Les mesures des débits et des volumes pulmonaires peuvent être utilisées pour différencier les troubles pulmonaires obstructifs des troubles restrictifs, caractériser la gravité de la maladie et mesurer les réponses au traitement.
Les tests comprennent une spirométrie pour mesurer le débit inspiratoire et expiratoire, les volumes pulmonaires et parfois des courbes débit-volume pour définir des anomalies obstructives et restrictives spécifiques. Chez les patients présentant des anomalies obstructives, la spirométrie est répétée après l'administration de bronchodilatateurs inhalés à courte durée d'action pour évaluer la réversibilité et la réponse au traitement.
Les mesures sont généralement rapportées comme des débits et des volumes absolus et comme des pourcentages théoriques obtenus à partir de grands échantillons de personnes ayant une fonction respiratoire a priori normale. Les critères qui aident à prédire les valeurs normales comprennent l'âge, le sexe, l'ethnie et la taille.
L'adaptation en fonction de la race et de l'origine ethnique est controversée lors de l'interprétation des épreuves fonctionnelles respiratoires. Il existe de plus en plus de preuves que la race et l'origine ethnique ne rendent pas compte précisément des différences observées dans la fonction pulmonaire mesurée, mais reflètent plutôt les effets des facteurs sociaux et environnementaux, ce qui aggrave les disparités des soins. Des études ont montré que l'utilisation d'équations de référence basées sur la race et l'origine ethnique sous-estiment probablement la gravité de la maladie pulmonaire (et donc entraînent un traitement insuffisant) chez les sujets non blancs (1, 2). L'American Thoracic Society (ATS) a recommandé de remplacer les équations de référence spécifiques de l'origine ethnique ou de la race (3) par des équations de référence neutres en ce qui concerne la race, telles que la Global Lung Function Initiative (GLI) average equation (GLI) (4, 5). La 2022 European Respiratory Society (ERS)/ATS a reconnu que l'utilisation de référentiels neutres en ce qui concerne la race pouvait entraîner des modifications des indications des traitements spécifiques (p. ex., chirurgie, transplantation pulmonaire), ce qui met en évidence la nécessité de recherches destinées à comprendre l'impact potentiel sur la prise de décision clinique et les résultats pour les patients (6).
Flux aérien
Les mesures quantitatives du débit inspiratoire et du débit expiratoire sont obtenues par la spirométrie forcée. Des pinces sont utilisées au niveau du nez pour obstruer les narines.
Dans les évaluations du débit et du volume inspiratoire, le patient expire aussi profondément que possible, puis inspire au maximum. Le volume inspiratoire de pointe est la quantité maximale d'air inhalé en une inspiration profonde et le débit inspiratoire est le volume inspiré par seconde.
Afin d'évaluer les débits expiratoires, le patient inspire aussi profondément que possible, bloque les lèvres autour d'un embout buccal et expire aussi fort et profondément que possible dans un appareil qui enregistre le volume expiré (capacité vitale forcée [CVF]) et le volume expiré la première seconde (le volume expiratoire maximal en 1 s [VEMS1], voir figure Spirogramme normal).
Ces manœuvres fournissent plusieurs mesures:
CVF: la quantité maximale d'air que le patient peut expirer de manière forcée après une inspiration maximale
VEMS1: volume expiratoire maximal en 1 s
Débit expiratoire de pointe (DEP): vitesse maximale du flux d'air lorsque le patient expire
Le VEMS1 est le paramètre de débit le plus reproductible et est particulièrement utile dans le diagnostic et le suivi des patients qui présentent un trouble pulmonaire obstructif (p. ex., asthme, bronchopneumopathie chronique obstructive [BPCO]).
Le VEMS1 et la CVF permettent de différencier les troubles pulmonaires obstructifs et restrictifs. Un VEMS1 normal permet d'estimer qu'une maladie pulmonaire obstructive irréversible est peu probable. Une CVF normale rend peu probable une maladie restrictive. Une diminution du ratio VEMS1/CVF indique une obstruction. Répéter la mesure du VEMS1 et de la CVF sous bronchodilatateur à courte durée d'action en cas d'obstruction lors du test initial est utile pour différencier les patients qui ont un bronchospasme réversible comme en cas d'asthme de ceux qui ont une obstruction fixe dans la BPCO.
Certains sujets ont des facteurs de risque de BPCO (p. ex., tabagisme, infection antérieure, exposition professionnelle, exposition à la pollution de l'air), mais ne présentent pas d'obstruction certaine aux épreuves fonctionnelles respiratoires. Ces sujets auraient une pré-BPCO (7). D'autres études sont nécessaires pour caractériser cette population, mais suivre les valeurs de la spirométrie au fil du temps peut être utile pour identifier les patients qui sont susceptibles de développer une BPCO.
Spirogramme normal
FEF25–75% = débit expiratoire mesuré entre 25 et 75% de la capacité vitale forcée lors de la manœuvre d'expiration forcée rapide; VEMS1= volume expiratoire maximal pendant la première seconde de la manœuvre de capacité vitale forcée; CVF = capacité vitale forcée (la quantité maximale de l'air expiré avec force après inspiration maximale). |
Le débit expiratoire forcé mesuré à l'expiration durant lequel de 25 à 75% de la CVF est expirée peut représenter un marqueur plus sensible que le VEMS1, en cas d'obstruction légère des petites voies respiratoires, mais sa reproductibilité est mauvaise.
Le débit expiratoire de pointe (DEP) est le débit de pointe survenant lors de l'expiration. Cette variable est principalement utilisée pour le suivi à domicile des patients souffrant d'asthme et pour déterminer les variations diurnes du débit respiratoire. L'asthme peut être surveillé en comparant le débit expiratoire de pointe au niveau personnel.
L'interprétation de ces mesures dépend de la coopération du patient, qui est souvent améliorée par la motivation du patient pendant la manœuvre. Les spirogrammes acceptables montrent les éléments suivants
Bon début d'essai (p. ex., un début d'expiration rapide et énergique)
Pas de toux
Courbes lisses
Absence de toux, des courbes lisses et l'absence d'arrêt précoce du temps expiratoire (p. ex., durée minimum d'expiration de 6 s sans changement de volume à la dernière seconde).
Un effort reproductible s’accorde à 5% près ou 100 mL par rapport à un autre effort. Les résultats ne présentant pas ces critères minimaux acceptables doivent être interprétés avec prudence.
Volume pulmonaire
Les volumes pulmonaires sont mesurés en déterminant la capacité résiduelle fonctionnelle (CRF). La capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) est la quantité d'air restant dans les poumons après une expiration normale. La capacité pulmonaire totale (CPT) est le volume de gaz contenu dans les poumons à la fin d'une inspiration maximale. Connaître la CRF permet de subdiviser le poumon en sous-volumes, soit mesurés par la spirométrie, soit calculés (voir figure Volumes pulmonaires normaux). La CRF normale représente près de 40% de la capacité pulmonaire totale (CPT).
Volumes pulmonaires normaux
VRE = volume de réserve expiratoire; CRF = capacité résiduelle fonctionnelle; CI = capacité inspiratoire; VRI = Volume de réserve inspiratoire; VR = volume résiduel; CPT = capacité pulmonaire totale; CV = capacité vitale; VT= volume courant. CRF = VR + VRE; CI = VT + VRI; VC = VT+ VRI + VRE. |
La capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) est mesurée en utilisant des techniques de dilution des gaz ou la pléthysmographie (qui est plus précise chez les patients dont les flux aériens sont limités et qui ont des zones gazeuses pulmonaires séquestrées).
Les techniques de dilution gazeuse comprennent
L'élimination de l'azote
L'équilibration de l'hélium
Lors de l'élimination de l'azote, le patient expire jusqu'à la CRF puis respire dans un spiromètre contenant 100% d'oxygène. L'examen se termine lorsque la concentration d'azote expirée est de zéro. Le volume d’azote expiré prélevé est égal à 81% de la CRF initiale.
Dans le test de dilution à l'hélium, le patient expire jusqu'à la CRF puis est relié à un système clos contenant des volumes connus d'hélium et d'oxygène. La concentration en hélium est mesurée jusqu'à ce qu'elle soit identique à l'inspiration et à l'expiration, ce qui indique qu'elle s'est équilibrée avec le volume de gaz présent dans les poumons qui peut être estimé à partir de la variation de la concentration d'hélium qui a eu lieu.
Comme ces deux techniques ne mesurent que le volume pulmonaire qui communique avec les voies respiratoires supérieures, elles peuvent sous-estimer la CRF. En cas de limitations sévères du débit aérien, un volume considérable de gaz peut être piégé et ne communiquer que peu ou pas avec les voies respiratoires supérieures.
La pléthysmographie corporelle utilise la loi de Boyle (P1V1 = P2V2, où P est la pression et V est le volume) pour mesurer le volume de gaz compressible dans le thorax. La pléthysmographie corporelle est plus précise que les techniques de dilution des gaz. Assis dans un appareil étanche, le patient essaie d'inspirer dans un embout buccal fermé à partir de la CRF. La pression augmente dans le système clos avec l'élargissement de la paroi thoracique. Le volume pré-inspiratoire dans l'appareil et la pression avant et après l'inspiration permettent de calculer le changement de volume dans l'appareil, qui équivaut au changement du volume pulmonaire.
Courbe débit-volume
Contrairement au spirogramme qui donne le débit (en L) par rapport au temps (en s), la courbe débit-volume donne le débit (en L/s) selon son rapport au volume pulmonaire (en L) pendant la période allant de l'inspiration maximale à partir de l'expiration complète (volume résiduel [VR]) et pendant une expiration maximale à partir d'une inspiration complète (CPT, capacité pulmonaire totale). Le principal avantage de la courbe débit-volume est de montrer si le débit est adéquat pour un volume pulmonaire particulier. Par exemple, le débit est normalement plus lent pour des volumes pulmonaires faibles parce que l'élasticité est moindre pour des volumes pulmonaires inférieurs. Les patients qui présentent une fibrose pulmonaire ont des volumes pulmonaires faibles, le débit apparaît alors diminué s'il est mesuré seul. Cependant, lorsque le débit est évalué par rapport aux volumes pulmonaires, on remarque que le débit est en fait plus élevé que la normale (du fait de la perte d'élasticité caractéristique de la fibrose pulmonaire).
Les courbes débit-volume nécessitent de mesurer les volumes pulmonaires en valeur absolue. Malheureusement, de nombreux laboratoires ne tracent le débit que par rapport à la CVF; la courbe débit-CVF n’a pas de partie inspiratoire et procure donc peu d'informations.
Références générales
1. Baugh AD, Shiboski S, Hansel NN, et al. Reconsidering the Utility of Race-Specific Lung Function Prediction Equations [published correction appears in Am J Respir Crit Care Med 2022 Jul 15;206(2):230]. Am J Respir Crit Care Med 2022;205(7):819-829. doi:10.1164/rccm.202105-1246OC
2. Ekström M, Mannino D. Research race-specific reference values and lung function impairment, breathlessness and prognosis: Analysis of NHANES 2007-2012 [published correction appears in Respir Res 2023 Feb 3;24(1):41]. Respir Res 2022;23(1):271. Publié le 1 octobre 2022. doi:10.1186/s12931-022-02194-4
3. Bhakta NR, Bime C, Kaminsky DA, et al. Race and Ethnicity in Pulmonary Function Test Interpretation: An Official American Thoracic Society Statement. Am J Respir Crit Care Med 2023;207(8):978-995. doi:10.1164/rccm.202302-0310ST
4. Quanjer PH, Stanojevic S, Cole TJ, et al. Multi-ethnic reference values for spirometry for the 3-95-yr age range: the global lung function 2012 equations. Eur Respir J 2012;40(6):1324-1343. doi:10.1183/09031936.00080312
5. Bowerman C, Bhakta NR, Brazzale D, et al. A Race-neutral Approach to the Interpretation of Lung Function Measurements. Am J Respir Crit Care Med 2023;207(6):768-774. doi:10.1164/rccm.202205-0963OC
6. Stanojevic S, Kaminsky DA, Miller MR, et al. ERS/ATS technical standard on interpretive strategies for routine lung function tests. Eur Respir J 2022;60(1):2101499. Publié le 13 juillet 2022. doi:10.1183/13993003.01499-2021
7. Han MK, Agusti A, Celli BR, et al. D'après GOLD 0 to Pre-COPD. Am J Respir Crit Care Med 2021;203(4):414-423. doi:10.1164/rccm.202008-3328PP
Types d'anomalies
Les troubles respiratoires les plus fréquents peuvent être classés comme obstructifs ou restrictifs en fonction du flux aérien et des volumes pulmonaires (voir tableau Modifications physiologiques caractéristiques associées aux troubles pulmonaires).
Troubles occlusifs
Les troubles obstructifs se définissent par une réduction des débits, en particulier du FEV1 et du VEMS1 exprimé en pourcentage de la CVF (FEV1/CVF). Le degré de réduction du VEMS1 comparé aux valeurs théoriques détermine l'importance du trouble obstructif. Les troubles obstructifs sont provoqués par
Une augmentation de la résistance au débit aérien due à des anomalies de la lumière des voies respiratoires (p. ex., tumeurs, sécrétions, épaississement de la muqueuse)
Des modifications de la paroi des voies respiratoires (p. ex., contraction du muscle lisse, œdème)
Une perte d'élasticité (p. ex., destruction du parenchyme dans l'emphysème)
En cas de diminution des débits, les durées expiratoires sont anormalement longues et l'air peut rester piégé dans les poumons par évacuation incomplète à l'origine d'une augmentation des volumes pulmonaires (p. ex., capacité pulmonaire totale, volume résiduel).
Les exemples les plus fréquents de troubles obstructifs sont la BPCO, l'asthme et la bronchectasie.
L'European Respiratory Society (ERS) et l'American Thoracic Society (ATS) ont mis à jour leurs lignes directrices concernant l'interprétation des épreuves fonctionnelles respiratoires pour déterminer la gravité de la maladie pulmonaire obstructive (voir tableau Gravité de l'atteinte pulmonaire) (1). Ces lignes directrices recommandent d'exprimer toutes les mesures, y compris la spirométrie, les volumes pulmonaires et la capacité de diffusion des poumons pour le monoxyde de carbone (DLCO), sous la forme de z-scores plutôt qu'en pourcentages des valeurs prédites pour mesurer la sévérité. Un z-score inférieur à -1,645 indique que la valeur est inférieure au 5e percentile de la valeur prédite en fonction de contrôles appariés et sains. Pour juger de la réponse aux bronchodilatateurs, les lignes directrices recommandent à présent l'utilisation des variations en pourcentage par rapport à la valeur prédite d'un individu (plutôt que de la valeur de base) et elles recommandent d'utiliser l'amélioration du VEMS1 et/ou de la capacité vitale forcée ≥ 10% comme critère d'hyperréactivité des voies respiratoires.
Troubles restrictifs
Les troubles restrictifs sont caractérisés par une réduction du volume pulmonaire, en particulier une capacité pulmonaire totale inférieure à la limite inférieure de la normale (un z-score inférieur à -1,65, correspondant à moins que le 5e percentile de la valeur prédite en fonction de contrôles appariés sains). Cependant, dans les maladies restrictives précoces, la CPT (capacité pulmonaire totale) peut être normale (du fait d'un important effort inspiratoire) et la seule anomalie pourrait être une réduction du ventricule droit. La diminution de la CPT (capacité pulmonaire totale) détermine la gravité de la restriction. La diminution des volumes pulmonaires entraîne une diminution des débits (baisse du VEMS1). Cependant, le débit respiratoire rapporté aux volumes pulmonaires est augmenté, d'où un VEMS1/CVF normale ou augmentée.
Les syndromes restrictifs sont provoqués par les causes suivantes:
Une perte du volume pulmonaire (p. ex., lobectomie)
Des anomalies des structures environnant le poumon (p. ex., trouble pleural, cyphose, obésité)
Une faiblesse des muscles inspiratoires (p. ex., troubles neuromusculaires)
Des anomalies du parenchyme pulmonaire (p. ex., fibrose)
Le signe commun à toutes ces affections est la réduction de la compliance des poumons et/ou de la paroi thoracique.
Références pour les profils d'anomalies
1. Stanojevic S, Kaminsky DA, Miller MR, et al. ERS/ATS technical standard on interpretive strategies for routine lung function tests. Eur Respir J 2022;60(1):2101499. Publié le 13 juillet 2022. doi:10.1183/13993003.01499-2021
2. Coates AL, Wanger J, Cockcroft DW, et al. ERS technical standard on bronchial challenge testing: general considerations and performance of methacholine challenge tests. Eur Respir J 2017;49(5):1601526. Publié le 1 mai 2017. doi:10.1183/13993003.01526-2016
3. Parsons JP, Hallstrand TS, Mastronarde JG, et al. An official American Thoracic Society clinical practice guideline: exercise-induced bronchoconstriction. Am J Respir Crit Care Med 2013;187(9):1016-1027. doi:10.1164/rccm.201303-0437ST
Bronchoprovocation
Le test de provocation bronchique est utilisé pour diagnostiquer des pathologies telles que l'asthme, en particulier lorsque la spirométrie est normale, mais que l'on suspecte une hyperréactivité des voies respiratoires. Les tests peuvent être effectués avec de la méthacholine inhalée, à l'effort ou en hyperventilation volontaire eucapnique en utilisant de l'air à des températures ambiantes ou froides.
Certains patients souffrant d'asthme peuvent avoir une fonction respiratoire normale et des paramètres normaux à la spirométrie, en dehors des périodes d'exacerbation. Lorsque la suspicion d'asthme reste élevée malgré une spirométrie normale, un examen complémentaire par bronchoprovocation à la méthacholine, un analogue synthétique de l'acétylcholine, qui est un irritant bronchique non spécifique, est indiqué pour détecter ou exclure une bronchoconstriction. Lors d'une épreuve à la méthacholine, les paramètres spirométriques sont mesurés au début puis après l'inhalation de doses croissantes de méthacholine. La dose de méthacholine qui provoque une chute de 20% du VEMS1 est appelée la PD20 (Provocative Dose) (ou PC20). Les laboratoires ont des définitions différentes de l'hyperréactivité des voies respiratoires, mais les patients qui présentent une baisse d'au moins 20% du VEMS1 par rapport à la ligne de base (PD20 [Provocative Dose] ou PC20) lorsque la dose de méthacholine délivrée inhalée est < 25 mcg est considérée comme un élément diagnostique d'une réactivité bronchique augmentée, alors qu'une PD20 (PC20) > 400 mcg exclut le diagnostic. Les valeurs de PD20 (PC20) entre 25 et 400 mcg ne permettent pas de conclure (1).
Le test d'effort peut être utilisé pour détecter un asthme induit par l'effort mais est moins sensible que l'épreuve à la méthacholine pour détecter une hyperréactivité des voies respiratoires. Le patient fait un effort régulier sur un tapis roulant ou sur un vélo ergométrique pendant 6 à 8 min à une intensité sélectionnée pour entraîner une fréquence cardiaque de 80% de la fréquence cardiaque maximale attendue. Le VEMS1 et la CVF sont mesurés avant l'effort puis 5, 15 et 30 min après. Un bronchospasme induit par l'effort réduit le VEMS1 ou la CVF de ≥ 10-15% après l'effort (2).
L'hyperventilation volontaire eucapnique peut également être utilisée pour diagnostiquer l'asthme induit par l'effort. L'hyperventilation volontaire eucapnique comprend l'hyperventilation d'un mélange de gaz de 5% de dioxyde de carbone et 21% d'oxygène à 85% de la ventilation volontaire maximale pendant 6 min. Le VEMS1 est ensuite mesuré à des intervalles donnés après le test. Comme avec d'autres tests de provocation bronchique, la baisse du VEMS1, qui est diagnostique du bronchospasme à l'effort, varie selon le laboratoire.
L'hyperréactivité induite par le froid peut être évaluée par un test similaire dans lequel le patient hyperventile pendant 3 à 6 minutes en respirant un mélange gazeux refroidi entre -10° C et -20° C. Ce test nécessite un équipement de refroidissement spécialisé qui peut ne pas être disponible dans de nombreux laboratoires de tests.
Références pour la bronchprovocation
1. Coates AL, Wanger J, Cockcroft DW, et al. ERS technical standard on bronchial challenge testing: general considerations and performance of methacholine challenge tests. Eur Respir J 2017;49(5):1601526. Publié le 1 mai 2017. doi:10.1183/13993003.01526-2016
2. Parsons JP, Hallstrand TS, Mastronarde JG, et al. An official American Thoracic Society clinical practice guideline: exercise-induced bronchoconstriction. Am J Respir Crit Care Med 2013;187(9):1016-1027. doi:10.1164/rccm.201303-0437ST
