La capacité de diffusion et sa mesure

Ce chapitre est le plus pertinent pour la section F7(iv) du Syllabus primaire du CICM 2017, qui attend des candidats à l’examen qu’ils soient capables de « définir la capacité de diffusion et sa mesure ». Cette question est apparue au moins une fois dans les épreuves antérieures du CICM, comme un élément inattendu de la réponse à la question 20 de la première épreuve de 2012, qui se présentait comme suit :  » Citez les facteurs physiologiques affectant la diffusion de l’oxygène à travers la membrane alvéolaire « . Une tentative sérieuse (bien que longue) d’explorer ces facteurs et d’échouer à cette question en l’interprétant littéralement peut être vue dans le chapitre sur la diffusion des gaz à travers la membrane alvéolaire. Ici, au lieu de cela, se concentrer spécifiquement sur la capacité de diffusion, et comment il peut être déterminé.

En résumé :

Il est difficile de recommander un seul article à ce sujet, car la plupart d’entre eux se concentrent sur un aspect spécifique et aucun ne semble offrir une brève vue d’ensemble du type de celle que peut souhaiter un candidat à l’examen qui manque de temps. Une source raisonnable est Hsia (2001), qui penche quelque peu du côté de la modification de la DLCO induite par l’exercice, et Ayers et al (1975), qui est une discussion solide (bien que datée) des différentes manières dont la DLCO peut être diminuée de manière pathologique. Comme pour tout ce qui concerne les tests de la fonction pulmonaire, l’excellent PFTBlog est une excellente ressource, notamment en ce qui concerne les méthodes de test de la DLCO.

Définition de la capacité de diffusion

Bien que cela ne soit pas explicitement demandé dans la question, une attente non écrite des examinateurs de la question 20 du premier examen de 2012 était que les stagiaires définissent la capacité de diffusion au cours de l’énumération des facteurs qui affectent la diffusion des gaz respiratoires. D’après le commentaire des examinateurs du collège, la définition de ce concept est :

« La capacité de diffusion est définie comme le volume de gaz qui va diffuser à travers la membrane chaque minute pour une différence de pression partielle de 1mmHg. »

Nunn’s la définit un peu différemment :

 » la propension d’un gaz à diffuser suite à un gradient de pression donné « 

Capacité de diffusion = Taux net de transfert de gaz / Gradient de pression partielle

Cette propriété est généralement appelée DL ou DL, et elle est typiquement mesurée en volume de gaz, par unité de pression, par unité de temps ; par exemple, les unités SI sont mmol/min/kPa, et les unités traditionnelles sont ml/min/mmHg. En substance, ce paramètre décrit la facilité avec laquelle les gaz peuvent se trouver transportés dans le sang capillaire alvéolaire, et constitue donc une distillation pratique de tous les facteurs qui influencent la diffusion des gaz respiratoires en une seule représentation numérique.

Pour l’oxygène, l’équation est :

DLO2 = absorption d’oxygène / gradient de PO2

L’absorption d’oxygène est en quelque sorte mesurable, puisqu’il s’agit de la différence entre le contenu en oxygène du sang veineux mêlé et celui de l’artère. Cependant, le gradient de PO2 est ici la différence entre la PO2 alvéolaire et la PO2 capillaire pulmonaire, cette dernière étant fondamentalement impossible à mesurer directement. Avec diverses hypothèses, on peut deviner ce que devrait être la PO2 capillaire et effectuer quelques calculs à l’envers. Pour une raison étrange, la seule source qui indique réellement cette valeur semble être Gehr et al (1981), qui est un chapitre de livre sur la physiologie respiratoire comparative des mammifères. On y trouve, avec la gazelle de Thompson et la mangouste naine, la valeur pour les humains, qui est rapportée comme étant de 2,47 ml/mbar/sec. Une valeur plus autorisée (mais toujours non référencée) rapportée par la notation conventionnelle se trouve dans le manuel d’ER Weibel de 1984, qui donne 20-30ml/min/mmHg.

La capacité de diffusion du dioxyde de carbone est encore plus difficile à retrouver. Nunn’s ne donne pas de références ni même de mesures exactes, mais livre plutôt une ligne sur le fait qu’elle est 20,5 fois supérieure à la capacité de diffusion de l’oxygène. Les données sur les lapins de Heller et al (1998) font état d’une DLCO2 de 14,0 ml/mmHg/min.

Comme il sera démontré ci-dessous, ces valeurs – mesurées chez des individus au repos – ne représentent pas le véritable maximum de la capacité de diffusion du poumon. Celle-ci ne peut être révélée que par un exercice intense, où l’apport de sang au capillaire augmente de manière significative.

Mesure de la capacité de diffusion

Evidemment, le gaz qui vous intéresse le plus est l’oxygène, et il serait donc en quelque sorte logique de mesurer ce gaz directement, mais en réalité, il existe plusieurs obstacles pratiques. Ou du moins, il y avait des obstacles lorsque la question de la mesure de la capacité de diffusion a été soulevée pour la première fois. Fondamentalement, pour mesurer le DLO2, il faut pouvoir mesurer avec précision l’absorption d’oxygène et le gradient de pression partielle. Pour le gradient, il faudrait calculer l’oxygène alvéolaire (ce qui est facile à faire), puis mesurer l’oxygène artériel (en tant que substitut de l’oxygène endocapillaire pulmonaire). Ensuite, « la tension de l’O2 et du CO2 dans le sang artériel doit être mesurée par la technique du microtonomètre développée par Riley – une technique qui exige une pratique et une dextérité considérables », écrivait Dacie en 1957, pour qui les électrodes de Clark détectant l’oxygène n’étaient pas disponibles. Cela ne semble pas être un obstacle pour l’intensiviste d’aujourd’hui qui, à tout moment, dispose de litres de sang de son patient (veineux et artériel) prêts à être prélevés, ainsi que d’instruments précis pour mesurer le contenu en gaz. Cependant, historiquement, c’était un problème majeur, et il y a toujours une certaine réticence à prélever l’artériel du groupe de patients ambulatoires. Les références se tarissent rapidement lorsque les gens se rendent compte de ce que vous avez l’intention de leur faire.

Donc, l’utilisation du monoxyde de carbone a été historiquement beaucoup plus populaire. Marie et August Krogh en avaient eu l’idée en 1915 :

« On suppose en outre que lorsqu’on laisse passer une petite proportion de CO dans le sang, le gaz se combine pratiquement instantanément avec l’hémoglobine et la pression de CO dans le sang peut être considérée comme égale à 0. Lorsque donc un mélange de CO avec de l’air est enfermé dans les poumons pendant un certain temps et que la chute du pourcentage de CO est déterminée, la diffusion à travers la paroi alvéolaire peut être calculée. »

En résumé, on donne à un patient une certaine dose non létale et connue de monoxyde de carbone à inhaler. Le patient retient cette respiration pendant dix secondes, puis l’expire. Comme le monoxyde de carbone n’a pas d’autre endroit où aller que dans les érythrocytes, toute différence entre les quantités de CO inhalées et expirées doit avoir diffusé à travers la barrière hémoglobine et s’être liée à l’hémoglobine. Ainsi, dans l’équation :

DLCO = Absorption de monoxyde de carbone / Gradient de monoxyde de carbone

l’absorption de monoxyde de carbone est la différence « manquante » de CO inhalé et exhalé, et le gradient est supposé être entre la pression partielle alvéolaire de CO (qui est connue, car vous l’avez donnée) et la pression partielle artérielle de CO (qui est de 0 mmHg, car nous savons que tout cela finit par être lié à l’hémoglobine). Ainsi, la mesure de la DLCO peut être effectuée de manière non invasive.

Il existe trois méthodes principales pour mesurer la DLCO : la méthode de l’inspiration unique, la méthode de l’état stable et la méthode de la réinhalation. La méthode de l’inspiration unique est décrite avec force détails par l’excellente déclaration des normes ERS/ATS (Cotes et al, 1993), à laquelle l’auteur a libéralement « emprunté » quelques images explicatives. La technique de réinhalation est explorée en détail ici et la méthode de l’état stationnaire ici. Une connaissance approfondie de ce sujet n’est pas (ne peut pas être) attendue des candidats à l’examen CICM, et donc ici, il suffira de le résumer comme suit :

Méthode de mesure de la DLCO par respiration unique

• Une période de respiration d’air ambiant doit idéalement précéder toute mesure
• D’abord, le patient expire au maximum (jusqu’au RV)
• Le patient inhale ensuite un mélange gazeux de 0.3 % de monoxyde de carbone et 10 % d’hélium
  (l’hélium est destiné à la mesure du volume alvéolaire)
• Il s’agit d’une respiration de capacité vitale (soit. jusqu’à la TLC), et son volume est mesuré
• Le patient retient cette respiration pendant dix secondes
  • Cette retenue de la respiration est destinée à assurer la distribution égale du monoxyde de carbone à toutes les unités pulmonaires, indépendamment de leur constante de temps
  • Il est important d’éviter le Valsalva-ing à ce stade, car il peut affecter le volume sanguin intrathoracique et diminuer faussement la DLCO.
• Le patient expire alors.
  • Les premiers 0,75 litres sont complètement ignorés, car ils sont considérés comme des gaz de l’espace mort, non représentatifs du reste.
• Un échantillon de gaz est alors prélevé
  • Le volume alvéolaire total peut être mesuré à partir de la concentration expiratoire en hélium (il s’agit d’une application classique de la technique de mesure par dilution de gaz traceur pour mesurer les volumes pulmonaires)
  • L’absorption de monoxyde de carbone peut être déterminée à partir de la différence entre les mesures de pression partielle inhalée et expirée
  • Le gradient de pression partielle pour le monoxyde de carbone peut être déterminé à partir de la mesure de la pression partielle expirée

Méthode de réinspiration DLCO

• C’est pratiquement la même chose que la méthode à respiration unique, sauf qu’il n’y a pas de retenue de la respiration.
• On fait respirer le patient rapidement (la fréquence respiratoire recommandée est de 30) tout en respirant à partir d’un réservoir contenant une quantité et un volume de gaz connus, contenant 0,3 % de monoxyde de carbone et 10 % d’hélium
• La quantité de gaz dans le sac est généralement ajustée de façon à ce qu’elle soit à peu près égale au volume courant du sujet, c’est-à-dire qu’elle se vide complètement pendant l’inspiration. il se vide complètement pendant l’inspiration
• Après une période de respiration aussi rapide, le gaz est échantillonné
• Le calcul du volume alvéolaire et de l’absorption de monoxyde de carbone peut alors être effectué exactement de la même manière que pour la respiration unique
• Pour une raison quelconque, cette technique est pratiquement inconnue dans la pratique clinique, et semble être principalement utilisée dans des scénarios où l’on doit mesurer la DLCo sans interrompre de manière significative le schéma respiratoire du sujet, par ex. lorsqu’ils pédalent follement sur un cycle d’exercice.

Méthode de mesure de la DLCO en état stable

• On fait respirer au sujet un mélange gazeux contrôlé qui contient 0,3% de monoxyde de carbone.
• Leur gaz expiré est recueilli dans un sac
• Après une période de respiration (suffisamment longue pour qu’un état stable soit établi), le gaz expiré est analysé
• La délivrance de monoxyde de carbone et le volume de gaz expiré sont connus, et il est donc facile de calculer l’absorption de monoxyde de carbone.
• La concentration alvéolaire de monoxyde de carbone peut être calculée à partir d’une forme modifiée de l’équation du gaz alvéolaire
• Encore, cette technique semble être pratiquement inconnue dans la pratique clinique courante ; son principal avantage est l’absence totale de dépendance à l’égard d’un quelconque niveau de participation du patient, ce qui permet de l’utiliser chez des sujets non coopératifs ou sous sédatifs

Facteurs qui influencent la capacité de diffusion

L’équation qui décrit ce paramètre est assez simple, et les facteurs qui l’affectent peuvent être divisés en propriétés du gaz et propriétés du système respiratoire. Un gaz ayant une capacité de diffusion plus élevée sera capable de franchir la barrière hémato-gazeuse plus facilement qu’un gaz ayant une capacité de diffusion plus faible, pour tout gradient de pression donné. De même, les propriétés du système respiratoire peuvent changer d’une manière qui peut augmenter ou diminuer la capacité de diffusion, pour le même gaz et au même gradient de pression partielle. Parmi les propriétés du système respiratoire, trois facteurs principaux peuvent changer : soit la surface change, soit l’épaisseur de la membrane change, soit l’absorption du gaz par les globules rouges est modifiée d’une manière ou d’une autre. On peut générer une liste mémorable sous forme de points pour décrire ces facteurs, dans le but de préparer un examen. Ainsi:

• Facteurs qui influencent les propriétés du gaz
  • Tous les facteurs qui influencent le coefficient de diffusion du gaz joueront un rôle à cet égard, notamment :
    • La densité du gaz
    • La taille des molécules
    • La température du milieu
• Facteurs qui influencent la surface d’échange gazeux
  • L’âge (avec l’augmentation de l’âge, la surface totale disponible diminue, indépendamment des autres facteurs)
  • La taille du corps : La taille influence la taille des poumons
  • Le volume pulmonaire
    • Plus le volume pulmonaire est important, plus la capacité de diffusion, c’est-à-dire.e. si l’on compare des individus, il faut utiliser une métrique indexée sur le volume alvéolaire (ex : capacité de diffusion par litre de volume alvéolaire)
    • Tout ce qui affecte le volume pulmonaire est donc une source potentielle d’erreur, ex : maladie pulmonaire, posture, obésité, grossesse, etc.
  • Facteurs qui modifient les caractéristiques de ventilation-perfusion :
    • Shunt : aucune diffusion n’a lieu
    • Espace mort : aucune diffusion n’a lieu
    • Dispersion V/Q : une diffusion incomplète inefficace a lieu
• Facteurs qui influencent les caractéristiques de la membrane
  • Il s’agit essentiellement des états pathologiques qui augmentent l’épaisseur de la barrière hémato-gazeuse, qui comprennent :
    • Oedème pulmonaire
    • Maladie pulmonaire interstitielle, par ex. fibrose pulmonaire
  • Strictement parlant, on devrait inclure ici la viscosité du milieu (c’est-à-dire du cytosol, de la membrane basale et du plasma capillaire). Cependant, pratiquement, ce sont des éléments stables qui peuvent être ignorés.
• Facteurs qui influencent l’absorption par les érythrocytes
  • L’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène
  • La concentration en hémoglobine

  .

  • Débit cardiaque (dans la mesure où il affecte le temps de transit capillaire
• Sources d’erreur
  • Perte de monoxyde de carbone à l’hémoglobine alvéolaire extravasculaire, par exemple. dans le cadre d’une hémorragie alvéolaire due au syndrome de Goodpasture
  • Présence de monoxyde de carbone « maison », due au tabagisme ou à une dégradation importante de l’hémoglobine (ex. hémolyse intravasculaire) qui pourrait limiter l’absorption du CO
  • Concurrence entre le CO et l’oxygène (si le patient avait auparavant respiré 100% de FiO2, par exemple)
  • La concentration d’hémoglobine, lorsqu’elle est faible, peut faussement diminuer la mesure de la DLCO même si la performance du complexe alvéolaire/capillaire reste tout à fait saine

Si l’on regarde d’assez près, on peut détecter que cette liste est pratiquement identique à la liste des facteurs qui influencent la diffusion des gaz à travers la membrane alvéolaire, à l’exception notable du gradient de pression partielle (qui est intégré dans la définition de la capacité de diffusion) et des différents facteurs liés à l’erreur de mesure.

Changement de la capacité de diffusion avec l’exercice

Certains pourraient dire que la discussion d’une quelconque capacité de diffusion au repos est une erreur car elle se réfère à un système non stressé, qui a en fait une capacité de diffusion beaucoup plus élevée. En effet, lors d’un exercice vigoureux, la DLO2 passe de 20-30 ml/min/mmHg à quelque chose de proche de 100-120 ml/min/mmHg, qui est la « vraie » capacité de diffusion. Cette augmentation est due au fait que le taux d’absorption d’oxygène dans l’équation (DLO2 = absorption d’oxygène / gradient de PO2) augmente de manière significative. Il n’est pas nécessaire de faire preuve d’une grande imagination pour en expliquer la raison. En effet, le volume minute augmente, non seulement en raison de l’augmentation de la fréquence respiratoire, mais aussi en raison de l’augmentation du volume courant. Avec l’augmentation du volume pulmonaire, la surface totale d’échange gazeux alvéolaire augmente. De plus, le débit cardiaque augmente. L’apport de sang aux capillaires pulmonaires s’en trouve accru. Cela modifie la distribution V/Q, car davantage de capillaires sont recrutés dans les régions pulmonaires qui étaient auparavant de « véritables » espaces morts ou dont le V/Q était bien supérieur à 1,0. Pour résumer cela sous une forme appétissante :

Avec l’exercice, les deux éléments majeurs affectant la capacité de diffusion sont modifiés :

• L’absorption d’oxygène dans les capillaires pulmonaires augmente parce que :
  • La surface augmente (volumes courants plus importants)
  • Le débit sanguin pulmonaire augmente (augmentation du débit cardiaque)
  • L’appariement V/Q s’améliore (les zones de ventilation élevée reçoivent un débit sanguin plus important, et les lits capillaires dormants sont recrutés)
• Le gradient de pression partielle dans les capillaires pulmonaires augmente car :
  • Le rapport d’extraction de l’oxygène augmente, diminuant la PO2 des veines mixtes
  • L’augmentation de la ventilation minute diminue la PCO2 alvéolaire (augmentant ainsi la PO2 alvéolaire, toutes choses égales par ailleurs)
  • L’augmentation de la délivrance d’hémoglobine à la surface absorbante agit comme un puits d’oxygène et maintient une faible pression partielle capillaire

De combien d’augmentation de la DLO2 doit-on s’attendre ? La réponse du collège à la question 20 du premier article de 2012 aborde cette question dans une remarque énigmatique, « …la ventilation alvéolaire augmente et il y a une meilleure adéquation entre la ventilation et la perfusion augmente de 21ml/min/mmHg jusqu’à 65ml/min/mmHg ».
Presumément, les valeurs citées dans la dernière moitié de cet obiter dictum font référence aux changements de DLCO, et sont dérivées de quelque part de réputé, mais qui sait où c’est. On s’attend généralement à ce qu’elles proviennent d’un manuel, et les valeurs des manuels proviennent généralement d’études réalisées dans les années 1960. Sans savoir précisément quelle source médiévale les examinateurs avaient à l’esprit, la recherche de références substantielles évaluées par des pairs revient essentiellement à lancer des fléchettes dans la littérature. Par exemple, une courte recherche permet de trouver une étude de Turino et al (1963), dont les volontaires sains ont obtenu des valeurs de DLCO au repos allant de 18 à 22, et des valeurs à l’effort allant de 55 à 64 ml/min/mmHg. Cela semble à peu près correct, et de toute façon on ne peut pas concevoir un univers où le fait d’avoir ou non les chiffres exacts ici serait le facteur déterminant de la performance à l’examen.