Cours de physiologie du 05/10/2000

Programme:

 

TENSION

                        Valeurs

 

DEBITS

                        Définition

            Type de débit: laminaire

                                               Turbulent

 

RELATION PRESSION-DEBIT

                        Notion de résistance

                                   de résistance systémique

                        de résistance pulmonaire

 

RELATION PRESSION - DEBIT (VITESSE) – RAYON

 

MESURE DES DEBITS

 

                        Méthode de Fick

                                       de Stewart Hamilton

 

VALEURS

 

 

 

La tension est la plus forte dans la paroi de l'aorte, et non pas dans celle des capillaires. Le risque de rupture est élevé dans le cas de l'aorte.

Lorsque celle-ci vieillit ( ou lorsque des plaques de cholestérol s'y déposent), elle se fragilise et risque de se rompre. Par contre, la

tension est plutôt faible dans les capillaires.

 

 

DEFINITION

 

Un débit, en général, c'est une quantité de quelque chose par unité de temps. Dans

la partie circulatoire, un débit est un volume par unité de temps:

 

 

On ne va pas pouvoir analyser de la même façon un débit dans un gros vaisseau et un petit vaisseau: le fluide, vu sous l'angle du vaisseau, n'est pas le même.

Dans les gros vaisseaux, le fluide (=le sang) se comporte comme un liquide incompressible (=par exemple l'eau).

Dans les petits vaisseaux par contre, on ne peut plus assimiler le sang à un liquide simple mais il faut le considérer comme complexe. En effet, le sang comporte des particules en suspension (globules blancs et globules rouges, qui constituent 45 % du volume total) dont les propriétés ne sont plus négligeables vu la dimension des tuyaux. Les cellules sanguines se frottent contre les capillaires, et parfois le diamètre des cellules est même supérieur à celui des capillaires.

Dans les gros vaisseaux, 2 types de débits sont possibles: écoulement laminaire et turbulent.

 

TYPE DE DEBIT:

 

v     LAMINAIRE

 

 

 

Le fluide est entraîné par des forces parallèles aux parois du tuyau, créées par des différences de pression à l'entrée et à la sortie du tuyau.

 

P_e Pression à l'entrée du tuyau

P_s Pression à la sortie du tuyau

 

Au bout d'un certain temps je constate que j'obtiens un tronc de vitesse parabolique. La partie centrale du vaisseau s'écoule beaucoup plus vite que la partie périphérique. On assimile le fluide à plein de cylindres emboîtés les uns dans les autres.

 

L'écoulement laminaire possède des propriétés d'échange particulières:

 

• C'est un écoulement silencieux, puisqu'il y a peu de frottements: tous les vecteurs vitesse sont parallèles à la paroi. Il y a uniquement des frottements contre la paroi. Les particules se répartissent de façon peu homogène.

 

• Les particules proches de la paroi sont trop lentes, trop peu énergétiques pour que les échanges soient favorisés. C'est donc un mauvais système d'écoulement si je veux échanger des particules avec le monde extérieur.

 

• C'est un système peu cher, qui dépense peu d'énergie.

 

• On retrouve cet écoulement dans les gros troncs de la circulation.

v     TURBULENT

Si je m'amuse à augmenter la différence de pression aux extrémités du tuyau, l'écoulement va se modifier: il va devenir turbulent. Les vecteurs vitesse sont alors disposés dans tous les sens, mais leur valeur moyenne est dans l'axe du tuyau.

L'écoulement turbulent possède des propriétés d'échange tout à fait différentes:

• C'est un système très bruyant à cause des nombreux impacts sur la paroi du tuyau.
• Les échanges avec le milieu extérieur se font facilement si la paroi est suffisamment perméable.
• La situation étant désordonnée, ce type d'écoulement coûte cher en énergie.

 

A deux endroits du corps seulement on peut parler d'écoulement turbulent:

• A la sortie du coeur, l'écoulement est à la limite du turbulent et donc très bruyant.
• Dans les capillaires, l'écoulement est turbulent dans la mesure où il permet les échanges, mais c'est un écoulement non bruyant.

 

Pour un même débit, si la section diminue, la vitesse du sang augmente. L'écoulement, d'abord laminaire, devient turbulent.

 

Ainsi, à la sortie du coeur ou dans une grosse artère, si la section diminue par un processus pathologique, l'écoulement du sang devient turbulent et bruyant. Ce sont ces bruits caractéristiques que l'on recherche à l'auscultation.

 

Fluide newtonien

 

Dans les gros vaisseaux, le sang peut être considéré comme fluide newtonien ( c'est-à-dire qui se comporte comme l'eau):

Une différence de pression créée aux extrémités du tuyau engendre nécessairement un débit.

 

Fluide plastique

 

Dans les petits vaisseaux, le sang est considéré comme plasma dans lequel sont en suspension des globules rouges.

Entre les globules rouges, l'écoulement est turbulent.

Cependant l'ensemble du fluide ne se comporte pas comme fluide newtonien, mais comme fluide plastique. Un fluide plastique n'est pas nécessairement déplacé par une différence de pression aux extrémités du tuyau.

En effet, notre fluide ne commencera à se mettre en mouvement que si on lui a fourni une certaine quantité d'énergie minimum. Cela provient du fait qu'en présence d'un diamètre faible, les globules rouges ne peuvent plus être considérés comme négligeables par rapport au plasma: ils offrent une résistance élevée à la mise en mouvement du sang.

 

Dans les petits vaisseaux, certes, les échanges sont favorisés. Mais quand l'hématocrite augmente (=polyglobulie ), il apparaît des difficultés de circulation et d'échange dans les capillaires, donnant lieu à des pathologies de la circulation périphérique.

 

 

NOTION DE RESISTANCE

 Dans un circuit électrique, on a:

 

U = V_e – V_s = RI         LOI D'OHM

 

Dans un gros vaisseau ou une série de grands vaisseau x j'aurai le même phénomène.

 

Mon vaisseau présente alors une résistance R à l'écoulement: le fluide se frotte contre la paroi, dissipe de la chaleur et perd de l'énergie.

 

P_e – P_s = R

P = R

On pourra donc évaluer la résistance de différents vaisseaux à partir de cette formule, mais il faudra d'abord réussir à déterminer  .

 

Cette résistance me donnera une idée de ce qui s'oppose à l'écoulement du liquide. On trouvera plus tard que la plus grande partie de la résistance réside dans les artérioles.

NOTION DE RESISTANCE SYSTEMIQUE

 

Pour calculer la résistance systémique, il suffit donc d'appliquer la formule trouvée ( en admettant que l'on puisse mesurer le débit cardiaque et en connaissant la pression moyenne à l'intérieur de l'aorte ):

 

 

R =

_AO    Pression moyenne à l'intérieur de l'aorte

_OD    Pression moyenne à l'intérieur de l'oreillette droite

 

Il y a beaucoup trop de paramètres à mesurer dans cette formule:

 

Or on sait que _AO = 100 mm Hg et que _OD est de l'ordre du cm H₂O.

 

_OD et donc négligeable par rapport à _AO, et l'on obtient par approximation:

 

R =

 

C'est une formule très intéressante en réanimation cardiaque.

Valeur normale:

 

R =

 

 

NOTION DE RESISTANCE PULMONAIRE

 

 

VD Ventricule droit

AP Artère pulmonaire

VP Veine Pulmonaire

OG Oreillette gauche

RVP Résistance vasculaire pulmonaire

 

Rappel:  est le même dans la grande et la petite circulation, car ce sont deux circulations en série.

Soient  _AP la pression artérielle pulmonaire moyenne.

            _OG la pression moyenne au niveau de l'oreillette gauche.

 

On a, d'après la formule:

 

RVP =

 

Ici, rien n'est négligeable:

 

_AP 15 cm H₂0

_OG 5 cm H₂0

  5 litres/min

 

Conseil: jeter à la poubelle tous les livres qui considèrent _OG comme négligeable.

 

Il faut donc que je mesure et la pression à l'entrée du poumon, et la pression à la sortie du poumon.

 

_OG est très difficile à mesurer. Il faut introduire un cathéter, au bout duquel est fixé un ballon gonflable, dans une veine périphérique. Lorsque l'on gonfle un peu le ballon, celui-ci est entraîné jusque dans l'artère pulmonaire.

 

Dans l'artère pulmonaire, on trouve du sang veineux mêlé, dont on aimerait justement bien connaître la composition. Il suffit de prélever un échantillon sanguin.

 

Pour trouver la _AP , il faut avoir fixé au cathéter un 2^e tuyau, bouché au bout et muni d'un trou latéral.

 

Pour mesurer _OG, j e ne puis procéder de la même façon, car je risque de blesser mon ventricule gauche en y introduisant un cathéter dans le sens contraire de la circulation ( et je ne puis bien sûr passer à travers les poumons ).

 

Je fixe donc un 3^e tuyau à mon cathéter, relié au ballon et permettant de le gonfler encore plus. J'avance le cathéter et j'occlus ainsi un capillaire pulmonaire. Devant le ballon, il reste une colonne de liquide immobile en rapport direct avec l'oreillette gauche, transmettant intégralement les pressions exercées au niveau de l'oreillette gauche.

 

On obtient ainsi la Pression Capillaire Pulmonaire Bloquée.

 

Récapitulons: Ce système très astucieux à 3 cathéters permet de mesurer:

 

• la composition en O₂ du sang veineux mêlé
• la _AP
• la _OG

 

Il ne me reste plus que le débit cardiaque à mesurer.

 

 

 

La "surface" désigne la sélection à travers laquelle passe le fluide.

 

 

Diagramme de la circulation:

Entrée: Je sors du coeur par l'aorte.

Retour: Je rentre dans l'oreillette droite par la veine cave.

Entre l'entrée et la sortie il y a le système des capillaires, myriade de petits tuyaux de petites surfaces de section chacun, mais dont la somme des sections est gigantesque. Il y a là une très grande disproportion entre les surfaces d'échanges (énormes) et le volume de sang relativement restreint qu'ils peuvent contenir, parce que les capillaires sont des tuyaux très courts.

 

Exemple:

Le poumon a des surfaces d'échange de 100 m2, mais celles-ci ne représentent que 5 à 10 % du volume sanguin total.

 

Par contre, les veines, qui sont de gros réservoirs de sang, ont de gros diamètres.

 

Récapitulons :

 

• La structure des capillaires favorise les échanges avec le milieu extérieur:
• Petit Volume
• Surface très grande
• Vitesse du sang lente
• Ecoulement turbulent sous forme de fluide plastique.

 

Par contre, la vitesse du sang est rapide à la surface du cœur.

 

 

METHODE DE FICK

 

Cette méthode se fait selon le principe de Fick, qui est la loi de la conservation de la masse.

 

En effet, si l'on suit une molécule que l'on connaît, c'est-à-dire si l'on sait ce qui rentre et ce qui sort, on sait calculer le débit. Or, à travers la petite circulation, s'échange 1'0₂.

 

On va donc essayer de suivre les quantités d'oxygène qui rentrent et sortent du poumon.

 

 

 

A l'entrée du système pulmonaire, on est en effet en présence de sang veineux mêlé, à la sortie, de sang artériel.Bien sûr, il ne faut pas oublier qu'il y a aussi de 1'0₂ qui rentre par la bouche.

 

Si j'arrive à écrire les équations de ce qui rentre et de ce qui sort, je vais avoir quelque chose en relation avec le débit.

 

C Concentration

Sang veineux mêlé

C_O2 Concentration du sang veineux mêlé en O2

C_aO2 Concentration artérielle en O2

 

Ma consommation d'0₂ par les tissus en périphérie est égale au débit de 0₂ que je fais rentrer dans la circulation sanguine. Cette quantité d'0₂ nette qui rentre dans les tissus n'a rien à voir avec la quantité totale de 0₂ qui rentre dans les poumons à chaque instant. En effet, une partie seulement de 1'0₂ passera dans la circulation, le reste sera de nouveau expirée:

 

Quantité totale d'0₂ passant dans la circulation

= Quantité d'0₂ à l'inspiration -Quantité d'0₂ à l'expiration.

 

Attention: Le gaz rejeté en dehors des poumons n'est plus de l'air (il n'a plus la composition chimique de l'air), mais il contient un pourcentage moindre de 0₂

On peut écrire:

 

_O2  +   C_O2 =   C_aO2

 

(V est la lettre qui désigne un volume gazeux.)

 

 

 

  C_aO2  -   C_O2 = _O2  

 

 

Cette méthode est compliquée car il faut connaître C_O2, C_aO2 et_O2 !

 

Mais c'était la 1ère méthode découverte, et cela reste la plus précise et la plus exacte du point de vue technique.

 

La relation qui existe du point de vue quantitatif entre la quantité de O₂ que vous introduisez de l'extérieur et le débit cardiaque montre que l'on ne peut pas distinguer ventilatoire et circulatoire.

 

L'équation de consommation de O₂ me permet de calculer la consommation de O₂ d'un sujet ou le débit cardiaque:

 

_O2  =  (C_aO2  -  C_O2)  

 

Si on fait de l'exercice, _O2 augmente et  augmente.

 

C_aO2 ne varie pas dans un poumon qui fonctionne normalement.

 

Si C_aO2 baisse, il y a quelque chose d'anormal au niveau de mon échangeur cœur-poumon.

 

En revanche, la concentration en O₂ du sang qui revient des organes va varier en fonction des échanges qui se produisent au niveau des organes.

 

Si je veux apporter davantage de O₂ aux muscles, j'ai les possibilités suivantes:

 

• Apporter plus de O₂ en augmentant le débit cardiaque.
• Augmenter la C_aO2  NON! NE MARCHE PAS!
• Extraire plus de O₂ de chaque volume de sang au niveau de l'organe, c'est-à-dire
• augmenter la C_O2.

 

CaO2 est toujours constante, ce qui prouve que l'échangeur pulmonaire est un système extrêmement performant.