Déterminants de l’hématose Christophe Delclaux Physiologie Pédiatrique

Ventilation alvéolaire Echanges gazeux Ventilation alvéolaire Ventilation Convection Transfert alvéolo-capillaire Diffusion VCO2 alvéole VO2 Transport des gaz par le sang Convection Diffusion Consommation d’O2 Production de CO2 VCO2 VO2

Echanges gazeux Concentrations de gaz dans l’air VCO2 alvéole VO2 Diffusion: notion de pression Transport: retour aux concentrations Diffusion: notion de pression VCO2 VO2 Débits de gaz

Gaz inspiré PIO2 PAO2 PaO2 PvO2 Gaz inspiré Gaz alvéolaire mmHg Pour les gaz: unité de pression mmHg (100 kPa ~750 mmHg) Gaz inspiré PIO2 Gaz alvéolaire PAO2 Sang artériel PaO2 Sang veineux - tissus PvO2

Composition de l’air Air sec ~ azote (N2) + oxygène (O2) Pression totale = barométrique, atmosphérique PB ~ PN2 + PO2 = 760 mmHg Air inspiré, réchauffé, saturé en vapeur d’eau Vapeur d’eau = gaz supplémentaire [P = f(t°)] à 37°C: PH2O = 47 mmHg (ce n’est pas un gaz parfait)

Pression partielle inspirée en O2 PIO2 = (PB - 47) x FIO2 Air réchauffé et saturé en vapeur d’eau Concentrations ou fractions FIO2 = 0,21 ou 21% FICO2 ~ 0 FIN2 = 0,79 ou 79% Pression partielle en O2: PIO2 = (760 - 47) x 0,21 = 150 mmHg

Gaz inspiré PIO2 = (PB - 47) x FIO2 change si administration thérapeutique d'oxygène (0,21 ≤ FIO2 ≤ 1) ne change pas avec l'altitude Pression barométrique diminue en altitude ( /2 à 5000 m) augmente en caisson hyperbare

Gaz alvéolaire PIO2 PAO2 PaO2 PvO2 Gaz inspiré Gaz alvéolaire mmHg Gaz inspiré PIO2 150 Gaz alvéolaire PAO2 Sang artériel PaO2 Sang veineux - tissus PvO2

Ventilation / Ventilation alvéolaire: espace “mort” VT = VA + VD (dead)

La consommation d’oxygène: VO2 . La consommation d’oxygène: VO2 Gaz inspiré VT, FIO2 Gaz expiré VT, FEO2 Ventilation VO2 Ventilation alvéolaire = VA x FIO2 – VA x FAO2 . VA, FIO2 Gaz alvéolaire VA, FAO2 . VO2 = VT x FIO2 – VT x FEO2 . . alvéole Espace mort (pas d’échanges) VO2

La production de gaz carbonique: VCO2 . La production de gaz carbonique: VCO2 Gaz inspiré VT, FICO2~0 Gaz expiré VT, FECO2 CO2 dans le gaz alvéolaire Ventilation VCO2 = VT x FECO2 . VCO2 Ventilation alvéolaire = VA x FACO2 . VA Gaz alvéolaire VA, FACO2 alvéole VCO2 PA(a)CO2 = (760 – 47) x FACO2 = 40 mmHg

CO2 Gaz alvéolaire PIO2 PAO2 PaO2 PvO2 Gaz inhalé Gaz alvéolaire mmHg Gaz inhalé PIO2 150 CO2 Gaz alvéolaire PAO2 Sang artériel PaO2 Sang veineux - tissus PvO2

Pression alvéolaire en O2 (PAO2) Formule simplifiée de la PAO2: PAO2  PIO2 - (PACO2 / 0,8) 40 PIO2 = 713 x FIO2 PACO2 = PaCO2 713 100 100 mmHg  150 - (40 / 0,8)

Pression alvéolaire en O2 (PAO2) PAO2  PIO2 - (PACO2 / 0,8) Quotient respiratoire : QR . . QR : rapport VCO2 / VO2 Dépend du type d’aliment métabolisé QR normal : 0,82 Glucides, QR = 1 Lipides, QR = 0,7

Quotient respiratoire : R Production d’énergie (ATP): utilisation de substrats énergétiques (glucides, lipides, protides) + O2 production de CO2 + d’énergie (ATP) conditions aérobies: glycolyse, cycle de Krebs et chaîne respiratoire Glucose: C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + énergie : CO2/O2 = 1 Lipide: C16H32O2 + 23 O2 = 16 CO2 + 16 H2O + énergie : CO2/O2 = 0,7

Pressions gaz alvéolaires = f(ventilation alvéolaire) Variation de ventilation alvéolaire (métabolisme constant) VO2 = VA x FIO2 – VA x FAO2 VA (FIO2 – FAO2) . Hypoventilation alvéolaire   hypoxémie PaO2 . VCO2 = VA x k.PaCO2 VA x FACO2    hypercapnie PaCO2 = 713 x FACO2 PaCO2

Mécanismes des hypoxémies Convection Ventilation alvéolaire VCO2 alvéole VO2 Diminution du renouvellement du gaz alvéolaire Hypoventilation alvéolaire Ça ne ventile pas… VCO2 VO2

Transfert alvéolo-capillaire mmHg Gaz inhalé PIO2 150 Gaz alvéolaire diffusion alvéolo-capillaire PAO2 100 Sang artériel PaO2 Sang veineux - tissus PvO2

Transfert alvéolo-capillaire Volume courant VT = 500 mL Fréquence respiratoire = 15/mn Ventilation courante = 7,5 L/mn Espace mort = 150 mL Volume alvéolaire ~ 3 L Ventilation alvéolaire = 5 L/mn Transfert alvéolo-capillaire Volume capillaire = 70-100 mL Débit sanguin pulmonaire = 5 L/mn

Transfert alvéolo-capillaire Transfert alvéole - sang 2 étapes: 1) diffusion puis 2) réaction sang capillaire Rtot = Rm + Rs plasma hématie épithélium mb. basale endothélium 1 µm hémoglobine O2 alvéole DL = V / (PA – Pcap) Capacité de transfert (conductance pour le gaz) 1/DLX = 1/DmX + 1/DsX membrane sang .

Capacité de transfert de la membrane Diffusion: loi de Fick surface : A (50-100 m2) épaisseur : e (0,5 µm) gaz: solubilité (a), PM P1 . débit de diffusion V = a/√PM x A/e x (P1 – P2) DmCO2 = 20 DmO2 Diffusion du CO2 solubilité : a (aCO2>>aO2)

Gradients de pression: O2 et CO2 artère pulmonaire capillaire veine pulmonaire 100 PaO2 PvO2 40 gradients de diffusion alvéolo-capillaire 45 40 PvCO2 PaCO2 mmHg

Transfert de l’oxygène ALVEOLAIRE mmHg Normale 100 hypoxémie d’exercice Un peu anormale EXERCICE exercice = diffusion PaO2 < PAO2 hypoxémie de repos (aggravée à l’exercice) Très anormale 50 REPOS 0,25 0,50 0,75 Temps de transit (s) Facteurs limitant transfert O2: repos = perfusion;

Mécanismes des hypoxémies Transfert alvéolo-capillaire Trouble de « diffusion » Ça ne passe pas… Diffusion VCO2 alvéole VO2 VCO2 VO2

La cause la plus fréquente des hypoxémies Hétérogénéité des rapports ventilation perfusion

= ventilation = circulation (n=12) (n=12) n=12

= ventilation = circulation (n=12) (n=12) n=8

Effet de l'inégalité des rapports ventilation-perfusion sur les échanges gazeux globaux (hématose) Effet shunt Effet espace mort Pression O2 : mmHg 60 100 140 Pression CO2 72 40 8

Hémoglobine : le transporteur non linéaire d’O2 contenu O2 (ml/100ml) VA/Q haut VA/Q bas VA/Q normal 15 10 5 20 40 60 80 100 120 140 P O2 (mmHg)

Effet de l'inégalité des rapports ventilation-perfusion sur les échanges gazeux globaux Effet shunt Effet espace mort Pression O2 : mmHg 60 100 140 Pression CO2 72 40 8

C O O2 40 mmHg Normo (ou hypo) capnie 75 mmHg Hypoxémie 43 37 140 60 44 46 48 52 30 33 36 39 42 45 PCO2 (mmHg) Concentration (ml/100 ml) 50 37 43 40 mmHg C O 2 Normo (ou hypo) capnie 20 140 60 40 15 Concentration (ml/100 ml) 10 75 mmHg O2 Hypoxémie 5 20 40 60 80 100 120 140 PO2 (mmHg)

Mécanismes des hypoxémies VCO2 alvéole VO2 Hétérogénéité rapports ventilation/perfusion Effet shunt Mélange de concentrations Problème de mélange/transport VCO2 VO2

SHUNT (court circuit) . . . . . Q Q Q - Q Q Territoire perfusé, non ventilé

Diagnostic: épreuve d'hyperoxie Effet majeur du territoire shunté non corrigé par hyperoxie Hyperoxie (FIO2 100%): PAO2 ~ 660 mmHg Shunt physiologique  2% : limite inférieure normale PaO2 = 500 mmHg

Qs/QT Qva/QT : mesure par la méthode à l'O2 CaO2 : concentration en O2 du sang artériel CvO2 : concentration en O2 du sang veineux mêlé CcapO2 : concentration en O2 du sang capillaire

Mécanismes des hypoxémies VCO2 alvéole VO2 Shunt Mélange de concentrations Sang veineux dans sg artériel Court-circuit veineux VCO2 VO2

Valeurs des pressions partielles de l'O2 de l'air jusqu'aux tissus Poumon sain . Physiologie: poumon sain, différence (A-a)O2

. Différence alvéolo-artérielle en oxygène PIO2 = (Patm – PH2O) x FIO2 = (760 – 47) x 0.21 ~150 mmHg PAO2 dépend de la façon dont est renouvelé le gaz alvéolaire (ventilation alvéolaire) alvéole alvéole PAO2 = Pression alvéolaire en O2 PcapO2 = Pression capillaire pulmonaire . PcapO2 = PAO2 si diffusion normale Mélange des sangs capillaires: hétérogénéité VA/Q Différence sang veineux pulmonaire –artériel: shunt physiol.

PAO2 - PaO2 PIO2 - (PaCO2 / 0,8) - PaO2 Comment interpréter la PaO2 en cas d'hyper ou hypoventilation alvéolaire Différence alvéolo-artérielle en O2 PAO2 - PaO2 PIO2 - (PaCO2 / 0,8) - PaO2 Limites de la normale 0 – 30 mmHg PaO2 normale selon l’âge; 70 mmHg à partir de 75 ans 150 - (40 / 0,8 + 100) Norme supérieure 150 - (40 / 0,8 + 70) Norme inférieure Hétérogénéité VA/Q physiol. poumon âgé

Comment raisonner devant une hypoxémie ? Calcul de la D(A-a)O2 D(A-a)O2 normale =  PAO2 alvéolaire D(A-a)O2  = PAO2 alvéolaire normale trouble diffusion hétérogénéité VA/Q shunt PaCO2 normale FIO2 < 21% PATM<760 mmHg PaCO2  hypoventilation alvéolaire Insuffisance respiratoire chronique: incapacité du système respiratoire à assurer le maintien d’une hématose normale

Mécanismes des hypoxémies Hypoventilation alvéolaire PaCO2 > 45 mmHg Anomalie de la diffusion TLCO ou DLCO anormal diminution de PaO2 à l’exercice Shunt épreuve d’oxygène pur PaO2 < 500 mmHg avec FIO2 100% Effet shunt / Hétérogénéité de distribution des VA/Q mécanisme le plus fréquent augmentation de PaO2 à l’exercice .

. . SvO2 . . CvO2 CaO2 VCO2 VO2 FIO2 Facteurs influençant PAO2, PcapO2, PaO2 FIO2 VA/Q . . SvO2 CvO2 CaO2 . . Tissus VCO2 VO2

La SvO2 influence la composition du sang capillaire pulmonaire SartérielleO2 = ScapillaireO2 x (1-shunt%) + shunt% x SveineuseO2 Situation physiologique (une anémie ne « crée » pas d’hypoxémie) Calculs avec ScapO2 = 98% SDRA par exemple CvO2 (et SvO2) débit cardiaque, anémie Majore l’hypoxémie

Equilibre acido-basique SYSTEME BICARBONATE/ACIDE CARBONIQUE : SYSTEME TAMPON OUVERT Masse variable A- + H+ AH Régulation indépendante des 2 concentrations HCO3-/H2CO3 Equation d’Henderson - Hasselbach [HCO3-] Régulation rénale [pCO2] Régulation poumon

Système tampon ouvert: Système tampons fermés:

Diagramme de Davenport Troubles respiratoires aigus: Concentration acide fixe normale Déplacement sur la DNE pH < 7,38: acidose resp. PaCO2 > 45 mmHg hypoventilation alvéolaire urgence respiratoire pH > 7,42: alcalose resp. PaCO2 < 35 mmHg hyperventilation alvéolaire 40 Isobare normale Troubles respir. chroniques: Compensation rénale Variation conc. acide fixe acidose resp. chronique  élimination H+ rein au dessus DNE alcalose resp. chronique au dessous DNE 24 DNE 7,40 DNE: droite normale d’équilibration du CO2 (conc. cste d’acide fixe)

Les autres données du Gaz du Sang: Base Excess L'excès de base est normalement égal à ± 2 mmol/l. Cette grandeur n'est pas mesurée mais calculée par les appareils de gaz du sang et correspond à l'écart existant entre la valeur mesurée des bicarbonates plasmatiques et la valeur théorique qu'ils auraient pour une PaCO2 de 40 mmHg, une PaO2 normale à 37°C de température Il permet de renseigner sur le caractère purement métabolique d'un désordre acidobasique (acidose avec BE  = acidose métabolique) la formule est: B.E. = 0.02786 * PCO2 * 10 (pH - 6.1) + 13.77 * pH - 124.58