Physiologie

    1-Le système cardiocirculatoire

Le cœur propulse le sang à partir de sa cavité gauche (ventricule gauche) dans les vaisseaux artériels de la grande circulation jusqu'aux vaisseaux capillaires périphériques. Le sang revient au cœur droit par le réseau veineux : il est à nouveau propulsé du ventricule droit vers les poumons d'où il revient au cœur gauche (circulation pulmonaire ou petite circulation).

Le volume total de sang (volémie) est de 4.5- 5.5 litres environ (soit 6 à 8 % de la masse corporelle) ; environ 80% de ce volume se trouvent dans le système à basse pression qui comporte, d'une part, les veines, d'autre part, toute la petite circulation, éléments du système circulatoire où la pression est relativement basse , en moyenne 2 kPa (15mmHg).

Ce système à basse pression sert de réservoir de sang grâce à sa grande capacité et à sa grande extensibilité.

Le débit cardiaque (Qc, c'est-à-dire le volume de sang éjecté du cœur par unité de temps, est le produit de la fréquence cardiaque par le volume d'éjection systolique.

ce qui donne : 70(min-1) • 0,07 (I) ≈ 5 l/min pour un sujet normal au repos (4.5 chez la femme. 5,5 chez l'homme).

Une élévation simultanée de la fréquence et du volume systolique peut conduire à une augmentation considérable de Qc.

Qc peut être déterminé à partir du principe de Fick on prenant l’oxygène comme marqueur sanguin au niveau du poumon et à la différence des concentrations artérielle et veineuse en O2, DAVo2.

Qc= VO2 /DAVO2

Qc se partage entre plusieurs organes « placés en parallèle » sur la grande circulation (cerveau, myocarde, tractus digestif. muscles, reins, peau, etc.). La répartition entre les divers organes tient compte, d'une part. de l'importance vitale de chacun d'eux et, d'autre part, de leur besoin à tout instant.

·       2- Le réseau vasculaire

Les artères qui reçoivent le sang de l'aorte se divisent elles-mêmes plusieurs fois jusqu'aux artérioles. Celles-ci se ramifient pour former le réseau capillaire, puis les capillaires se réunissent pour donner des veinules à partir desquelles le sang par les petites veines, puis les grosses veines, enfin les veines caves supérieure et inférieure gagne le cœur droit.

Dans ce circuit, la pression sanguine moyenne passe de 13,33 kPa (100mmHg) dans l'aorte à 0,25 à 0,5 kPa (environ 2 à 4 mmHg) dans les veines caves .

La différence de pression moyenne (AP) entre l'aorte et le ventricule droit (environ 13 kPa) et la résistance périphérique totale (TPR) dans la circulation systématique (environ 2,4 kPa. min. L-1) déterminent le flux sanguin total (Q) qui est l'équivalent du débit cardiaque.

La loi d'Ohm ΔP = Q • R peut s'appliquer, soit à la circulation dans son ensemble

(Q = Qc et R = résistance totale périphérique, RPT), soit à des portions du réseau circulatoire ; la chute de pression ΔP est particulièrement importante dans les portions du réseau où la résistance est élevée.

Le débit sanguin Q (mVs) est le même dans deux portions successives du circuit placées en série, en d'autres termes, l'aorte est traversée, par unité de temps, par autant de sang que l'ensemble des artères et par autant de sang que l'ensemble des capillaires de la grande circulation. D'autre part, la vitesse sanguine (m/s), qui détermine le temps de contact, est inversement proportionnelle à la surface de section (A2) des vaisseaux (vitesse rapide dans l'aorte, lente dans les capillaires). L'aorte et les grosses artères ne font pas que répartir le sang vers la périphérie (au repos, la vitesse moyenne du sang est de 0.2 m/s, ou 0,05-0,1 m/s respectivement), elles servent également, grâce à leur élasticité (qui diminue avec l'âge) à transformer un flux de sang pulsé au niveau de la portion initiale de l'aorte (systole : 0,7 m/s) en un flux continu (effet Windkessel).

Quand le cœur se contracte et que la pression augmente, les artères se distendent et emmagasinent de l'énergie potentielle ; quand il se relâche (diastole), la pression diminue et les artères restituent cette énergie. Ceci permet au flux sanguin de progresser durant la diastole bien que les valves aortiques soient fermées.

Les artérioles et les petites artères sont dans leur ensemble responsables de 50 % de la RPT ; il en résulte une chute considérable des pressions sanguines à ce niveau (vaisseaux résistifs). La moindre modification des résistances artériolaires a un grand effet sur la RPT. Le diamètre de chaque artériole, et plus spécialement des sphincters précapillaires, détermine également le flux sanguin dans les capillaires d'aval et, par là même, l'importance de la surface d'échange capillaire.

D'après la loi de Hagen-Poiseuille, R = (8 . l . η)/(π . r4) la résistance (R) d'un tube dépend de la longueur de ce tube (I), de la fluidité (viscosité, η) du liquide et de la puissance quatre du rayon de ce tube (r4).

La viscosité η du sang augmente lorsque I'hématocrite augmente mais aussi lorsque la vitesse d'écoulement du sang diminue car le sang est un liquide hétérogène dans lequel les hématies ont tendance à s'agglutiner en pile d'assiettes lorsqu'il s'écoule lentement .

Cette propriété peut conduire au cercle vicieux suivant, notamment lors d'un état de choc :

η↑ àRPT ↑ à Qc ↓ à η ↑↑ etc., ce qui fait tendre Qc vers 0 (stase).

Les capillaires, bien qu'ayant chacun un rayon bien plus faible que les artérioles (A), ne participent que pour 27 % à la RPT car leur nombre est considérable (5*109).

La chute de pression dans le réseau capillaire joue un rôle important dans les échanges de liquide entre le sang et l'espace extracellulaire des tissus, échanges qui constituent le rôle majeur des capillaires. Compte tenu de la faible vitesse du sang à ce niveau (0,3 mm/s) de leur surface d'échange importante (environ 300 m2 ) et de leur paroi perméable et extrêmement mince, les capillaires sont particulièrement bien adaptés à ce rôle d'échange de solutés et de liquides.

D'après la loi de Laplace, la tension de paroi (T) est égale, dans un vaisseau sanguin, à la pression transmurale (Pt = pression sanguine dans le vaisseau moins la pression de l'environnement) multipliée par le rayon du vaisseau r : T = Pt • r

Étant donné que r est très petit dans les capillaires (3 000 fois plus petit que dans l'aorte), la tension de la paroi est faible, ce qui explique qu'une paroi capillaire mince suffise pour résister à cette pression.

Les veines collectent le sang et assurent son retour vers le cœur. Leur volume global considérable leur fait jouer un rôle important comme réservoir de sang ; elles représentent une part essentielle du système à basse pression (vaisseaux capacitifs).

·      Pression sanguine

La pression sanguine ou tension artérielle, Elle oscille entre chaque battement cardiaque entre une valeur maximale (pression systolique) qui se situe durant la systole du cœur et une valeur minimale (pression diastolique) qui se produit pendant la diastole (A et B). Alors que la pression systolique dépend de la fonction cardiaque et de l'élasticité des grosses artères, la pression diastolique dépend surtout de la vitesse d'écoulement du sang, c'est-à-dire de la résistance totale périphérique.

La valeur de la pression systolique au repos (assis ou couché) mesurée au bras est de 16 kPa (120mmHg), et la pression diastolique de 10,7 kPa (80 mmHg). La moyenne « géométrique » des deux grandeurs est la pression moyenne (P) ; la différence entre elles est la pression différentielle (ou pulsatile : PP).

PP est principalement fonction du volume systolique Vs et de la compliance artérielle ou capacitance (= changement de volume/ changement de pression ; ΔV / ΔP). Pour un Vs donné et une compliance diminuée (les vaisseaux deviennent plus rigides), Ps augmente plus que PD, et en conséquence PP augmente (c'est ce qui se passe lors du vieillissement).

Une augmentation de Vs sans modification de compliance occasionne aussi une plus forte augmentation de Ps que de PD (PP augmente). Pour une fréquence cardiaque et un Vs donnés, P est proportionnelle à la RPT . Si la RPT augmente et que le Vs est éjecté aussi rapidement que précédemment, Ps et PD augmentent dans la même proportion et PP reste inchangée.

Toutefois, l'augmentation de RPT allonge la durée d'éjection. Dans ce cas, le rapport augmentation du volume artériel/écoulement périphérique durant l'éjection diminue. En conséquence, Ps augmente moins que PD et PP est diminuée.

On peut mesurer la pression sanguine soit directement à l'aide d'une aiguille placée dans le flux sanguin  (A et B1, courbe de pression figurée), soit de manière indirecte à l'aide d'un brassard gonflable. Pour cela, le brassard placé autour du bras est gonflé jusqu'à ce que la pression du brassard dépasse la pression maximale du sang. Un stéthoscope est placé en regard de l'artère humérale, au pli du coude, et l'on dégonfle peu à peu le brassard.

Pour une pression donnée, lue sur le manomètre, on entend des battements traduisant le passage en jet du sang au niveau de l'obstacle que constitue le brassard : cette pression correspond approximativement à la pression systolique. Les battements s'atténuent et disparaissent lorsque l'écoulement du sang devient continu ; la pression lue sur le manomètre correspond alors à la pression diastolique. La pression artérielle peut être exprimée aussi bien en mmHg qu'en kPa.

La pression artérielle moyenne permet de déterminer la perfusion d'un organe. Cette pression peut être estimée par un graphique (A) : une ligne droite, parallèle à l'axe des temps, est tracée de telle manière que les surfaces définies par la courbe de pression au-dessus et au-dessous de la droite soient égales. L'intersection de la droite avec l'axe des y (axe des pressions) indique la pression moyenne. Bien que la pression moyenne décroisse de l'aorte à l'artère fémorale, on peut trouver une pression maximale plus élevée dans l'artère fémorale que dans l'aorte (A1 et A2).

Il est indispensable, pour l'alimentation des tissus, que la pression sanguine soit bien régulée. Une pression artérielle trop faible conduit à un état de choc , à l’anoxie et à la mort tissulaire. Une pression artérielle trop haute chroniquement (hypertension) est, elle aussi nuisible, car les vaisseaux en souffrent (en particulier ceux du cœur, du cerveau, des reins et de la peau).

La pression est beaucoup plus basse dans l'artère pulmonaire que dans l'aorte (B2) ; la pression systolique n'est que de 3,3 kPa environ (25 mmHg) et la pression diastolique de 1,3 kPa (10 mmHg). La circulation pulmonaire appartient donc au système à basse pression .Une autre particularité de la circulation pulmonaire est la souplesse de l’environnement des vaisseaux pulmonaires (tissu pulmonaire rempli d'air). Une augmentation du débit dans la circulation pulmonaire (par ex. durant l'exercice) entraîne plutôt une dilatation des vaisseaux pulmonaires (diminution des résistances) qu'une évélation de pression pulmonaire. A cet instant, les vaisseaux pulmonaires font transitoirement fonction de réservoir.

Alors que la pression artérielle dépend en premier du débit cardiaque Qc et de la résistance périphérique totale RPT, la pression dans les veines est surtout liée au volume sanguin et à ses modifications en fonction du temps; ainsi la pression veineuse n'est que de 0,2 à 0,5 kPa (soit 1,5 à 4 mmHg) dans les veines proches du cœur (B3). Une pression aussi basse dans les vaisseaux rend le diamètre de ceux-ci fortement dépendant de la pression environnante, car le diamètre dépend de la pression transmurale.

Dans la cage thoracique, cette pression varie en fonction du cycle respiratoire [pression thoracique) (B4), de sorte que le diamètre des veines caves oscille en fonction de la ventilation, ce qui se traduit par une sorte de pompage du flux veineux lors de la respiration de la périphérie vers le cœur .

A l'inspiration, la pression intrathoracique chute (B4) en dessous de la pression veineuse moyenne de la veine cave (B3), ce qui a pour effet d'élargir la lumière veineuse et donc (B5) d'augmenter le débit veineux instantané du sang revenant au cœur droit. Le phénomène de Frank-Starling entraîne en conséquence une augmentation du volume d'éjection du ventricule droit (B7) et donc une augmentation du flux dans les artères pulmonaires (B6). Le volume d'éjection du cœur gauche diminue en même temps légèrement car l'élargissement des veines pulmonaires, lors de l'inspiration, diminue le retour du sang vers le cœur gauche.