimé en litre, correspondant au volume d'air expiré lors de la première seconde après l'inspiration forcée.
Chez un adulte, on souffle les trois quarts de son volume total pendant la première seconde.
Schéma de l'analyse volume/débit :
On remarque que lorsque l'on souffle, le débit augmente très rapidement jusqu'à atteindre le débit expiratoire de pointe (maximal). Puis, le débit chute quand on vide les poumons et que l'on se rapproche des bas volumes pulmonaires. Et lorsqu'on n'a plus rien à souffler dans les poumons, on atteint le volume résiduel (VR).
II) Analyse des résultats des EFR : Comparaison à des normes A) Définition du sujet sain/normal
Après avoir fait des EFR à un patient, on compare toujours les résultats avec ceux qu'on devrait avoir (la norme) en tenant compte de l'âge, la taille, l'ethnie...
Du point de vue du pneumologue, une population normale est constituée de sujets n'ayant jamais fumé et sans antécédent respiratoire.
Comme pour toutes les grandeurs biologiques, il existe une dispersion des valeurs chez les sujets normaux et ce, pour chacune des grandeurs d'intérêt en exploration fonctionnelle respiratoire : débits, volumes ou rapports.
Les facteurs influençant les débits, volumes et rapports sont le sexe, la taille, l'âge, l'ethnie et d'autres facteurs moins importants (qu'on ne prend pas forcément en compte).
À partir de ces quatre grandeurs, on calcule les valeurs prédites, théoriques, dont l'écart-type est réduit.
Exemple :
On utilise des corrections pour le sexe, l'âge et la taille (pas forcément pour l'ethnie car avant, les données n'étaient pas disponibles).
Après correction, la distribution ne dépend plus que des facteurs résiduels, ceux qu'on n'a pas pris en compte.
Donc l'écart-type est réduit.
Ici, on a une distribution gaussienne du VEMS chez la femme et on observe que la distribution de droite est plus réduite que celle de gauche car on a utilisé des corrections.
L'écart-type résiduel est multi-factoriel. Il inclut sans doute la masse corporelle et bien d'autres facteurs dont le poids statistique individuel n'est pas suffisamment important pour qu’une correction ciblée ait un intérêt ou ait un sens statistique.
Méthodologie pour les normes, les pré-requis :
- Pour les EFR, le minimum est de tenir compte des normes par rapport au sexe, à l'âge, la taille et à l'ethnie.
- Il existe de la méthodologie statistique adéquate derrière ces normes. On utilise donc des méthodes un peu compliquées qui ne peuvent pas être expliquées par des simples droites ou des équations.
Par exemple, pour les normes de poids et de taille des enfants, on utilise la méthode LMS (ou GAMLSS) qui résume les changements de distribution de trois courbes : médiane, coefficient de variation et dissymétrie.
Exemple : courbe Poids / Taille chez les enfants.
- Le plus simple est d'avoir une norme pour tous les âges, du plus petit au plus grand, incluant une description de la croissance et de la sénescence, développée à partir d'un grand nombre de sujets sains. On a pris l'habitude de créer des normes pour les enfants, puis pour les adultes et enfin pour les sujets âgés. Mais cela pose un problème au niveau des jonctions, il est donc plus simple de faire directement une norme pour tout le monde.
B) Interprétation des résultats des EFR
Les règles d'interprétation pour les médecins sont établies par des recommandations internationales qui sont renouvelées fréquemment (les dernières datant de 2005). Ainsi, la normalité est définie statistiquement.
Historiquement, on disait pour les ECN que la norme allait de 80 à 120% par rapport à la théorique, ce qui n'a aucune valeur statistique. Ce seuil signifie que l'écart-type (SD) de la variation inter-individuelle est de 10% mais aussi que l'écart-type est proportionnel à la valeur moyenne à tous les âges et pour toutes les tailles, ce qui est faux.
Il existe un coefficient de variabilité pour l'âge. Cela explique le fait que les ouvrages pneumologiques définissaient le trouble restrictif par une CPT < 80% ou < 70%.
L'approche méthodologique est très fausse aux âges extrêmes.
La définition actuellement utilisée (+++) :
On a une courbe de Gauss avec la notion de centiles. La définition de la normalité est un choix arbitraire.
Le choix qui a été fait est qu'en dessous du 5ème percentile, la valeur est considérée comme trop basse et au dessus du 95ème percentile, elle est considérée comme trop haute. Cependant, si un patient a une valeur trop haute ou trop basse, il n'est pas forcément anormal.
Donc l'interprétation dépend du contexte. Si un patient a une valeur trop basse mais qu'il ne se plaint d'aucun symptome respiratoire, il n'est pas malade mais seulement atypique.
Le Z-score correspond au nombre d'écarts-types séparant un résultat de la moyenne.
Il se calcule en faisant la valeur observée moins la moyenne de la population, le tout divisé par la déviation standard.
L'avantage du Z-score est que l'on obtient un seul chiffre que l'on pourra placer sur la courbe.
- Pour une valeur normale de la moyenne, le Z-score = 0
- Pour le 5ème percentile, le Z-score = - 1,64 → Limite Inférieure de la Normale (LIN) - Pour le 95ème percentile, le Z-score = + 1,64 → Limite Supérieure de la Normale (LSN) L'expression des résultats d'EFR d'après les recommandations internationales de 2005 dépend de : - La normalité donnée par l'intervalle de confiance à 90% (c'est-à-dire entre le 5e et le 95e percentile) - Les limites de la normalité entre la LIN et la LSN.
Exemple d'EFR et de résultats :
La boucle volume/débit est un résultat des EFR avec vers le haut l'expiration et vers le bas l'inspiration.
Le volume mesuré correspond à la capacité vitale (CV). On observe aussi les différents volumes (VR, CPT, CRF).
Débits / Volumes mobilisables :
LIN prédite (5e percentile pour le sujet)
Mesure du sujet
Norme en pourcentage par rapport à la valeur théorique
CV (en L) 3,12 3,68 97
VEMS (en L) 2,67 3,24 98
VEMS / CV (en %) 73,67 88,07 104
DEP (en L/s) 5,74 6,04 84
DEP = Débit Expiratoire de Pointe.
Ici, les résultats de ce sujet sont correctes.
Les interprétations suivantes seront revues plus spécifiquement en TD.
INTERPRÉTATION DES VOLUMES :
On trouve le trouble restrictif qui est la diminution de la Capacité Pulmonaire Totale (CPT).
La CPT est alors inférieure au 5e percentile (→ LIN).
Les trois types de maladies pouvant entraîner un trouble restrictif sont :
- les fibroses pulmonaires,
- les maladies de la paroi (notament avec l'obésité majeure), - les maladies du diaphragme.
On trouve aussi la distension thoracique qui correspond à une augmentation des volumes statiques. Il n'y a pas de définition internationale car c'est une notion complexe.
Il existe deux mécanismes de distension dans lesquels l'augmentation du volume n'est pas tout à fait la même : - Diminution de la pression de rétractation élastique : distension de l'emphysème panlobulaire.
- Augmentation du volume piégé (obstruction bronchique) : distension dynamique de l'emphysème centro-lobulaire (la CRF n'est plus un volume statique).
INTERPRÉTATION DES DÉBITS :
On peut définir le trouble obstructif par un rapport VEMS sur CV inférieur au 5e percentile, c'est-à-dire inférieur à la LIN.
→ VEMS / CV < LIN
Normalement, on doit expirer de façon forcée 75% de sa CV en une seconde. Si l'on souffle moins, par exemple 50% de la CV, cela veut dire qu'on souffle lentement à cause d'une obstruction.
Le degré de diminution du VEMS chiffre alors l'importance de l'obstruction. Plus le VEMS est bas, plus c'est grave.
Exemple d'EFR que l'on retrouvera en TD :
Le Z-score est souvent utilisé en pédiatrie. Nous n'en verrons pas en TD.
Ce patient a donc un trouble ventilatoire obstructif très sévère et une distension thoracique.
NB non dit en cours : La deuxième partie du tableau correspond à une deuxième prise de mesures avec bronchodilatateur. On n'y observe aucun changement notable par rapport à la spirométrie sans bronchodilatateur.
Avec la distension thoracique et le terrain du sujet, on peut supposer un trouble pouvant correspondre à la mucoviscidose.
C) En somme, ce qu'il faut savoir
➢ Notions mécaniques physiologiques simples :
• Tuyau : résistance, conductance (débit)
• Sac : compliance, élastance (volume)
➢ Volumes statiques (points de débit nul) : CPT, CRF, VR.
➢ Volumes mobilisables : VEMS et CV
➢ 3 définitions :
• Trouble obstructif : VEMS/CV < LIN
• Trouble restrictif : CPT < LIN
• Distension thoracique : volumes statiques > LSN
III) Adaptation ventilatoire à l'exercice A) Rappels
Les animaux hétérotrophes utilisent de l'énergie chimique.
On va utiliser de l'oxygène et des glucides, lipides et protéines pour pouvoir former de l'énergie (W) et des déchets (eau, gaz carbonique, azote si consommation de protides). Le système respiratoire va devoir apporter de l'oxygène et éliminer du gaz carbonique.
Cette énergie va être transformée en énergie mécanique.
Ensuite, W est transférée sur des petites molécules phosphorées (ATP, ADP).
L'énergie est utilisée de différentes manières : - Cellule : Na+/K+ATPase, etc...
- Organe : Transport gaz et sang, muscles
Cette énergie est transformée en : - Énergie mécanique : 20%
- Énergie thermique (sous-produit) : 80%
L'Homme n'a pas de tissu calorigène spécialisé (graisse brune animale).
Apports : Élimination : - Alimentation (glucides, lipides, protides) - Respiration (CO2) - Respiration (O2) - Rein (Azote)
On retrouve les 3 voies qui vont fournir de l'énergie qui sont les voies de la phospho-créatine, de la glycolyse anaérobie et du métabolisme aérobie. Elles sont impliquées de façon très différente dans le temps, au cours de l'effort.
Selon les besoins, certaines voies sont plus utilisées que d'autres. Par exemple, un altérophile utilise davantage la voie de la phospho-créatine et un marathonien utilise davantage le métabolisme aérobie.
B) Adaptation ventilatoire
Le contrôle ventilatoire va maintenir une PaCO2 constante et notamment à l'exercice.
La PaCO2 est de l'ordre de 40 mmHg et reste constante à l'effort alors que la consommation d'O2 et la production de CO2 vont augmenter.
Il faut un système de régulation, la ventilation, qui va augmenter pour éliminer le CO2 et apporter l'O2.
Il y a une adaptation cardio-respiratoire.
Ventilation = VT × FR, avec VT : Volume Courant et FR : Fréquence Respiratoire.
Avec l'intensité de l'effort, il va d'abord y avoir une augmentation du volume courant jusqu'à ce qu'il atteigne quasiment un plateau. Puis, à ce moment-là, la fréquence respiratoire augmente.
Le VT augmente au dépens des réserves inspiratoire et expiratoire. La CRF est donc diminuée à la fin de l'exercice.
Réponse ventilatoire à l'exercice :
La capacité inspiratoire (CI) correspond au volume qu'on est capable d'inspirer à partir de la CRF (donc après une expiration normale).
CI + CRF = CPT
À l'exercice, il y a une augmentation de la CI
Boucle Débit - Volume à l'exercice :
Le VT et la CI augmentent, tandis que la CRF diminue.
Échanges alvéolo-capillaires :
Le débit d'oxygène au travers de la barrière alvéolo-capillaire correspond à la conductance pour cet oxygène multipliée par la différence de pression de part et d'autre de la barrière capillaire.
Au repos, le temps de contact est important par rapport au temps d'équilibration.
À l'exercice, l'augmentation du débit cardiaque réduit le temps de passage dans les capillaires pulmonaires alors que le temps d'équilibration augmente (sang veineux plus désaturé).
C'est un mécanisme passif, nécessitant un temps de contact suffisant.
Gradient de diffusion à l'exercice :
À l'exercice, il va y avoir une augmentation de la conductance en oxygène liée à l'augmentation du volume capillaire. À l'exercice, on a un recrutement et une distension vasculaire pulmonaire qui va permettre de faire des échanges gazeux.
Transfert à l'exercice :
Chez le sujet normal, il n'y a pas d'hypoxémie à l'exercice, ni de diminution du transport d'oxygène. La CaO2 reste maximale.
Échanges gazeux à l'exercice maximal :
Il existe une hyperventilation à l'exercice maximal.
Le aVE continue d’augmenter alors même que la VO2max plafonne.
On n'observe pas de désaturation artérielle : la CaO2 reste maximale.
Les débits et pressions sont nettement infra-maximaux.
Les courbes Débit – Volume sont loin de l’enveloppe maximale.
Il existe des réserves ventilatoires de l’ordre de 50 à 60 % des capacités théoriques.
Les pressions inspiratoires sont environ égales à 15 - 30 % des pressions inspiratoires maximales.
Les pressions expiratoires au maximum sont de l’ordre de 3 % des pressions expiratoires maximales.
Il n'y a pas de signe de fatigue des muscles respiratoires à l'électromyogramme.
Donc il n'y a pas de limitation respiratoire chez le sujet sain.
