BIOPHYSIQUE DE LA CIRCULATIONMécanique des fluides

Hémodynamique

Biophysique cardiaque

I - HEMODYNAMIQUE INTRA-CARDIAQUE1 - Principe de fonctionnement2 - Courbes pression-volume du ventricule3 - Courbes pression-temps4 - Méthodes d'etude de l'hemodynamique cardiaque

II - TRAVAIL CARDIAQUEIII - DETERMINANTS BIOPHYSIQUES DE LA PERFORMANCE VENTRICULAIRE

1 - Contractilité et compliance myocardiques2 - Précharge (loi de Starling)3 - Postcharge4 - Fréquence

PressionkPa

13

2,6

Ventricule droit

Poumons

Ventricule gaucheCirc. systémique

Remarque: système pulsatile amorti par l’élasticité des vaisseaux

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)

I- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Chaque pompe :

1 Chambre d'admission (basse pression)

Pré charge

1

Post charge

2

2 Valve d'admission (tricuspide, mitrale)

3

3 Ventricule (droit, gauche)

4

4 Valve d'éjection (pulmonaire, aortique)

2 - COURBE PRESSION-VOLUME P

ost

char

geP

ré c

har

ge

P

VTS VTD Volume ventriculaire

FA

OE

contraction isovolumétriqueFE

éjection

OA

relaxation isovolumétrique

remplissage diastolique

Sys

tole

Dia

stol

eVolume Télé Diastolique – Volume Télésystolique = Volume d’Éjection Systolique (VES)

3 - COURBES PRESSION-TEMPS

Ventricule gauche

Oreillette gauche

Aorte

P (kPa)14

12

10

8

6

4

2

0VTS VTD Vol Temps

FA

OE

FA

OE

FEFE

OA

OA

Systole1/3

Diastole2/3

Pré

ch

arge

Pos

t ch

arge

4 - METHODES D'ETUDE DE L'HEMODYNAMIQUE CARDIAQUE

4.1- Auscultation

Oreillette gauche

Aorte

FA

FE

4.1.1- Physiologie : Les bruits normaux du coeurcorrespondent aux FERMETURESdes valves

d'admission (tricuspide, mitrale) = premier bruit "TOUM"

d'éjection (pulmonaire, aortique) = deuxième bruit "TA"

TOUM TA ….1 2

SystolePetit

silence

Diastole Grand silence

Séquence : TOUM - systole (« petit silence ») – TA – diastole (« grand silence » …

PathologiqueTurbulent

Souffle

4.1.2- Pathologie : les souffles cardiaques = écoulements turbulents anormaux.

Rétrécissement

Fuite Fuite

Rétrécissement

Systole: entre 1er et 2ème bruit Diastole: entre 2ème et 1er bruit

NormalLaminaire

Silence

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 radioEchocardiographieMesure des axes et calcul des volumes (avec hypothèse géométrique)

Courbe volume - temps

Médecine nucléaire: marquage radioactif des globules rougesMesure de la radioactivité au cours du temps (d’une contraction)

Radioactivité mesurée (RA)

Temps

RA*TD

RA*TS

RA = Vol x Concentration Radioactive (C)

VTDxC - VTSxCVTDxC

RA*TD – RA*TSRA*TD =

VTD - VTSVTD

= = FE

Fraction d’Éjection (FE) = VTD - VTSVTD

VESVTD= Normale = 60%

Systole

1/3

Diastole

2/3

PressionkPa

13

2,6

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).

Ventricule droit

Poumons

Ventricule gaucheCirc. systémique

II TRAVAIL CARDIAQUE

Donc le cœur doit fournir un travail mécanique pour compenser cette perte de charge

II TRAVAIL CARDIAQUE

P (kPa)14

12

10

8

6

4

2

0 Pré

ch

arge

Pos

t ch

arge

VTS VTD Volume

WM = Ep = P V pour une contrcation

Quelles valeurs de P et de V ?

PdVWM =

Mais WM est accompagné d'un travail de mise en tension du myocarde

2 - Travail de mise en tension du muscle cardiaque

TdtWT= = coef de proportionalitéT = tension pariétale du ventriculeT = temps

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 = PdV + TdtRendement =

WM

WM + WT= 5%

Application : la technique de ventriculectomie partielle pour traiter l’insuffisance cardiaque par dilatation du VG.

r1=6cm1

r2=4cm2

Tdt

Situation 1 : T1 P = T

rSoit une pression donnée TdtWT1 =

Pour réduire T (à P constant) on r P = = 1r

1T

2r

2T

T2 = T1 = T1 = T1 1r

2r

6

43

2TdtWT =

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 myocardiques2- Précharge (loi de Starling)3- Postcharge4- Fréquence cardiaque

VES

1 - Contractilité et compliance myocardiques

1.1- Compliance ou relations pression-volume en diastole (pour le ventricule) :

P

PTD

VTD

Vol

Définit la façon dont le ventricule se laisse distendre passivement en diastole

Courbe de type:P(v) = a exp(k.v) + bAvec k= élastance = 1/compliance

Pour k’ > kCompliance’ <

kk’

VTD’

1.2- Contractilité ou relations pression-volume en fin de systole (pour le ventricule) :

P

Vol

VTS

Définit la relation pression-volume en fin de systole (résultat de la phase « active » de la contraction).

PTSCourbes de type:P(v) = c.v - dAvec c = contractilitéOn s’intéresse surtout au pointPTS = c.VTS - d

Pour c’ > cContractilité >

cc’

VTS’

1.3- Relations de la compliance et de la contractilité avec la boucle pression-volume

FE

OAFA

La compliance est responsable de la forme de la courbe P/V lors du remplissage diastolique

P

VTS VTD Vol

PTS

La contractilité définit le point FE: point (PTS,VTS) entre la phase d’éjection et celle de relaxation isovolumétrique.

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

FAPTD

P

Vol

PTD’ FA’

VES

P du retour veineux VTD suivant la complianceJusqu’à la pression de fermeture de la valve d’admission (PTD’).

VTD VES débit Mais WM aussi

Loi de Starling : rappel VES = VTD - VTS

VES

VTD

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

VolVES

Postcharge VTS VES débit

WM et WT

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 postchargeEffet initial :

P P

Vol Vol

VES VES =

Réaction: contractilité

Rétablissement des conditions hémodynamiques mais au prix d'une WM