BIOPHYSIQUE DE LA CIRCULATION Biophysique cardiaque Mécanique des fluides Hémodynamique Biophysique cardiaque I - HEMODYNAMIQUE INTRA-CARDIAQUE 1 - Principe de fonctionnement 2 - Courbes pression-volume du ventricule 3 - Courbes pression-temps 4 - Méthodes d'etude de l'hemodynamique cardiaque II - TRAVAIL CARDIAQUE III - DETERMINANTS BIOPHYSIQUES DE LA PERFORMANCE VENTRICULAIRE 1 - Contractilité et compliance myocardiques 2 - Précharge (loi de Starling) 3 - Postcharge 4 - Fréquence

I- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 2 pompes en séries pour compenser la perte de charge entre le retour veineux (précharge) et le secteur artériel (postcharge). précharge 1 kPa postcharge  systémique = 13 kPa (Aorte)  pulmonaire = 2,6 kPa (Artère pulmonaire) Pression kPa 13 2,6 Ventricule droit Poumons Ventricule gauche Circ. systémique Remarque: système pulsatile amorti par l’élasticité des vaisseaux

Chaque pompe : 1 Chambre d'admission (basse pression) 2 2 Valve d'admission (tricuspide, mitrale) 3 3 Ventricule (droit, gauche) 4 4 Valve d'éjection (pulmonaire, aortique) Post charge Pré charge 1

2 - COURBE PRESSION-VOLUME OE   contraction isovolumétrique Systole FE   éjection Post charge  OA  relaxation isovolumétrique Diastole  remplissage diastolique  Pré charge FA VTS VTD Volume ventriculaire Volume Télé Diastolique – Volume Télésystolique = Volume d’Éjection Systolique (VES)

       3 - COURBES PRESSION-TEMPS Ventricule gauche P (kPa) 14 FE 3 - COURBES PRESSION-TEMPS Ventricule gauche P (kPa)  14 12 10 8 6 4 2  FA OE Aorte Post charge OA     Systole 1/3 Diastole 2/3  Pré charge Oreillette gauche VTS VTD Vol Temps

Diastole Grand silence 4 - METHODES D'ETUDE DE L'HEMODYNAMIQUE CARDIAQUE 4.1- Auscultation  FE 4.1.1- Physiologie : Les bruits normaux du coeur correspondent aux FERMETURES des valves d'admission (tricuspide, mitrale) = premier bruit "TOUM" d'éjection (pulmonaire, aortique) = deuxième bruit "TA" Aorte   FA Oreillette gauche  Séquence : TOUM - systole (« petit silence ») – TA – diastole (« grand silence » … TOUM TA …. 1 2 Systole Petit silence Diastole Grand silence

4.1.2- Pathologie : les souffles cardiaques = écoulements turbulents anormaux. Systole: entre 1er et 2ème bruit Diastole: entre 2ème et 1er bruit Normal Laminaire Silence Rétrécissement Pathologique Turbulent Souffle Fuite Fuite Rétrécissement

4.2- Mesure des pressions intracardiaques : Cathétérisme et montée de sondes manométriques : courbes pression-temps 4.3- Mesure des volumes Volumes instantanés : VTS et VTD Cathétérisme + injection de produit de contraste + clichés radio Echocardiographie Mesure des axes et calcul des volumes (avec hypothèse géométrique) Courbe volume - temps Médecine nucléaire: marquage radioactif des globules rouges Mesure de la radioactivité au cours du temps (d’une contraction)

Radioactivité mesurée (RA) RA*TD RA = Vol x Concentration Radioactive (C) RA*TS Systole 1/3 Diastole 2/3 Temps Fraction d’Éjection (FE) = VTD - VTS VTD VES = Normale = 60% VTDxC - VTSxC VTDxC RA*TD – RA*TS RA*TD = VTD - VTS VTD = FE

II TRAVAIL CARDIAQUE Sang = liquide visqueux → perte de charge. 2 pompes en séries pour compenser la perte de charge entre le retour veineux (précharge) et le secteur artériel (postcharge). Pression kPa Ventricule gauche Circ. systémique 13 Ventricule droit Poumons 2,6 Donc le cœur doit fournir un travail mécanique pour compenser cette perte de charge

II TRAVAIL CARDIAQUE P (kPa) WM = Ep = P V pour une contrcation Quelles valeurs de P et de V ? WM = 14 12 10 8 6 4 2 Post charge Mais WM est accompagné d'un travail de mise en tension du myocarde Pré charge VTS VTD Volume

2 - Travail de mise en tension du muscle cardiaque  = coef de proportionalité T = tension pariétale du ventricule T = temps WT=  Remarque : effet de la dilatation ventriculaire sur WT : loi de Laplace : P = T (1/r1 + 1/r2) dilatation ventriculaire   r1 et r2   de T pour maintenir un même P   WT 3 - Travail total et rendement Travail total T = WM + WT = +  Rendement = WM WM + WT = 5%

Application : la technique de ventriculectomie partielle pour traiter l’insuffisance cardiaque par dilatation du VG. r1=6cm 1  r2=4cm 2 Situation 1 : T1  P = Soit une pression donnée WT1 =   Pour réduire T (à P constant) on  r P = = T2 = T1 = T1 = T1 WT =   

III - DETERMINANTS BIOPHYSIQUES DE LA PERFORMANCE VENTRICULAIRE Performance ventriculaire : capacité à assurer un débit circulatoire et des conditions de pression suffisants pour répondre aux besoins de l'organisme avec un rendement maximum. Le débit : D = VES x FC (FC = fréquence cardiaque) Les performances dépendent de 4 paramètres : 1- Contractilité et compliance myocardiques 2- Précharge (loi de Starling) 3- Postcharge 4- Fréquence cardiaque VES

1 - Contractilité et compliance myocardiques 1- Compliance ou relations pression-volume en diastole (pour le ventricule) : P Définit la façon dont le ventricule se laisse distendre passivement en diastole k k’ VTD’ PTD Courbe de type: P(v) = a exp(k.v) + b Avec k= élastance = 1/compliance Pour k’ > k Compliance’ < Vol VTD

1.2- Contractilité ou relations pression-volume en fin de systole (pour le ventricule) : VTS’ Définit la relation pression-volume en fin de systole (résultat de la phase « active » de la contraction). PTS Courbes de type: P(v) = c.v - d Avec c = contractilité On s’intéresse surtout au point PTS = c.VTS - d Vol Pour c’ > c Contractilité > VTS

1.3- Relations de la compliance et de la contractilité avec la boucle pression-volume La contractilité définit le point FE: point (PTS,VTS) entre la phase d’éjection et celle de relaxation isovolumétrique. PTS FE La compliance est responsable de la forme de la courbe P/V lors du remplissage diastolique FA OA VTS VTD Vol

1.4- Exemple pathologique: l’insuffisance ventriculaire gauche (IVG) = VES  - Deux origines possibles.  contractilité: IVG systolique  compliance : IVG diastolique P P VES  (Car VTS2 > VTS1) VES  (Car VTD2 < VTD1)

2 - Précharge P PTD’ FA’ VES  P du retour veineux  VTD  suivant la compliance Jusqu’à la pression de fermeture de la valve d’admission (PTD’). VTD   VES   débit  Mais WM  aussi FA PTD Vol

Loi de Starling : rappel VES = VTD - VTS Le volume d'éjection en systole (VES) est une fonction directe de l'étirement des fibres myocardiques en diastole jusqu'à une distension maximale.

Conséquences de la loi de Starling : Partie linéaire (conséquence physiologique) : La loi de Starling assure en permanence un débit identique entre les ventricules droits et gauches. débit VD    précharge VG   débit VG VD Poumons VG Partie non linéaire (conséquence pathologique) : Dans l'insuffisance ventriculaire gauche, à partir du point critique de la courbe, si le débit du VD augmente, le VES du VG ne peut pas augmenter autant et il y a engorgement entre les deux : l'oedème aigu du poumon VD Poumons VG

3 - Postcharge Liée aux résistances à l'éjection du ventricule (Poiseuille P=RD) P VES  Postcharge  VTS  débit  WM et WT Vol

4 - Fréquence Agit directement et rapidement sur le débit : D = FC x VES Remarque : Plus il y a de contractions par unité de temps, plus il y a de consommation d'énergie (mécanique WM et de mise en tension WT) et moins bon est le rendement.

Conclusion : exemple de mise en jeu combinée de ces déterminants biophysiques: l'hypertension artérielle  augmentation de la postcharge Effet initial : VES = Réaction:  contractilité P P Vol Vol VES  Rétablissement des conditions hémodynamiques mais au prix d'une  WM