Exploration fonctionnelle respiratoire Isabelle Desjardins MD, FRCPC 18 février 2015 idesjardins@toh.on.ca 1

Objectifs Décrire comment la spirométrie est utilisée pour le diagnostic des maladies pulmonaires Décrire comment s’effectue une spirométrie et connaître les facteurs qui peuvent empêcher une spirométrie de donner un résultat fiable Connaître la forme normale d’une courbe volume-temps et d’une courbe débit-volume Reconnaître les valeurs et les courbes débit-volume obtenues par spirométrie qui sont révélatrices d’un trouble obstructif, restrictif ou mixte Expliquer comment on détermine la réponse à un bronchodilatateur 2

Objectifs Décrire la mesure des volumes et de la capacité de diffusion pulmonaires Décrire comment s’effectue un test à la méthacholine, énumérer les indications de son utilisation et décrire comment il est interprété 3

Avant de débuter… Tout le monde debout!

Propriétés mécaniques du poumon durant l’inspiration forcée Extrathoracique Intrathoracique Le diaphragme contracte (s’aplatit) Les muscles intercostaux externes contractent, ce qui bouge les côtes vers le haut et l’extérieur Le volume thoracique augmente Le volume pulmonaire augmente La pression intrapulmonaire diminue et devient plus basse que la pression atmosphérique L’air entre dans les poumons

Propriétés mécaniques du poumon durant l’expiration forcée Extrathoracique Intrathoracique Le diaphragme relâche (devient courbé vers le haut) Les muscles intercostaux externes relâchent, les côtes bougent ver le bas et l’intérieur Le volume thoracique diminue Le volume pulmonaire diminue La pression intrapulmonaire augmente et dépasse la pression atmosphérique L’air est expulsé Durant l’expiration forcée – on contracte les muscles abdominaux (ce qui repousse le diaphragme vers le haut) et on contracte les muscles intercostaux internes ce qui abaisse les côtes et diminue encore le volume pulmonaire

L’EXPIRATION FORCÉE DÉBUT FIN +8 +10 +10 +10 +12 +10 +14 +10 +10 +18 DÉBUT FIN +8 +10 +10 +10 +12 +10 +14 +10 +10 +18 +10 +5 +12 Débit +20 +15 +5 + 10 +10 Les poumons suivent la Loi de Boyle – il y a une relation inversée entre le volume et la pression pulmonaire Quand le volume augmente, la pression diminue Le débit initial dépend de l’effort du patient (la courbe ascendante) Le débit vers la fin est indépendant de l’effort (reflète ce qui se passe dans les petites voies aériennes – la courbe descendante) +10 V pulmonaire max min

EFFET DE LA FORCE SUR LA COURBE DÉBIT-VOLUME FORT PLUS FORT +10 +20 +10 +20 +12 +22 +10 +20 +14 +24 +10 +10 +18 +28 Débit +20 +30 +10 +10 Quand on augmente l’effort pour une expiration forcée, on modifie le plateau de la courbe ascendante La courbe descendante demeure la même (indépendant de l’effort) +10 +20 V pulmonaire max min

NORMAL OBSTRUCTION +10 +10 +10 +12 +10 +10 +14 +10 +10 +18 +10 Débit CHANGEMENTS RÉSULTANT D’UNE MALADIE PULMONAIRE OBSTRUCTIVE NORMAL OBSTRUCTION +10 +10 +10 +12 +10 +10 +14 +10 +10 +18 +10 +14 Débit +20 +10 +20 +10 +10 +10 V pulmonaire max min

VEMS Volume de Réserve inspiratoire Capacité Inspiratoire Volume courant Capacité vitale forcée Volume de Réserve expiratoire Capacité Pulmonaire totale Volume résiduel Capacité Résiduelle fonctionelle Al-Ashkar, F., Mehra, R., Mazzone, PJ.,2003, Pulmonary Function Tests, Cleveland Clinic Journal of Medicine. 70(10);871

Indications pour l’exploration fonctionnelle respiratoire Aide à diagnostiquer les troubles qui entraînent des symptômes respiratoires toux, respiration sifflante, dyspnée Utile pour le diagnostic : de l’asthme de la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) des maladies pulmonaire interstitielles et de la fibrose pulmonaire idiopathique (FPI) de l’atteinte pulmonaire due aux maladies systémiques (ex. sclérodermie) de nombreuses autres pneumopathies Permet de déterminer la gravité et l’évolution d’une pneumopathie et d’évaluer la réponse au traitement dystrophie musculaire, asthme, fibrose kystique, MPOC, FPI, etc.

Indications pour l’exploration fonctionnelle respiratoire Évaluations du degré d’invalidité Dépistage des maladies pulmonaires Risques professionnels Fumeurs Définir le risque : de la chirurgie

Épreuves fonctionnelles respiratoires Spirométrie Provocation bronchique Volumes pulmonaires Capacité de diffusion

Épreuves fonctionnelles respiratoires Spirométrie Permet la mesure des volumes et des débits aériens

SPIROMÉTRIE 15

LA COURBE DÉBIT-VOLUME Débit d’exp DEM 4 DMME25-75 VEMS 2 DMME75 CVF Volume 1 CVIF 1-2: volume courant 3: capacite inspiratoire 4: expiration complète 5: capacité vitale inspiratoire forcee 3 5 Débit d’insp

Définitions CVF : capacité vitale forcée VEMS : volume expiratoire maximal en 1 seconde DEM : débit expiratoire maximal (ou débit expiratoire de pointe [DEP]) DMME, DMEM – débits instantanés durant l’expiration DMME25-75 : débit moyen maximal expiratoire 25-75 % de la CVF Même chose que DMEM : débit médian expiratoire maximal DME75 : débit maximal expiratoire à 75 % de l’expiration Même chose que Vmax25 : débit lorsqu’il reste 25 % de l’expiration 17

INTERPRÉTATION DES ÉPREUVES Les résultats sont présentés comme % de la valeur prédite (moyenne de la population = 100 % de la valeur prédite) Normale = moyenne +/- 2 ET (intervalle de confiance à 95 %) Changement important (avec le temps ou postbronchodilatateur) = 1 ET Gravité : ET, limites normales VEMS ET Normale Léger 70-79 CVF 10 % 80-120 Modéré 50-69 VEMS 10 % 80-120 Grave 35-49 15 % 70-130 Très grave < 35 DMME25-75

Qu’est-ce qui influence la fonction pulmonaire? CVF déterminée par : Taille Poids Âge (augmente jusqu’au début de la vingtaine puis diminue graduellement) Sexe (les poumons des hommes sont plus gros que ceux des femmes) Race et ethnicité (les poumons des Caucasiens sont 15 % plus gros que ceux des Afro-Canadiens) Tabagisme ? Forme physique – très controversé; effet minimal VEMS est environ 70-80 % de la CVF chez les adultes Environ 80-86 % de la CVF chez les enfants

AUTRES COURBES Sous-maximale Le patient n’a pas atteint la limite du débit en raison d’un effort inadéquat. On ne peut pas interpréter l’exploration fonctionnelle respiratoire (EFR).

AUTRES COURBES (2) : maladies pulmonaires restrictives En cas de maladie pulmonaire restrictive, les voies aériennes sont normales, mais les alvéoles (ou la paroi thoracique) sont anormalement raides – comme un élastique en caoutchouc de Postes Canada plutôt qu’un élastique extensible. La capacité vitale (volume total d'air pouvant être inspiré) est faible. La pente de la courbe (vitesse de l’air sortant) est abrupte étant donné que l’appareil respiratoire se contracte rapidement.

Profil restrictif La courbe : Longue Pointue Étroite Ou tout simplement petite Les chiffres : La CVF est abaissée, mais le rapport VEMS/CVF ne l’est pas = profil restrictif 22

Maladie respiratoire obstructive vs restrictive Courbe débit-volume creusée CVF normale (ou presque) VEMS et DMME25-75 abaissés Rapport VEMS/CVF faible < 0,7 chez les adultes < 0,8-0,86 chez les enfants Restrictive Courbe débit-volume étroite, mais la branche expiratoire est très abrupte CVF abaissée CVF, VEMS et DMME25-75 sont tous abaissés d’une valeur semblable (réduction proportionnelle de toutes ces valeurs) Rapport VEMS/CVF normal ou élevé > 0,7 chez les adultes > 0,8-0,86 chez les enfants

Évaluer l’adéquation de la spirométrie : la courbe volume-temps Les adultes devraient expirer pendant 10 secondes (les enfants pendant au moins 6 secondes) La partie finale de la courbe volume-temps devrait être plate (plateau) 24

Rendement de l’épreuve Formation de 6 mois pour le technicien Spiromètre : Calibration quotidienne avec une seringue de 3 L Étalonnage quotidien de la température, de la pression barométrique et de l’humidité Critères de l’American Thoracic Society concernant l’adéquation de l’épreuve : Inspiration max Début explosif Expiration régulière de 6 secondes ou plus avec un plateau final Effort maximal 3+ courbes acceptables : Meilleurs VEMS et CVF, dans les limites de 5 % (200 ml) du plus grand 25

Exemples d’épreuves inacceptables Toux ou fermeture de la glotte durant la première seconde de l’expiration Interruption précoce Effort variable Fuite ou obstruction dans l’embout buccal 26

Causes de la variation et des erreurs dans les épreuves Instrument : +/- 50 ml (environ 10 % de la CVF ou du VEMS) Technicien CVF : couché 7-8 % < assis 1-2 % < debout VEMS : baisse matinale entre 4 h et 6 h; 150 ml de plus à midi Variabilité intersujet : < 10 % pour les sujets normaux d’une semaine à l’autre < 20 % pour les patients atteints de MPOC d’une semaine à l’autre La variation doit donc être supérieure à cette valeur pour qu’il s’agisse d’une amélioration notable ou d’une détérioration! 27

Les caractéristiques du sujet sont-elles inhabituelles? Interprétation Les caractéristiques du sujet sont-elles inhabituelles? Âge, taille ou poids Tenir compte de l’ethnicité, du tabagisme et des symptômes Forme de la courbe Épreuve acceptable? Profil diagnostique – forme de la courbe : ↓rapport VEMS/CVF = profil obstructif Rapport VEMS/CVF normal ET ↓ CVF = profil restrictif 28

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Courbe convexe = Obstruction 30

Grave obstruction du débit d’air 31

Évaluation de la réversibilité Le calibre des voies aériennes peut changer en réaction à des stimuli Bronchoconstriction en présence d’un stimulus nuisible Bronchodilatation en réaction à un bronchodilatateur durant l’exercice Le diamètre des voies aériennes varie quotidiennement de façon spontanée Il est anormal que le calibre des voies aériennes change de façon excessive ou qu’il change en réaction à un stimulus minimal L’inflammation des voies aériennes entraîne une augmentation de la réactivité des voies aériennes La mise en évidence de réactions anormales au niveau des voies aériennes peut faciliter le diagnostic des maladies inflammatoires des voies respiratoires 32

L’obstruction des voies aériennes est-elle réversible? La maladie la plus courante causant une obstruction réversible des voies aériennes est l’asthme La mise en évidence d’une obstruction réversible des voies aériennes peut faciliter le diagnostic de l’asthme (ou confirmer son diagnostic)  : Si le VEMS est abaissé, on peut tenter de l’améliorer bêta-agoniste à courte durée d’action visant une augmentation de 12 % (200 ml) du VEMS traitement anti-inflammatoire à l’aide de corticostéroïdes en inhalation ou oraux Si le VEMS est normal, on peut tenter de le diminuer provocation bronchique (20 %) Mesurer la variation diurne des débits de pointe (> 15 %) Une obstruction des voies aériennes qui n’est pas réversible constitue une forte indication de maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) De temps à autre, les patients atteints de MPOC peuvent réagir de cette façon, mais cette réaction est difficilement reproductible chez un même patient et chez différents patients 33

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Test de provocation à la méthacholine La méthacholine (ou l’histamine) est un bronchoconstricteur naturel Une concentration élevée de méthacholine est nécessaire pour entraîner une bronchoconstriction chez les personnes normales Les bronches des personnes dont les voies aériennes sont hyperréactives se rétréciront (constriction) en réaction à une faible concentration de méthacholine Les voies aériennes réagissent davantage lorsqu'une plus petite concentration de méthacholine est nécessaire Protocole : Le patient inhale des concentrations de méthacholine progressivement croissantes, puis subit la spirométrie On administre les doses jusqu’à l’obtention de la « provocation concentration » (PC20) ou de la dose cumulative de méthacholine nécessaire pour abaisser le VEMS de 20 % Après le test, on administre un bronchodilatateur pour évaluer la réversibilité Ce test facilite le diagnostic de l’asthme chez les personnes qui présentent des symptômes évocateurs, mais dont les résultats à l’EFR sont normaux à plusieurs reprises

Test de provocation à la méthacholine : Chez ce patient, une concentration de 0,733 mg/ml a été nécessaire pour abaisser le VEMS de 20 % 36

Quelques cas

Cas n°1 Nageur de calibre national âgé de 22 ans Se plaint d’une respiration sifflante et de dyspnée, surtout durant les courses et les longues séances d’entraînement Antécédents de longue date de rhume des foins au printemps Son père souffre d’asthme Antécédents : aucun autre

Étape 1 – FEV1/FVC < 0.7 – trouble obstructif FEV1 – pre/post, changement de 21% Trouble obstructif reversible, probablement asthme 39

Cas n°2 Mineur d’amiante âgé de 59 ans Fume 70 paquets-année 2 paquets par jour x 35 ans Se plaint de dyspnée lorsqu’il monte les escaliers et d’une toux quinteuse et sèche

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Cas n°3 Fonctionnaire âgée de 61 ans Fume 40 paquets-année Se plaint de dyspnée lorsqu’elle joue au squash avec des collègues et d’une toux persistante et sèche Aucune amélioration avec l’utilisation d’inhalateurs, ni avec un traitement aux antibiotiques

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Cas n°4 Assistante dentaire âgée de 46 ans qui présente une dyspnée progressive depuis 9 mois A consulté plusieurs médecins – questionnement au sujet de la dyspnée psychogène (anxiété) Échocardiographie et coronarographie normales Examen psychiatrique normal Diagnostic posé au laboratoire d’EFR! 44

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Volumes pulmonaires 46

RÉTENTION GAZEUSE : VOLUME RÉSIDUEL +10 +10 +10 +10 +12 +11 +2 +4 +12 +14 Normal Atteinte des petites voies aériennes (rétention gazeuse)

Divisions de la capacité pulmonaire CPT CRF VR CVF Bleu = Volume résiduel (VR) Rose = Volume de réserve expiratoire Bleu + Rose = Capacité résiduelle fonctionelle (CRF) = volume résiduel + volume de réserve expiratoire Mauve = Capacité inspiratoire Bleu + Rose + Mauve = Capacité pulmonaire totale (CPT) = volume résiduel + volume de réserve expiratoire + capacité inspiratoire Ligne blanche = Capacité vitale forcée = volume de réserve expiratoire + capacité inspiratoire Normal Obstruction Restriction

VEMS Volume de Réserve inspiratoire Capacité Inspiratoire Volume courant Capacité vitale forcée Volume de Réserve expiratoire Capacité Pulmonaire totale Volume résiduel Capacité Résiduelle fonctionelle Al-Ashkar, F., Mehra, R., Mazzone, PJ.,2003, Pulmonary Function Tests, Cleveland Clinic Journal of Medicine. 70(10);871

Situations courantes qui nécessitent la mesure des volumes pulmonaires Spirométrie révèle une CVF abaissée ? trouble obstructif ? trouble restrictif ? trouble mixte La mesure de la capacité pulmonaire totale facilite grandement le diagnostic du syndrome respiratoire restrictif 50

Diagnostic du syndrome respiratoire restrictif Trouble restrictif = CPT < IC à 95 % inférieur (80 % de la valeur prédite) CPT = CVF (par spirométrie) + VR (mesuré à partir des volumes pulmonaires) La CPT doit être mesurée dans le laboratoire d’EFR par pléthysmographie (« body box ») ou par dilution gazeuse puisque l’on ne peut pas déterminer le VR par spirométrie 51

Mesure des volumes pulmonaires Dilution gazeuse Pléthysmographie corporelle

Pléthysmographie corporelle On détermine la relation (K) entre les variations de volume (•V) et les variations de pression à l’intérieur de la chambre (•P). De cette façon, les variations de pression peuvent être utilisées pour déterminer les variations de volume. Lorsque l’obturateur (S) est fermé à un volume équivalent à la CRF, le sujet tente d’inspirer et d’expirer de façon à entraîner une compression ou une décompression du gaz dans les poumons. Au fur et à mesure que le volume thoracique augmente, le volume de la chambre diminue (et vice versa). La relation entre la pression à la bouche et la pression dans la chambre est représentée graphiquement. La pression dans les poumons à la fin de l’expiration est équivalente à la pression atmosphérique. K = ΔV / ΔP(chambre) V(FRC) = ΔV . P(atm) ΔP(poumon) V(CRF) = ΔV . x P(atm) ΔP(poumon) V(CRF) = K x ΔP(chambre) x P(atm) ΔP (poumon) 53

Halètement lorsque l’obturateur est fermé : ΔV(CRF) x ΔP(bouche) = V(chambre) x ΔP(chambre) Remarque : À l’état d’équilibre P(bouche) = P(alvéolaire) 54

Volumes pulmonaires selon différents états Obésité modérée 55

Capacité de diffusion (DPCO) passage des gaz à travers la membrane alvéolo-capillaire

Capacité de diffusion « Sac » de sang (contenant l’hémoglobine à laquelle se lie le CO) Membrane semi-perméable « Sac » d’air (contenant de petites quantités de CO)

Mesure de la capacité de diffusion des poumons Patient respire une concentration très diluée de monoxyde de carbone (CO) et retient son souffle pendant exactement 10 secondes On mesure la quantité de CO transférée des alvéoles aux capillaires alvéolaires Mesure de la concentration de CO initiale et finale On doit mesurer le volume alvéolaire Doit avoir une capacité vitale d’au moins 1 L!

Pourquoi mesurer la capacité de diffusion des poumons? La quantité de CO pouvant être absorbée par les poumons dépend de la quantité d’hémoglobine (Hb) présente dans les poumons (pour absorber le monoxyde de carbone) Le CO se fixe presque instantanément et de façon irréversible à l’Hb L’absorption dépend principalement de : la surface alvéolo-capillaire (en cas de fibrose pulmonaire, les capillaires et les alvéoles sont cicatrisés) l’Hb (l’anémie diminue la DPCO – corrigé si l’on connaît l’Hb du patient) la membrane alvéolo-capillaire basale (rarement touchée, sauf en cas d’IC)

Définir la résistance à la diffusion L’inverse de la diffusion (1/DL) est la résistance à la diffusion Résistance à la diffusion = pression motrice/débit 1 . = 1 . + 1 . DL DM Thêta x Vc La résistance à la diffusion dépend de la : résistance de la barrière alvéolo-capillaire vitesse à laquelle le CO se lie à l’Hb (thêta) x volume sanguin dans les capillaires Ces deux facteurs peuvent avoir une influence sur la DPCO; des tests sophistiqués permettent de séparer ces facteurs Giving higher FiO2 reduces theta as O2 competes with CO for binding. By measuring different theta’s, different components of the equation can be determined.

Quand la DPCO est-elle utile? Dyspnée inexpliquée Embolie et vasculite pulmonaires – réduction isolée Pneumopathie interstitielle : la DPCO peut être abaissée beaucoup plus fortement que les volumes Destruction des tissus pulmonaires : emphysème > asthme Anémie, hémoglobines anormales 61

États entraînant une baisse de la capacité de diffusion? Consommation récente de tabac? Anémie? Maladie vasculaire pulmonaire? Destruction ou remplissage des alvéoles? Hémorragie pulmonaire? Asthme léger? 62

États entraînant une baisse de la capacité de diffusion? Consommation récente de tabac? Le tabagisme augmente les niveaux de CO dans le sang, ce qui diminue la DPCO mesurée Anémie? DPCO abaissée (moins d’Hb) Maladie vasculaire pulmonaire? Le rétrécissement ou la perte des artères pulmonaires diminue la DPCO (hypertension pulmonaire, embolie pulmonaire, vasculite pulmonaire) Destruction ou remplissage des alvéoles? Diminue la DPCO Emphysème, pneumopathie interstitielle, IC Asthme? Aucun effet Hémorragie pulmonaire? L’hémoglobine libre dans les alvéoles se lie au CO, ce qui augmente la DPCO mesurée 63

Exemples de cas lorsque l’EFR est utile Évaluation du degré d’invalidité VEMS ou CVF < 40 % Évaluation du risque periopératoire VEMS postopératoire < 50 % Fibrose kystique VEMS < 30 % de la valeur prédite associé à taux de mortalité à 2 ans > 50 %, cette valeur est donc un indicateur clé de la nécessité d’une greffe de poumon Dystrophie musculaire de Duchenne CVF < 50 % associée à un risque accru d’insuffisance respiratoire Cancer Évaluer les tumeurs thoraciques pour la présence d’obstruction des voies respiratoires hautes 65

Résumé : limites normales Spirométrie CVF : 80-120 % de la valeur prédite VEMS : 80-120 % de la valeur prédite DMME25-75 : 70-130 % de la valeur prédite DME75 : 70-130 % de la valeur prédite Rapport VEMS/CVF : > 0,7 [adultes], 0,8-0,86 [enfants] CVF = capacité vitale inspiratoire forcée (CVIF) Volumes pulmonaires CPT : 80-120 % de la valeur prédite VR : 70-130 % de la valeur prédite CRF : 70-130 % de la valeur prédite Rapport VR/CPT : < 0,35 Capacité de diffusion DPCO : 80-120 % de la valeur prédite

Exemples de cas vécus (en espérant qu’il ne s’agit pas de vrais mystères de la vie!)

79 year old male with COPD. Note severely scooped curve 79 year old male with COPD. Note severely scooped curve. FEV1 shows severe airflow obstruction. 68

52 year old male with Interstitial Lung Disease secondary to Autoimmune Lung Disease (Scleroderma). PFTs show a classic, severe, restrictive lung disease pattern with very severe reductions in TLC and DLCO, and a corresponding decrease in FVC and FEV1. Note the high FEV1/FVC ratio. 69

Severe obstructive Lung disease, with marked gas trapping. 70

Pretty normal study. If a careful inspiratory flow-volume loop was obtained by the tech’s, an upper airway obstruction should be excluded. Femme de 53 ans, IMC 20,1 71

Selon vous, à quoi ressembleront les résultats des EFR?

There is a diffuse, interstitial lung disease There is a diffuse, interstitial lung disease. PFTs would show a restrictive pattern. 73

Scoliosis. Reduced lung volumes leading to a Restrictive Pattern. Image from MD Consult (U of O Library) 74

Pourquoi ce patient est-il essoufflé Pourquoi ce patient est-il essoufflé? Vous pouvez maintenant utiliser les EFR pour le découvrir! Upper lobe bronchiectasis (destruction and dilatation of the bronchi) in a patient with cystic fibrosis.