Mécanique ventilatoire et spirométrie

La boucle débit–volume dans les maladies obstructives et restrictives ainsi que dans l'obstruction des voies aériennes supérieures.

Valeurs prédites ECSC/ERS 1993. Ce préréglage est aussi la courbe de référence : la boucle fantôme derrière tous les autres cas, et le dénominateur de chaque pourcentage lu.

Boucle actuelleRéférenceLe même poumon à 35 % et 65 % de l'effortLà où la limitation de débit prend le relaisVolume pulmonaire absolu : TLC à droite, RV à gauche, et l'expiration va donc vers la gauche. La position porte alors autant que la forme — l'emphysème se retrouve loin à droite, la fibrose loin à gauche.

Volume expiré en fonction du temps — la seule image où figure le FEV₁, puisque le FEV₁ est une mesure de temps. Le point est l'endroit où la manœuvre s'est achevée : plateau sous 25 mL en une seconde, ou plafond de 15 secondes.

Spirométrie

0,831FEV₁/FVC

FVC: 4,82 L · 100 %
FEV₁: 4,01 L · 100 %
PEF: 8,87 L/s · 532 L/min
FEF₂₅₋₇₅: 4,05 L/s
FET: 4,2 s

Voies aériennes supérieures

0,88FEF₅₀/FIF₅₀

FEF₅₀: 4,55 L/s
FIF₅₀: 5,19 L/s
PIF: 5,66 L/s
FEF₂₅: 8,68 L/s
FEF₇₅: 1,93 L/s

Ce que le spiromètre ne mesure pas

30% RV/TLC

TLC: 6,90 L
RV: 2,07 L
Resté dans le poumon: 0,01 L
Part limitée par le débit: 75 %

La spirométrie montre un profil normal. La limite est le rapport fixe de 0,70 du GOLD.

La TLC est à 100 % de la référence, donc normale. Une FVC abaissée est ici de l'air qui n'a pas eu le temps de sortir, non un petit poumon — et la spirométrie seule ne peut pas les distinguer.

Rien ne plaide pour un obstacle central : les deux branches ont une forme normale l'une par rapport à l'autre.

Capacité pulmonaire totale (TLC)6,90 LLe volume du poumon entier en inspiration maximale. La valeur prédite pour un homme de 175 cm et 45 ans est de 6,90 L.Volume résiduel, fraction de la TLC30 %Réglé comme un rapport et non en litres — ainsi RV ne peut jamais dépasser TLC, et une capacité vitale négative devient impossible sans qu'il faille le moindre garde-fou. Ce rapport est de plus la mesure même de la distension ; au-delà de 60 %, elle est dite marquée.Rétraction élastique à la TLC24,0 cmH₂OLa force de rappel propre au poumon, Pst(TLC). Diminuée dans l'emphysème, environ doublée dans la fibrose, normale dans l'asthme. C'est ce bouton-là qui sépare l'emphysème de l'asthme.Résistance des voies aériennes périphériques1,25 cmH₂O·s/LLa résistance en amont du rétrécissement, dans les petites voies aériennes. Le sujet sain se situe entre 0,6 et 2,4. C'est sur ce bouton que l'asthme agit.Effort — pic de pression pleurale100 cmH₂OAvec quelle force le patient souffle. La moyenne mesurée chez le sujet sain est de 100 cmH₂O. Le curseur n'existe que dans un seul but : montrer que la branche descendante ne bouge pas quand on le déplace.Diamètre le plus étroit de la voie aérienne centrale20,0 mmÀ 20 mm, l'obstacle équivaut à l'absence d'obstacle, et aucun interrupteur n'est donc nécessaire. Le stridor de repos s'observe autour de 6,5 mm, la dyspnée d'effort autour de 8,9 mm.Nature de l'obstacle

Non pas trois aspects, mais trois pressions environnantes différentes dans la même équation. La forme de la boucle découle du bilan des pressions — elle n'est pas dessinée.

Volume pulmonaire absoluDésactivé : tracer comme le fait le spiromètre, à partir d'un volume expiré nul. Activé : tracer en volume pulmonaire réel, avec TLC et RV indiqués.

Chargement du modèle…

Le modèle

Un poumon à un compartiment, intégré dans le TEMPS et non dans le volume. Le domaine temporel n'est pas un choix mais une exigence : le FEV₁ est défini en secondes et ne se lit pas sur une boucle débit–volume. De la même intégration découlent à la fois la boucle et le spirogramme, et c'est pourquoi la page montre deux figures et non une.

Le débit expiratoire maximal est calculé avec le modèle du segment amont tel que Mead, Turner, Macklem et Little l'ont formulé en 1967 : le débit est la rétraction statique du poumon divisée par la résistance en amont du rétrécissement. La théorie de la vitesse d'onde (Dawson & Elliott) est physiquement plus juste mais exige une courbe pression–aire pour dix-sept générations de voies aériennes. Le modèle amont a été retenu parce qu'il n'a exactement que deux boutons cliniquement nommés — rétraction et résistance — et parce que l'emphysème et la fibrose diffèrent par le premier tandis que l'asthme diffère par le second.

La rétraction est la courbe pression–volume exponentielle de Salazar et Knowles de 1964, inversée et ancrée dans la TLC et le RV de sorte que Pel(TLC) devienne la valeur du curseur et Pel(RV) exactement zéro. Le zéro au RV est un choix délibéré : le débit tend vers zéro quand le volume approche du RV, si bien que l'intégration tend asymptotiquement vers le RV au lieu de le dépasser, et aucun bridage brutal n'est nécessaire. La constante de forme K est maintenue fixe à 0,11 cmH₂O⁻¹ (Colebatch 1979) ; la lier à la rétraction restitue certes les valeurs publiées, mais rend le produit K·Pst(TLC) constant, et la courbe normalisée devient alors identique dans tous les cas.

Deux résistances, et non une. La périphérie est laminaire et linéaire — la section totale des petites voies aériennes est énorme et la vitesse faible. Au centre, l'écoulement est turbulent et suit l'équation de l'orifice. Cette séparation n'est pas cosmétique : c'est la raison pour laquelle le débit a seulement deux branches entre lesquelles choisir, et c'est l'endroit où siège un obstacle des voies aériennes supérieures. L'indépendance vis-à-vis de l'effort n'est pas inscrite comme une règle, elle découle d'un min() entre ce que la force parvient à pousser et ce que le rétrécissement laisse passer — exactement les résultats isovolume pression–débit de Fry et Hyatt de 1960.

L'inspiration n'a aucune limitation de débit, puisqu'une pression pleurale négative élargit les voies aériennes intrathoraciques au lieu de les comprimer. La pression musculaire décroît vers la TLC, et c'est pourquoi la boucle s'y referme au lieu d'être tronquée. La force inspiratoire est fixée à 45 pour cent de la force expiratoire.

L'obstacle de la voie aérienne centrale est un orifice doté d'une loi de tube, et toute la différence entre les trois types d'obstacle tient à ce qui entoure la lésion : un anneau rigide n'a pas d'environnement auquel répondre, une lésion extrathoracique est entourée de la pression atmosphérique et une lésion intrathoracique de la pression pleurale. À l'expiration, la pression pleurale est d'environ +100 cmH₂O tandis que la pression de la lumière n'est que de quelques unités — une lésion intrathoracique subit donc une pression transmurale fortement négative et s'affaisse, tandis qu'une lésion extrathoracique fait l'inverse. Aucune des trois images de boucle n'est dessinée ; toutes trois découlent du bilan des pressions.

La manœuvre s'achève selon ATS/ERS 2019 : lorsque le volume a bougé de moins de 0,025 L pendant la dernière seconde, ou à quinze secondes. Ce n'est pas un garde-fou numérique mais la règle que le spiromètre suit réellement — et le préréglage de l'emphysème bute contre le plafond avec 0,15 L encore dans le poumon, ce qui constitue le fait lui-même. Une seule constante du modèle est ajustée : l'orifice central équivalent de 10,2 mm, réglé pour que le cas normal restitue ECSC/ERS 1993 pour un homme de 45 ans mesurant 175 cm. Il est plus petit qu'une trachée parce qu'il représente tout le trajet turbulent, glotte et embout compris, et non un tuyau anatomique.

A = (TLC − RV) / (1 − e^(−K·Pst(TLC))) V∞ = TLC + A·e^(−K·Pst(TLC))Pel(V) = −(1/K)·ln( (V∞ − V) / A ) K = 0,11 cmH₂O⁻¹Ppl(t) = Pmax·(1 − e^(−t/0,05 s))(K2c + K2lés)·V̇² + Rp·V̇ = Ppl(t) + Pel(V) branche de l'effortV̇max(V) = Pel(V) / Rp branche limitée par le débitV̇ = min(branche de l'effort, branche limitée par le débit)K2(d) = ρ / (2·Cd²·A(d)²) · 10⁻⁶ / 98,07 A(d) = π·d²/4Ptm = ±ΔPlés/2 − Pambiante A = A₀·clamp(1 + Ptm/15 ; 0,15 ; 2)Pmus(t,V) = [Pst(TLC) + 0,45·Pmax·(1 − x)]·(1 − e^(−t/0,15 s)), x = (V − RV)/(TLC − RV)

Conseils

Prenez Asthme aigu grave et montez la Résistance des voies aériennes périphériques vers 18. Le rapport devient 0,26 — exactement celui du préréglage de l'emphysème. Même spirométrie, mécanisme opposé : ici, la Rétraction élastique à la TLC reste à ses 24 cmH₂O normaux, là elle est à 11, et le volume résiduel diffère, 0,50 contre 0,62. En clinique, c'est la DLCO qui les sépare, et elle n'existe pas dans le modèle.
Faites passer Effort de 15 à 140 et lisez le PEF et le FEF₅₀ en même temps. Le PEF passe de 5,4 à 10,1 L/s tandis que le FEF₅₀ reste absolument immobile à 4,55. C'est l'indépendance vis-à-vis de l'effort de Fry et Hyatt, et c'est aussi pourquoi un débitmètre de pointe est un instrument de suivi et non un instrument diagnostique.
Prenez Paralysie bilatérale des cordes vocales et lisez seulement les chiffres : FEV₁ 99 %, FVC 100 %, rapport 0,83. Tout est normal. Regardez ensuite la moitié inférieure de la boucle. Réglez après cela Nature de l'obstacle sur variable intrathoracique et Diamètre le plus étroit de la voie aérienne centrale sur 10 mm — c'est maintenant la branche expiratoire qui est tronquée à la place, le FEV₁ tombe à 36 % et le rapport à 0,30.
Prenez BPCO avec emphysème, GOLD 4 et regardez le spirogramme plutôt que la boucle. La courbe est tronquée à quinze secondes avec 0,15 L encore dans le poumon. La FVC que vous mesurez dépend donc du temps pendant lequel le patient tient à souffler, et le rapport aurait été plus bas si la manœuvre avait pu se poursuivre.
Désactivez Volume pulmonaire absolu puis réactivez-le, avec BPCO avec emphysème et Fibrose pulmonaire (FPI) tour à tour. Sur l'axe du spiromètre, les deux partent du même point et ne diffèrent que par la taille. Sur l'axe absolu, l'emphysème se place loin à droite et la fibrose loin à gauche — la distension devient quelque chose que l'on voit au lieu de quelque chose que l'on calcule.
Prenez Sténose trachéale fixée après intubation et lisez la part limitée par le débit : 37 %, contre 75 % pour le poumon normal. Un obstacle central rend l'expiration de nouveau DÉPENDANTE de l'effort, et cela se voit immédiatement sur la figure : les trois tracés d'effort divergent jusqu'au FEF₅₀ (1,90 / 2,53 / 3,10 L/s), là où sur un poumon sain ils coïncident exactement.

Simplifications. Le modèle est à UN compartiment. Il n'a aucune dispersion régionale des constantes de temps, et c'est cette dispersion qui creuse profondément la boucle obstructive : l'emphysème du modèle obtient un FEF₅₀/PEF de 0,38 là où un emphysème réellement marqué se situe autour de 0,2. La boucle est concave, mais pas assez concave. Le PEF dans l'emphysème marqué est environ la moitié de la valeur mesurée — 1,00 L/s pour un FEV₁ de 0,78 L, là où la réalité donne 2–2,5 — parce que le modèle n'a ni la migration du point de limitation de débit vers la périphérie, ni la compression thoracique des gaz. Les deux ont été essayées et écartées : la première détruit l'ajustement du cas normal, la seconde donne des débits invraisemblables. Le PEF est de plus atteint après environ un quart de la FVC, contre 10–15 pour cent chez de vrais sujets ; l'inertie du gaz et le temps d'ouverture de la glotte n'existent pas ici, et le premier cinquième de la boucle est donc tracé trop plein. Le rapport FEV₁/FVC est systématiquement supérieur de 0,03–0,04 aux équations de référence pour la même personne — le cas normal donne 0,831 là où l'ECSC donne 0,791 — parce que le modèle est étalonné sur les mesures de débit et non sur le rapport. La rétraction au RV est fixée exactement à zéro pour que le débit tende vers zéro à cet endroit ; chez un adulte jeune et sain, elle est de +3 à +5 cmH₂O, et le RV est alors déterminé par la cage thoracique et non par un collapsus des voies aériennes. La TLC, le rapport RV/TLC et la rétraction se règlent indépendamment les uns des autres alors qu'ils sont physiologiquement liés, si bien que les curseurs autorisent des combinaisons qu'aucun patient ne présente : une TLC de 2,5 L avec un RV/TLC de 70 % donne une capacité vitale de 0,75 L et donc un FEV₁/FVC de 1,000. L'obstacle des voies aériennes supérieures est UN orifice avec une loi de tube linéaire et un coefficient de décharge de 0,9 ; les sténoses réelles ont une longueur, un rétrécissement progressif et une récupération de pression. La lésion fixée donne dans le modèle un FEF₅₀/FIF₅₀ d'environ 1,6 là où la série de Miller et Hyatt rapportait environ 0,85 — la pression expiratoire du modèle est réellement supérieure à sa pression inspiratoire, alors qu'un patient réel recrute une pression inspiratoire proche du maximum contre une sténose. Il en résulte qu'une sténose fixée légère, autour de 8 mm, est lue par la classification de profil du modèle lui-même comme un obstacle variable extrathoracique. La loi de tube est relative à l'aire propre de la lésion, si bien qu'un obstacle variable, quel que soit son calibre, s'effondre à 15 pour cent de son aire : réglez Nature de l'obstacle sur variable intrathoracique à 20 mm et le PEF est déjà divisé par deux. Seul le réglage rigide correspond à une absence réelle d'obstacle à 20 mm. La force inspiratoire n'est pas réglable — elle est fixée à 45 pour cent de la force expiratoire et n'a pas la relation force–vitesse des muscles, si bien que le curseur d'effort n'agit que sur l'expiration. Pas d'âge, pas de sexe, pas de taille et pas d'origine ethnique : la référence est UNE personne, un homme de 45 ans mesurant 175 cm selon ECSC/ERS 1993, et le « pourcentage de la référence » n'est donc pas le « pourcentage de la valeur prédite » pour le patient du lecteur. L'ERS/ATS 2022 recommande en outre des scores z contre GLI plutôt qu'un pourcentage de la valeur prédite, et le modèle ne calcule aucun score z ; la classification de profil emploie le rapport fixe de 0,70 du GOLD, qui surdiagnostique l'obstruction chez le sujet âgé et la sous-diagnostique chez le sujet jeune. Le FEF₅₀/FIF₅₀ seul ne suffit pas comme signe d'obstacle central — le préréglage de l'emphysème obtient 0,18 et celui de l'asthme 0,26, donc tous deux sous le seuil censé plaider pour un obstacle variable intrathoracique — et la classification repose donc sur deux signaux et non sur le rapport. Pas de bronchodilatation, pas de test de provocation, pas de tonus bronchique, pas d'évolution dans le temps et pas de réflexes : déplacer un curseur ne correspond à aucun traitement et à aucune exacerbation. Pas d'échange gazeux — pas de DLCO, pas de shunt, pas d'espace mort, pas d'hypoxémie et pas de rétention de dioxyde de carbone. Ce n'est pas une broutille : quand la spirométrie ne distingue pas l'emphysème de l'asthme, c'est la DLCO qui le fait. Pas de position corporelle, pas d'obésité, pas de cyphoscoliose et pas de faiblesse neuromusculaire — cette dernière abaisserait les deux branches et raccourcirait le temps expiratoire, un profil que le modèle ne peut pas produire. Et le modèle calcule UNE manœuvre parfaite : une vraie spirométrie, ce sont trois manœuvres acceptables avec des exigences de reproductibilité, et la courbe anormale la plus fréquente en clinique est une mauvaise manœuvre, non une maladie.

Le modèle repose sur

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