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Sommaire

  • 1Grandeurs décrivant la performance cardiaque
  • 2Précharge et mécanisme de Frank-Starling
  • 3Postcharge et opposition à l'éjection lock — section verrouillée
  • 4Contractilité myocardique lock — section verrouillée
  • 5Travail et puissance cardiaques lock — section verrouillée
  • 6Intégration des déterminants lock — section verrouillée
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B8 · Système cardiovasculaire

Débit cardiaque, précharge et postcharge

Définir volume d'éjection, fréquence et débit cardiaque et leurs déterminants. Analyser l'effet de la précharge, de la postcharge et de la contractilité sur la performance ventriculaire et le travail cardiaque.

Physiologie·schedule7 min de lecture·quiz17 QCM corrigés

Grandeurs décrivant la performance cardiaque

La performance mécanique du cœur se décrit par la quantité de sang éjectée à chaque contraction et par le nombre de contractions réalisées par unité de temps. En régime stable, les ventricules droit et gauche ont le même débit moyen, faute de quoi du sang s'accumulerait dans l'une des deux circulations.

Définition

Volume télédiastolique

Volume de sang contenu dans un ventricule à la fin de son remplissage, juste avant la contraction. Il est noté VTDVTDVTD.

Définition

Volume télésystolique

Volume de sang restant dans un ventricule à la fin de son éjection. Il est noté VTSVTSVTS.

Définition

Volume d'éjection systolique

Volume de sang éjecté par un ventricule au cours d'une contraction. Il est noté VESVESVES.

Formule

Volume d'éjection systolique

VES=VTD−VTSVES = VTD - VTSVES=VTD−VTS
  • VESVESVES : volume d'éjection systolique, en litres ou en millilitres
  • VTDVTDVTD : volume télédiastolique, en litres ou en millilitres
  • VTSVTSVTS : volume télésystolique, dans la même unité que VTDVTDVTD

Le VESVESVES augmente si le ventricule se remplit davantage ou s'il se vide plus complètement. Il dépend donc principalement de la précharge, de la postcharge et de la contractilité.

Définition

Fréquence cardiaque

Nombre de cycles cardiaques réalisés par unité de temps. Elle est notée FCFCFC et s'exprime habituellement en battements par minute.

Définition

Débit cardiaque

Volume de sang éjecté par un ventricule pendant une unité de temps. Il est noté DCDCDC.

Formule

Débit cardiaque

DC=FC×VESDC = FC \times VESDC=FC×VES
  • DCDCDC : débit cardiaque, en litres par minute
  • FCFCFC : fréquence cardiaque, en battements par minute
  • VESVESVES : volume d'éjection systolique, en litres par battement
Exemple

Calculer le débit cardiaque à partir de la fréquence et du VES

Pour un volume d'éjection systolique de 70 mL\pu{70 mL}70 mL et une fréquence cardiaque de 75 battements/min\pu{75 battements/min}75 battements/min, le volume doit d'abord être exprimé en litres :

70 mL=0,070 L\pu{70 mL} = \pu{0,070 L}70 mL=0,070 L

DC=FC×VES=75×0,070=5,25 L/minDC = FC \times VES = 75 \times 0{,}070 = \pu{5,25 L/min}DC=FC×VES=75×0,070=5,25 L/min

Le débit cardiaque est donc de 5,25 L/min\pu{5,25 L/min}5,25 L/min : le ventricule éjecte en moyenne 5,25 L\pu{5,25 L}5,25 L de sang chaque minute.

L'augmentation de la fréquence tend à accroître le débit puisqu'elle multiplie le nombre d'éjections. Cette relation n'est cependant pas indéfiniment proportionnelle : lorsque la fréquence devient très élevée, la diastole se raccourcit, le remplissage ventriculaire diminue et le VESVESVES peut chuter. À l'inverse, une fréquence très basse ne peut maintenir le débit que si l'augmentation du VESVESVES est suffisante.

Définition

Fraction d'éjection

Fraction du volume télédiastolique effectivement éjectée pendant la systole. Elle constitue un indicateur de la vidange ventriculaire.

Formule

Fraction d'éjection

FE=VESVTDFE = \frac{VES}{VTD}FE=VTDVES​
  • FEFEFE : fraction d'éjection, grandeur sans dimension
  • VESVESVES : volume d'éjection systolique
  • VTDVTDVTD : volume télédiastolique
Attention

Débit, volume d'éjection et fraction d'éjection

Le DCDCDC est un volume par unité de temps, le VESVESVES un volume par battement et la FEFEFE une proportion. Une même fraction d'éjection peut correspondre à des volumes d'éjection différents si les volumes télédiastoliques diffèrent.

Précharge et mécanisme de Frank-Starling

Définition

Précharge

Degré d'étirement des fibres myocardiques ventriculaires à la fin de la diastole, avant leur contraction. Elle dépend principalement du volume télédiastolique et de la pression de remplissage.

Le retour veineux est le débit de sang revenant au cœur par les veines. Une augmentation du retour veineux accroît généralement le remplissage, donc le VTDVTDVTD et la précharge.

La précharge ne se confond toutefois pas strictement avec le VTDVTDVTD : pour un même volume, l'étirement des fibres dépend aussi de la géométrie et de la distensibilité du ventricule. La pression télédiastolique est également un indicateur imparfait, car sa relation avec le volume varie avec les propriétés de la paroi.

Définition

Mécanisme de Frank-Starling

Propriété intrinsèque selon laquelle une augmentation de la longueur initiale des fibres myocardiques, dans les limites physiologiques, augmente la force développée lors de leur contraction.

L'étirement initial améliore les conditions d'interaction entre les protéines contractiles et augmente la sensibilité de l'appareil contractile au calcium. À contractilité et postcharge constantes, une augmentation de la précharge entraîne donc :

  • une augmentation de la force de contraction développée ;
  • une augmentation du VESVESVES ;
  • une augmentation du travail fourni à chaque battement.

Ce mécanisme adapte spontanément l'éjection ventriculaire au volume reçu. Il contribue ainsi à maintenir l'égalité des débits moyens des deux ventricules.

À retenir

Effet de la précharge

À postcharge et contractilité constantes, une augmentation de la précharge augmente le volume d'éjection systolique par le mécanisme de Frank-Starling. Il s'agit d'un effet de la longueur initiale des fibres, non d'une augmentation de leur contractilité propre.

La relation possède une limite : au-delà de la zone fonctionnelle, un étirement excessif ne permet plus d'accroître efficacement la force et peut détériorer la performance mécanique.

Postcharge et opposition à l'éjection

Définition

Postcharge

Ensemble des contraintes que le ventricule doit vaincre pour raccourcir ses fibres et éjecter le sang.

La postcharge du ventricule gauche dépend notamment de la pression régnant dans l'aorte, tandis que celle du ventricule droit dépend de la pression de la circulation pulmonaire. Elle ne se réduit pourtant pas à une pression artérielle : elle dépend aussi de la géométrie ventriculaire et des propriétés de l'arbre artériel.

La contrainte exercée sur la paroi augmente avec la pression intracavitaire et le rayon de la cavité, mais diminue lorsque l'épaisseur de la paroi augmente. Cette relation dérive de la loi de Laplace et explique pourquoi un ventricule dilaté subit une contrainte plus grande à pression identique.

Une augmentation aiguë de la postcharge rend le raccourcissement des fibres plus difficile. À précharge et contractilité constantes, elle provoque :

  • une diminution de la vitesse et de l'amplitude du raccourcissement ;
  • une augmentation du VTSVTSVTS, car davantage de sang reste dans le ventricule ;
  • une diminution du VESVESVES et de la FEFEFE ;
  • une augmentation de l'effort nécessaire pour développer la pression.

Le volume résiduel accru peut augmenter le remplissage du battement suivant. Cette élévation secondaire de la précharge peut alors soutenir partiellement le VESVESVES par le mécanisme de Frank-Starling.

Attention

Postcharge et pression artérielle

La pression artérielle constitue un déterminant majeur de la postcharge, mais les deux notions ne sont pas synonymes. La postcharge est une contrainte mécanique ventriculaire intégrant pression, taille de la cavité et épaisseur pariétale.

Contractilité myocardique

Définition

Contractilité

Capacité intrinsèque du myocarde à développer une force et à se raccourcir pour une précharge et une postcharge données.

Une augmentation de contractilité résulte d'une mobilisation plus efficace du calcium par les cardiomyocytes et d'une activation accrue des protéines contractiles. Elle permet au ventricule de développer davantage de pression et de se vider plus complètement sans nécessiter une augmentation préalable de son remplissage.

À précharge et postcharge constantes, l'augmentation de la contractilité :

  • diminue le VTSVTSVTS ;
  • augmente le VESVESVES ;
  • augmente la FEFEFE ;
  • augmente le travail mécanique et la consommation d'énergie du myocarde.

L'effet inverse apparaît lorsque la contractilité diminue : le ventricule se vide moins, le VTSVTSVTS augmente et le VESVESVES diminue.

Comparaison

Déterminants du volume d'éjection systolique

Variation isoléeEffet principalConséquence sur le VESVESVESConséquence habituelle sur le VTSVTSVTS
Augmentation de la préchargeétirement initial accruaugmentationpeu modifié initialement
Augmentation de la postchargeopposition accrue à l'éjectiondiminutionaugmentation
Augmentation de la contractilitéforce intrinsèque accrueaugmentationdiminution
À retenir

Distinguer précharge et contractilité

La précharge modifie la force par changement de la longueur initiale des fibres. La contractilité modifie la force développée à longueur initiale et charge identiques.

Travail et puissance cardiaques

Définition

Travail d'éjection

Énergie mécanique fournie par un ventricule pour déplacer un volume de sang contre une pression au cours d'un battement.

Le travail externe exact correspond à l'intégrale de la pression ventriculaire par rapport à la variation de volume pendant l'éjection. Il est représenté par l'aire de la boucle pression-volume, dont la construction détaillée relève de la fiche consacrée au cycle cardiaque.

Formule

Approximation du travail d'éjection

Weˊj≃Peˊj×VESW_{\text{éj}} \simeq P_{\text{éj}} \times VESWeˊj​≃Peˊj​×VES
  • WeˊjW_{\text{éj}}Weˊj​ : travail mécanique externe d'éjection par battement, en joules
  • PeˊjP_{\text{éj}}Peˊj​ : pression moyenne contre laquelle s'effectue l'éjection, en pascals
  • VESVESVES : volume d'éjection systolique, en mètres cubes
Exemple

Estimer le travail d’éjection par battement

Un ventricule éjecte un VESVESVES de 70 mL\pu{70 mL}70 mL contre une pression moyenne d’éjection de 13,3 kPa\pu{13,3 kPa}13,3 kPa.

Les unités sont converties dans le Système international :

  • 13,3 kPa=13 300 Pa\pu{13,3 kPa} = \pu{13 300 Pa}13,3 kPa=13 300Pa ;
  • 70 mL=70×10−6 m3\pu{70 mL} = \pu{70 \times 10^{-6} m^3}70 mL=70×10−6 m3.
Weˊj≃Peˊj×VES=13 300×70×10−6=0,931 JW_{\text{éj}} \simeq P_{\text{éj}} \times VES = 13\,300 \times 70 \times 10^{-6} = \pu{0,931 J}Weˊj​≃Peˊj​×VES=13300×70×10−6=0,931 J

Le travail externe d’éjection est donc d’environ 0,93 J\pu{0,93 J}0,93 J par battement. Cette valeur correspond à l’énergie mécanique nécessaire pour éjecter ce volume contre cette pression moyenne.

Définition

Puissance cardiaque

Travail mécanique fourni par le cœur par unité de temps.

La puissance externe dépend donc du travail de chaque battement et de la fréquence cardiaque. Une augmentation du VESVESVES, de la pression d'éjection ou de la fréquence augmente la puissance demandée.

La dépense énergétique réelle dépasse le seul travail externe : le myocarde consomme aussi de l'énergie pour développer une tension sans raccourcissement, assurer les mouvements ioniques et restaurer les gradients de calcium. Le travail de pression est particulièrement coûteux, car une postcharge élevée impose une forte tension pariétale. L'augmentation de la contractilité et de la fréquence accroît également les besoins énergétiques.

Intégration des déterminants

Le débit cardiaque résulte d'une chaîne causale :

  1. Le retour veineux et les propriétés du ventricule déterminent la précharge.
  2. La précharge, la postcharge et la contractilité déterminent le VESVESVES.
  3. Le VESVESVES et la fréquence déterminent le DCDCDC.
  4. La pression d'éjection et le volume éjecté déterminent le travail mécanique.
  5. La fréquence transforme le travail par battement en puissance fournie par unité de temps.

La régulation nerveuse et hormonale de ces paramètres appartient à la fiche consacrée à la régulation de la pression artérielle.

Points clés
  • Le volume d'éjection systolique vérifie VES=VTD−VTSVES = VTD - VTSVES=VTD−VTS, et le débit cardiaque vérifie DC=FC×VESDC = FC \times VESDC=FC×VES.
  • Une augmentation de précharge augmente le VESVESVES par le mécanisme de Frank-Starling.
  • Une augmentation aiguë de postcharge augmente le VTSVTSVTS et diminue le VESVESVES à contractilité constante.
  • Une augmentation de contractilité diminue le VTSVTSVTS et augmente le VESVESVES à conditions de charge identiques.
  • Le travail d'éjection dépend du volume éjecté et de la pression contre laquelle le ventricule éjecte.
  • Une fréquence excessive peut réduire le remplissage et empêcher l'augmentation attendue du débit cardiaque.

Fiches connexes

À réviser dans la foulée, sur Système cardiovasculaire.

  • Fiche 01Automatisme cardiaque et tissu nodalSystème cardiovasculaire
  • Fiche 02Cycle cardiaque et relation pression–volumeSystème cardiovasculaire
  • Fiche 04Hémodynamique : pression artérielle, résistances et viscositéSystème cardiovasculaire
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