ISO/TS 16976-4:2012
(Main)Respiratory protective devices — Human factors — Part 4: Work of breathing and breathing resistance: Physiologically based limits
Respiratory protective devices — Human factors — Part 4: Work of breathing and breathing resistance: Physiologically based limits
ISO/TS 16976-4:2012 describes how to calculate the work performed by a person's respiratory muscles with and without the external respiratory impediments that are imposed by RPD of all kinds, except diving equipment. ISO/TS 16976-4:2012 describes how much additional impediment people can tolerate and contains values that can be used to judge the acceptability of an RPD.
Appareils de protection respiratoire — Facteurs humains — Partie 4: Travail de respiration et de résistance à la respiration: limites physiologiques
L'ISO/TS 16976-4:2012 décrit la manière de calculer le travail que les muscles respiratoires d'une personne doivent fournir avec et sans les difficultés respiratoires externes imposées par tous les types d'APR, à l'exception des appareils de plongée. Le présent document décrit les limites des difficultés supplémentaires que les personnes peuvent tolérer et contient les valeurs pouvant être utilisées pour évaluer l'acceptabilité d'un APR.
General Information
Relations
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Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 16976-4
First edition
2012-06-15
Respiratory protective devices —
Human factors —
Part 4:
Work of breathing and breathing
resistance: Physiologically based limits
Appareils de protection respiratoire — Facteurs humains —
Partie 4: Travail de respiration et de résistance à la respiration: Limites
physiologiques
Reference number
ISO/TS 16976-4:2012(E)
©
ISO 2012
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ISO/TS 16976-4:2012(E)
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member body in the country of the requester.
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Published in Switzerland
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ISO/TS 16976-4:2012(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions, symbols and abbreviated terms . 1
3.1 Terms and definitions . 1
3.2 Symbols and abbreviated terms . 2
4 Pressure and volume changes during breathing . 2
4.1 Pressure and volume changes in the absence of an RPD . 2
4.2 The effect of RPD flow resistance on pressure and volume changes while using an RPD . 6
4.3 The effect of RPD with static pressure on pressure and volume changes while using an RPD . 6
4.4 The effect of RPD flow resistance and static pressure on pressure and volume changes while
using an RPD . 7
4.5 Effects of high static pressure . 8
5 Work of breathing (WOB) . 8
5.1 Physiological work versus physical work . 8
5.2 Calculations of inspiratory WOB . 9
5.3 Calculations of expiratory WOB .10
5.4 Calculations of total WOB .10
5.5 Breathing resistance .12
5.6 Physiologically acceptable WOB .12
6 Other respiratory loads .13
6.1 Static load .13
6.2 Elastic loads .14
6.3 Other loads .14
6.4 How respiratory loads add up .14
7 Summary .14
Bibliography .15
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ISO/TS 16976-4:2012(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
In other circumstances, particularly when there is an urgent market requirement for such documents, a technical
committee may decide to publish other types of document:
— an ISO Publicly Available Specification (ISO/PAS) represents an agreement between technical experts in
an ISO working group and is accepted for publication if it is approved by more than 50 % of the members
of the parent committee casting a vote;
— an ISO Technical Specification (ISO/TS) represents an agreement between the members of a technical
committee and is accepted for publication if it is approved by 2/3 of the members of the committee
casting a vote.
An ISO/PAS or ISO/TS is reviewed after three years in order to decide whether it will be confirmed for a further
three years, revised to become an International Standard, or withdrawn. If the ISO/PAS or ISO/TS is confirmed,
it is reviewed again after a further three years, at which time it must either be transformed into an International
Standard or be withdrawn.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO/TS 16976-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 94, Personal Safety — Protective clothing and
equipment, Subcommittee SC 15, Respiratory protective devices.
ISO/TS 16976 consists of the following parts, under the general title Respiratory protective devices —
Human factors:
— Part 1: Metabolic rates and respiratory flow rates
— Part 2: Anthropometrics
— Part 3: Physiological responses and limitations of oxygen and limitations of carbon dioxide in the
breathing environment
— Part 4: Work of breathing and breathing resistance: Physiologically based limits
The following parts are under preparation:
— Part 5: Thermal effects
— Part 7: Hearing and speech
— Part 8: Ergonomic factors
iv © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO/TS 16976-4:2012(E)
Introduction
A respiratory protective device (RPD) is designed to offer protection from the inhalation of hazardous
substances. However, this protection requires extra effort by the respiratory muscles as they need to generate
higher pressures to overcome the associated respiratory loads imposed by the RPD.
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 16976-4:2012(E)
Respiratory protective devices — Human factors —
Part 4:
Work of breathing and breathing resistance: Physiologically
based limits
1 Scope
This Technical Specification describes how to calculate the work performed by a person’s respiratory muscles
with and without the external respiratory impediments that are imposed by RPD of all kinds, except diving
equipment. This Technical Specification describes how much additional impediment people can tolerate and
contains values that can be used to judge the acceptability of an RPD.
NOTE These calculations are explained in some textbooks on respiratory physiology (in the absence of an RPD), but
most omit them or are incomplete in their explanations.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 16972, Respiratory protective devices — Terms, definitions, graphical symbols and units of measurement
ISO/TS 16976-1, Respiratory protective devices — Human factors — Part 1: Metabolic rates and respiratory
flow rates
3 Terms and definitions, symbols and abbreviated terms
3.1 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 16972 and the following apply.
3.1.1
body temperature pressure saturated
BTPS
standard condition for the expression of ventilation parameters
NOTE 1 Body temperature (37 °C), ambient pressure and water vapour pressure (6,27 kPa) in saturated air.
NOTE 2 Adapted from ISO 16972.
3.1.2
compliance
−1
change in volume of the human lung that results from a change in pressure, measured in l kPa
NOTE This term is the typical term for the elastic behaviour of the lungs and chest. Compliance is the inverse of elastance.
3.1.3
elastance
change in pressure that results from a given volume change of the human lung, measured in kPa/l
NOTE This term is the typical term for the elastic behaviour of an RPD. Elastance is the inverse of compliance.
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ISO/TS 16976-4:2012(E)
3.1.4
relaxation volume
lung volume when respiratory muscles are relaxed, i.e. the volume at the beginning of an inspiration, also
known as functional residual capacity (FRC) and expiratory reserve volume (ERV)
3.1.5
tidal volume
V
T
volume of a breath, measured in litres BTPS
3.1.6
vital capacity
VC
volume of the largest breath a person can take, i.e. the volume difference between a maximum inspiration and
a maximum expiration, measured in litres BTPS
3.1.7
work of breathing
WOB
work required for an entire breathing cycle, measured in Joules
NOTE Adapted from ISO 16972.
3.1.8
work of breathing per tidal volume
WOB/V
T
normalized WOB (equivalent to volume-averaged pressure), measured in Joules per litre = kPa
3.2 Symbols and abbreviated terms
BTPS body temperature pressure saturated
ERV expiratory reserve volume
FRC functional residual capacity
RPD respiratory protective device
VC vital capacity
WOB work of breathing
p pressure required to overcome the elastance
el
p pressure required to overcome the flow resistance of the airways
aw
p pressure required to overcome the inspiratory flow resistance of the RPD
i,ext
4 Pressure and volume changes during breathing
4.1 Pressure and volume changes in the absence of an RPD
During an inspiration the inspiratory muscles contract which makes the chest expand and the diaphragm
flatten. This action causes the lungs to expand to a larger volume. Even in the absence of flow resistance, it
takes a certain pressure to expand the chest and lungs. The term used in respiratory physiology for this elastic
behaviour is compliance. The term compliance is also used in laws and regulations; to avoid confusion
with this use of the word, the remainder of this Technical Specification will use the term elastance instead.
By definition, elastance is the inverse of compliance. Elastance describes how much an elastic material
changes when a force or a pressure is applied.
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ISO/TS 16976-4:2012(E)
Figure 1 shows the lungs (Key 1) inside the chest wall (Key 2) and diaphragm (Key 3). The lungs are connected
to the airway (Key 4). The elastance of the lungs tries to act to shrink them (shown by the arrows), similarly to a
stretched balloon trying to shrink in volume. The elastance of the chest acts by trying to expand it. Thus, in the
absence of muscle effort, the forces on the chest and lungs oppose each other and will, at some volume, be
equal and opposite and come to a position of rest. The lung volume at which this happens is referred to as the
relaxation volume. During an inhalation the chest wall expands and the diaphragm (Key 3) moves downwards.
Key
1 lungs
2 chest wall
3 diaphragm
4 airway
Figure 1 — Schematic cross-section of a person’s chest and lungs
Figure 2 illustrates/defines changes in breathing. An inspiration is shown to start at point A and the lung volume
increases until it reaches its end, point B, where the following expiration starts. The volume difference between
points A and B is the size of the breath, referred to as the tidal volume.
A maximum inspiration is shown at point C and a maximum expiration at point D. The volume difference
between these two points is the maximum volume change achievable and is referred to as the vital capacity,
VC. The range of VC varies from 3 l to 6 l and depends on a person’s age, height and gender. Even with
a maximum expiratory effort some volume remains in the lungs. Had the lungs been able to be emptied
completely the volume illustrated by line E would have been reached.
Point A is the point where the respiratory muscles are relaxed and that volume is referred to as “relaxation
volume”. Another term used for this point is “expiratory reserve volume”, ERV, which can be calculated as
the difference between points A and D. A third term used is “functional residual capacity”, FRC, which is the
volume difference between points A and E.
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ISO/TS 16976-4:2012(E)
Key
X time
Y lung volume
A start of an inspiration
B end of an inspiration and start of the following expiration
C maximum inspiration
D maximum expiration
E lungs and chest completely empty
Figure 2 — Definitions of volume changes
In order to inhale, effort is required to overcome the combined elastance of the chest and lungs, as well as the
flow resistance in the airways. Figure 3 illustrates the pressure generated and the resulting volume changes.
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ISO/TS 16976-4:2012(E)
Key
X alveolar pressure, in kPa
Y volume, in percent of VC
A start of an inspiration and end of the following expiration
B end of an inspiration and start of the following expiration
C point on the elastance line partway through an inspiration
D point on the combined elastance and pressure drop line during an inspiration
E point on the combined elastance and pressure drop line during an expiration
NOTE The interrupted line is not a straight line but becomes less steep at low and high volume.
Figure 3 — Lung volume versus pressure in the absence of an RPD (see 4.1 for details)
For a person, the muscles generate the pressure which in turn generates a change in lung volume. Therefore,
the pressure is the independent variable and the volume is the dependent one. It is the opposite for an RPD,
for which it is the change in volume in the lungs (i.e. gas flow) that generates pressure across a flow resistance.
At the beginning of the inspiration (point A in Figure 3) no pressure is generated, i.e. it is the relaxation volume.
At the end of the inspiration (point B) the greatest volume has been achieved, called the tidal volume, V . The
T
interrupted line shows the interaction of the pressures and volumes from the combined elastance of the chest
and lungs. For instance, at point C the elastance requires a pressure of about 0,8 kPa to change the volume to
about 50 % of VC; values given are based on a VC of 4 l and a typical textbook value for elastance of 1 kPa/l.
The lower solid line ADB shows the total pressure (elastance plus pressure due to flow resistance) generated
by the respiratory muscles and the resulting change in volume during the inspiration. The expiration follows
the upper solid line BEA. To reach the volume of 50 % VC during inspiration (point D), a total pressure of about
1,3 kPa is required. This is the sum of the pressure of about 0,8 kPa required for the total elastance, p , and an
el
additional 0,5 kPa (approximately) for the flow resistance of the airway, p . Towards the end of the inspiration
aw
the flow slows down and the pressure drop due to flow resistance decreases and the inspiration ends at point
B where there is no flow. The tidal volume becomes 70 % VC – 30 % VC = 40 % VC. The inspiratory and
expiratory curves combine to form a volume-pressure loop.
At the end of the inspiration (point B) pressure is stored due to the total elastance. During low breathing rates
this pressure is sufficient to move the gas out during the following expiration. Thus, such an expiration is said
to be passive because the expiratory muscles are inactive. However, the inspiratory muscles are active by
controlling the flow. When more ventilation is desired, the pressure due to elastance is not sufficient and the
expiratory muscles take an active part.
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ISO/TS 16976-4:2012(E)
4.2 The effect of RPD flow resistance on pressure and volume changes while using an RPD
An RPD imposes additional flow resistance. This external flow resistance is present both during inspiration
and expiration, but does not have to be of the same magnitude. For instance, an unassisted filtering RPD
will generally have a larger inspiratory flow resistance. Figure 4 illustrates how the internal and external flow
resistances add up. The pressure needed to achieve a volume of 50 % VC is now the pressure at point E. At
this point, the external, inspiratory flow resistance requires an additional pressure increase by about 0,7 kPa
p for a total pressure of about 2 kPa (p + p + p ).
i,ext el aw i,ext
Key
X alveolar pressure, in kPa
Y volume, in percent of VC
A start of an inspiration and end of the following expiration
B end of an inspiration and start of the following expiration
C point on the elastance line partway through an inspiration
D point on the combined line for elastance and internal pressure drop during an inspiration
E point on the combined line for elastance and pressure drop (internal and external) during an inspiration
F point during an expiration where expiratory muscles start to generate pressure to continue expiration
G point during expiration, beyond point F, where the expiratory muscles generate pressure
Figure 4 — Lung volume versus pressure in the presence of an RPD (see 4.2 for details)
4.3 The effect of RPD with static pressure on pressure and volume changes while using
an RPD
Some RPD are designed to have a positive pressure to improve protection against contaminants. Figure 5
illustrates how such a pressure influences lung mechanics. For this illustration, a static pressure (i.e. the
pressure in the RPD in the absence of gas flow) of +0,5 kPa is assumed. Without the positive pressure, an
inspiration starts a
...
SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 16976-4
Première édition
2012-06-15
Appareils de protection respiratoire —
Facteurs humains —
Partie 4:
Travail de respiration et de résistance à la
respiration: limites physiologiques
Respiratory protective devices — Human factors —
Part 4: Work of breathing and breathing resistance: Physiologically
based limits
Numéro de référence
ISO/TS 16976-4:2012(F)
©
ISO 2012
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ISO/TS 16976-4:2012(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2012
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous
quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit
de l’ISO à l’adresse ci-après ou du comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
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Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO/TS 16976-4:2012(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes, définitions, symboles et abréviations . 1
3.1 Termes et définitions . 1
3.2 Symboles et abréviations . 2
4 Variations de pression et de pression pendant la respiration . 2
4.1 Variations de pression et de volume en l’absence d’un APR . 2
4.2 Effet de la résistance au débit d’air d’un APR sur les variations de pression et de volume lors
de l’utilisation d’un APR . 6
4.3 Effet d’un APR avec pression statique sur les variations de pression et de volume lors de
l’utilisation d’un APR . 6
4.4 Effet de la résistance au débit d’air et de la pression statique d’un APR sur les variations de
pression et de volume lors de l’utilisation d’un APR . 7
4.5 Effets d’une pression statique élevée . 8
5 Travail respiratoire (W ) . 8
OB
5.1 Travail physiologique contre travail physique . 8
5.2 Calculs du travail inspiratoire . 9
5.3 Calculs du travail expiratoire .10
5.4 Calculs du travail expiratoire total .10
5.5 Résistance respiratoire .12
5.6 Travail respiratoire physiologiquement acceptable .12
6 Autres charges respiratoires .14
6.1 Charge statique .14
6.2 Charges élastiques .14
6.3 Autres charges .14
6.4 Cumul des charges respiratoires .15
7 Synthèse .15
Bibliographie .16
© ISO 2012 – Tous droits réservés iii
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ISO/TS 16976-4:2012(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales,
en liaison avec l’ISO participent également aux travaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités membres votants.
Dans d’autres circonstances, en particulier lorsqu’il existe une demande urgente du marché, un comité
technique peut décider de publier d’autres types de documents:
— une Spécification publiquement disponible ISO (ISO/PAS) représente un accord entre les experts dans un
groupe de travail ISO et est acceptée pour publication si elle est approuvée par plus de 50 % des membres
votants du comité dont relève le groupe de travail;
— une Spécification technique ISO (ISO/TS) représente un accord entre les membres d’un comité technique
et est acceptée pour publication si elle est approuvée par 2/3 des membres votants du comité.
Une ISO/PAS ou ISO/TS fait l’objet d’un examen après trois ans afin de décider si elle est confirmée pour trois
nouvelles années, révisée pour devenir une Norme internationale, ou annulée. Lorsqu’une ISO/PAS ou ISO/TS
a été confirmée, elle fait l’objet d’un nouvel examen après trois ans qui décidera soit de sa transformation en
Norme internationale soit de son annulation.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO/TS 16976-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 94, Sécurité individuelle — Vêtements et
équipements de protection, sous-comité SC 15, Appareils de protection respiratoire.
L’ISO/TS 16976 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Appareils de protection
respiratoire — Facteurs humains:
— Partie 1: Régimes métaboliques et régimes des débits respiratoires
— Partie 2: Anthropométrie
— Partie 3: Réponses physiologiques et limitations en oxygène et en gaz carbonique dans l’environnement
respiratoire
— Partie 4: Travail de respiration et de résistance respiratoire: limites physiologiques
Les futures parties sont en cours d’élaboration :
— Partie 5: Effets thermiques
— Partie 7: Discours et audition
— Partie 8: Facteurs ergonomiques
iv © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO/TS 16976-4:2012(F)
Introduction
Un appareil de protection respiratoire (APR) est destiné à assurer la protection contre l’inhalation de substances
dangereuses. Cependant, cette protection nécessite un effort supplémentaire de la part des muscles
respiratoires car ils doivent produire des pressions plus élevées pour compenser les charges respiratoires
associées imposées par l’APR.
© ISO 2012 – Tous droits réservés v
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 16976-4:2012(F)
Appareils de protection respiratoire — Facteurs humains —
Partie 4:
Travail de respiration et de résistance à la respiration: limites
physiologiques
1 Domaine d’application
La présente Spécification technique décrit la manière de calculer le travail que les muscles respiratoires d’une
personne doivent fournir avec et sans les difficultés respiratoires externes imposées par tous les types d’APR, à
l’exception des appareils de plongée. Le présent document décrit les limites des difficultés supplémentaires que
les personnes peuvent tolérer et contient les valeurs pouvant être utilisées pour évaluer l’acceptabilité d’un APR.
NOTE Quelques ouvrages traitant de physiologie respiratoire expliquent ces calculs (en l’absence d’un APR), mais
la plupart d’entre eux ne les mentionnent pas ou fournissent des explications incomplètes.
2 Références normatives
Les documents ci-après, dans leur intégralité ou non, sont des références normatives indispensables
à l’application du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 16972, Appareils de protection respiratoire — Termes, définitions, symboles graphiques et unités de mesure
ISO/TS 16976-1, Appareils de protection respiratoire — Facteurs humains — Partie 1: Régimes métaboliques
et régimes des débits respiratoires
3 Termes, définitions, symboles et abréviations
3.1 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 16972 ainsi que les suivants
s’appliquent.
3.1.1
température du corps à pression saturée
BTPS
condition normale pour l’expression des paramètres de ventilation
NOTE 1 Température corporelle (37 °C), pression atmosphérique et pression de vapeur d’eau (6,27 kPa) dans un air saturé.
NOTE 2 Adapté de l’ISO 16972.
3.1.2
compliance
-1
variation du volume pulmonaire humain résultant d’une variation de pression, mesurée en l⋅kPa
NOTE Ce terme est le terme type pour le comportement élastique des poumons et de la poitrine. La compliance est
l’inverse de l’élastance.
© ISO 2012 – Tous droits réservés 1
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ISO/TS 16976-4:2012(F)
3.1.3
élastance
-1
variation de pression résultant d’une variation d’un volume pulmonaire humain donné, mesurée en kPa⋅l
NOTE Ce terme est le terme type pour le comportement élastique d’un APR. L’élastance est l’inverse de la compliance.
3.1.4
volume de relaxation
volume pulmonaire lorsque les muscles respiratoires sont relâchés, c’est-à-dire le volume au début d’une
inspiration, également connu en tant que «capacité résiduelle fonctionnelle (CRF)» et «volume de réserve
expiratoire (VRE)»
3.1.5
volume courant
V
T
volume à chaque respiration, mesuré en litres aux conditions BTPS
3.1.6
capacité vitale
CV
volume de la plus grande respiration qu’une personne peut prendre, c’est-à-dire la différence de volume entre
une inspiration maximale et une expiration maximale, mesurée en litres aux conditions BTPS
3.1.7
travail respiratoire
W
OB
travail requis pour un cycle respiratoire complet, mesuré en Joules
NOTE Adapté de l’ISO 16972.
3.1.8
travail respiratoire par volume courant
W /V
OB T
W normalisé (équivalent à la pression moyenne sur le volume), mesuré en Joules par litre = kPa
OB
3.2 Symboles et abréviations
BTPS température du corps à pression saturée
VRE volume de réserve expiratoire
CRF capacité résiduelle fonctionnelle
APR appareil de protection respiratoire
CV capacité vitale
W travail respiratoire
OB
p pression nécessaire pour surmonter l’élastance
el
p pression nécessaire pour surmonter la résistance au débit d’air des voies respiratoires
aw
p pression nécessaire pour surmonter la résistance inspiratoire au débit d’air de l’APR
i,ext
4 Variations de pression et de pression pendant la respiration
4.1 Variations de pression et de volume en l’absence d’un APR
Lors d’une inspiration, les muscles inspiratoires se contractent entraînant une augmentation du volume du
thorax et un aplatissement du diaphragme. Cette action provoque l’augmentation du volume des poumons.
2 © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO/TS 16976-4:2012(F)
Même en l’absence de résistance au débit d’air, une certaine pression est nécessaire pour augmenter le
volume du thorax et des poumons. Le terme utilisé en physiologie respiratoire pour ce comportement
élastique est la compliance. Le terme «compliance» est également utilisé dans les domaines juridique et
réglementaire; par conséquent, pour éviter toute confusion, on utilisera, à sa place, dans le reste du document,
le terme «élastance». Par définition, l’élastance est l’inverse de la compliance. L’élastance décrit le niveau
de variation d’un matériau élastique lorsqu’une force ou une pression est appliquée.
La Figure 1 illustre les poumons (repère 1) à l’intérieur de la cage thoracique (repère 2) et le diaphragme
(repère 3). Les poumons sont reliés aux voies respiratoires (repère 4). L’élastance des poumons tente d’agir
pour les rétracter (sens indiqué par les flèches), à la manière d’un ballon gonflé qui tente de se rétracter afin
de réduire son volume. L’élastance du thorax agit pour tenter d’augmenter leur volume. Ainsi, en l’absence
d’effort musculaire, les forces qui s’exercent sur le thorax et les poumons s’opposent entre elles et, à un certain
volume, seront égales et opposées et conduiront à une position de repos. Le volume pulmonaire auquel cela
se produit est désigné par «volume de relaxation». Lors d’une inspiration, le thorax augmente de volume et le
diaphragme (repère 3) descend.
Légende
1 poumons
2 cage thoracique
3 diaphragme
4 voies respiratoires
Figure 1 — Représentation schématique du thorax et des poumons d’une personne (vue en coupe
transversale)
La Figure 2 illustre/définit les variations se produisant lors de la respiration. L’illustration montre qu’une
inspiration commence au point A et que le volume pulmonaire augmente jusqu’à ce qu’il atteigne le point B, où
l’expiration suivante commence. La différence de volume entre les points A et B est le volume de la respiration,
désigné par «volume courant».
Une inspiration maximale est indiquée comme le point C et une expiration maximale comme le point D. La
différence de volume entre ces deux points correspond à la variation de volume maximale envisageable et est
désignée comme la capacité vitale, CV. La plage de CV varie de 3 l à 6 l et dépend de l’âge, de la taille et du
sexe de la personne. Même avec un effort expiratoire maximal, un certain volume reste dans les poumons. Si
les poumons pouvaient être complètement vidés, le volume représenté par la ligne E serait atteint.
Le point A est celui où les muscles respiratoires sont relâchés et le volume concerné est désigné par «volume
de relaxation». Pour désigner ce point, on utilise également le terme «volume de réserve expiratoire», VRE,
qui peut être calculé comme la différence entre les points A et D. Le troisième terme employé est la capacité
résiduelle fonctionnelle, CRF, qui représente la différence de volume entre les points A et E.
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Légende
X temps
Y volume pulmonaire
A début d’une inspiration
B fin d’une inspiration et début de l’expiration suivante
C inspiration maximale
D expiration maximale
E poumons et thorax complètement vides
Figure 2 — Définitions des variations de volumes
Pour inspirer, un effort est nécessaire pour venir à bout de l’élastance combinée de la cage thoracique et des
poumons, ainsi que de la résistance au débit d’air dans les voies respiratoires. La Figure 3 illustre la pression
générée et les variations de volume qui en résultent.
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Légende
X pression alvéolaire, en kPa
Y volume, en pourcentage de CV
A début d’une inspiration et fin de l’expiration suivante
B fin d’une inspiration et début de l’expiration suivante
C un point sur la ligne d’élastance lors d’une inspiration
D un point sur la ligne combinée d’élastance et de chute de pression lors d’une inspiration
E un point sur la ligne combinée d’élastance et de chute de pression lors d’une expiration
NOTE La ligne tiretée n’est pas une droite mais sa pente devient moins abrupte à volume faible et à volume élevé.
Figure 3 — Volume pulmonaire en fonction de la pression en l’absence d’un APR
(voir 4.1 pour les détails)
Pour une personne, les muscles génèrent la pression qui, à son tour, génère une variation du volume pulmonaire.
Par conséquent, la pression représente la variable indépendante et le volume représente la variable dépendante.
C’est le contraire qui se produit pour un APR car, pour celui-ci, c’est la variation de volume dans les poumons
(c’est-à-dire le débit de gaz) qui génère une pression due à la résistance au débit d’air. Au début de l’inspiration
(point A dans la Figure 3), aucune pression n’est générée, c’est-à-dire qu’il s’agit du volume de relaxation. A la
fin de l’inspiration (point B), le volume le plus élevé a été atteint; il s’agit du volume courant, V . La ligne tiretée
T
représente l’interaction des pressions et des volumes à partir de l’élastance combinée de la cage thoracique et
des poumons. Par exemple, au point C, l’élastance nécessite une pression d’environ 0,8 kPa pour faire varier
le volume jusqu’à environ 50 % de la CV; les valeurs données sont fondées sur une CV de 4 litres et une valeur
-1
théorique type d’élastance de 1 kPa⋅l . La ligne inférieure en trait plein ADB représente la pression totale
(élastance plus pression due à la résistance au débit d’air) générée par les muscles respiratoires et la variation
de volume résultante lors de l’inspiration. L’expiration suit la ligne supérieure en trait plein BEA. Pour atteindre le
volume de 50 % de la CV au cours de l’inspiration (point D), une pression totale d’environ 1,3 kPa est nécessaire.
Il s’agit de la somme de la pression d’environ 0,8 kPa requise pour l’élastance totale, p . et d’une pression
el
supplémentaire d’environ 0,5 kPa pour la résistance au débit d’air des voies respiratoires, p . Vers la fin de
aw
l’inspiration, le débit diminue et la baisse de pression due à la résistance au débit d’air décroît et l’inspiration
prend fin au point B où il n’y a aucun débit. Le volume courant devient 70 % de la CV – 30 % de la CV = 40 % de
la CV. Les courbes inspiratoire et expiratoire se combinent pour former une boucle volume-pression.
A la fin de l’inspiration (point B), la pression est conservée en raison de l’élastance totale. Lors de respirations
à faibles débits, cette pression est suffisante pour expulser le gaz lors de l’expiration suivante. Ainsi, une telle
expiration est dite passive parce que les muscles expiratoires sont inactifs. Cependant, les muscles inspiratoires
sont actifs par contrôle du débit d’air. Lorsqu’une ventilation plus importante est requise, la pression due à
l’élastance n’est pas suffisante et les muscles expiratoires doivent participer activement.
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4.2 Effet de la résistance au débit d’air d’un APR sur les variations de pression et de vol-
ume lors de l’utilisation d’un APR
Un APR impose une résistance supplémentaire au débit d’air. Cette résistance au débit d’air externe est
présente aussi bien lors de l’inspiration que de l’expiration, mais il n’est pas nécessaire qu’elle soit de même
ordre de grandeur. Par exemple, un APR à filtration non assistée aura une plus grande résistance au débit
d’air à l’inspiration. La Figure 4 montre comment les résistances au débit d’air interne et externe s’ajoutent.
La pression nécessaire pour atteindre un volume de 50 % de CV correspond à présent à la pression au
point E. En ce point, la résistance externe au débit d’air à l’inspiration nécessite une pression supplémentaire
augmentée d’environ 0,7 kPa p pour une pression totale d’environ 2 kPa (p + p + p ).
i,ext el aw i,ext
Légende
X pression alvéolaire, en kPa
Y volume, en pourcentage de CV
A début d’une inspiration et fin de l’expiration suivante
B fin d’une inspiration et début de l’expiration suivante
C un point sur la ligne d’élastance lors d’une inspiration
D un point sur la ligne combinée d’élastance et de chute de pression interne lors d’une inspiration
E un point sur la ligne combinée d’élastance et de chute de pression (interne et externe) lors d’une inspiration
F le point lors d’une expiration au niveau duquel les muscles expiratoires doivent commencer à générer une pression
pour poursuivre l’expiration
G un point lors de l’expiration, situé au-delà du point F, au niveau duquel les muscles expiratoires génèrent une pression
Figure 4 — Volume pulmonaire en fonction de la pression en présence d’un APR (voir 4.2 pour les détails)
4.3 Effet d’un APR avec pression statique sur les variations de pression et de volume lors
de l’utilisation d’un APR
Certains APR sont conçus de manière à avoir une pression positive pour améliorer la protection contre les
contaminants. La Figure 5 montre comment une telle pression influe sur la mécanique pulmonaire. Pour cette
illustration, on suppose une pression statique (c’est-à-dire la pression dans l’APR en l’absence de débit de
gaz) de + 0,5 kPa. Sans la pression positive, une inspiration commence au point A. La pression statique de
0,5 kPa déplace le nouveau volume de relaxation (point A’) horizontalement. La courbe d’élastance détermine
le mouvement vertical qui devient égal à 10 % de CV. De ce fait, cette pression statique suffit à déplacer le
volume de relaxation de 30 % de CV à 40 % de CV.
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Légende
X pression alvéolaire, en kPa
Y volume, en pourcentage de CV
A début d’une inspiration
A′ début d’une inspiration avec une pression statique positive
Figure 5 — Volume pulmonaire en fonction de la pression en présence d’un APR avec pression
statique (voir 4.3 pour les détails)
4.4 Effet de la résistance au débit d’air et de la pression statique d’un APR sur les varia-
tions de pression et de volume lors de l’utilisation d’un APR
Pour ce type d’APR, la pression statique fait varier le volume de relaxation. Si l’on utilise les nombres issus
de l’exemple donné en 4.3 et en Figure 5, le nouveau point de départ se situe à 40 % de CV. La Figure 6
représente la courbe de variation du volume en fonction de la pression. La comparaison entre les Figures 4
et 6 permet de noter que la seule différence notable se situe au niveau des points de début et de fin (A’ et B’).
Dans la mesure où A’ représente le volume de relaxation, la pression engendrée par les muscles respiratoires
est nulle. Toutefois, la pression mesurée dans l’APR devrait être de 0,5 kPa.
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Légende
X pression alvéolaire (par rapport à la pression de relaxation), en kPa
Y volume, en pourcentage de CV
Figure 6 — Volume pulmonaire en fonction de la présence d’un APR avec résistance au débit d’air et
pression statique (voir 4.5 pour les détails)
4.5 Effets d’une pression statique élevée
Comme le montre la Figure 6, une pression statique élevée déplace la fin d’une respiration (B’) vers des
volumes pulmonaires plus élevés et limite le volume courant au fur et à mesure que le point B’ s’approche de
100 % de CV. En outre, à des volumes pulmonaires élevés, les poumons et la cage thoracique deviennent
moins élastiques et il devient de plus en plus difficile d’atteindre le volume requis à la fin de l’inspiration. Il a été
démontré que les personnes pouvaient résister à la variation de volume imposée par des pressions statiques,
[7][10]
aussi bien positives que négatives . La variation de volume se limite au tiers ou à la moitié de la variation
de volume qui aurait dû réellement se produire. Cela signifie que les muscles respiratoires sont actifs et qu’ils
génèrent la pression nécessaire pour résister à la pression statique imposée. Une telle activité musculaire
constitue une charge physiologique.
La pression diastolique type (c’est-à-dire la pression entre les battements du cœur) dans la circulation sanguine
[3][15]
dans le poumon est comprise entre 0,7 kPa et 1,1 kPa (voir ). Par conséquent, une pression positive
excessive peut aussi avoir des effets indésirables en réduisant le débit sanguin dans les poumons et donc le
retour veineux. Des pressions statiques élevées rendront également l’expiration plus difficile en augmentant
le travail des muscles expiratoires.
5 Travail respiratoire (W )
OB
5.1 Travail physiologique contre travail physique
5.1.1 Généralités
Il existe une différence entre le travail physiologique et le travail physique. Cela s’observe notamment lors d’un
travail statique ou lorsque le travail est effectué sur des matériaux élastiques.
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5.1.2 Travail statique
Un travail statique est effectué lorsqu’un muscle est actif mais ne provoque aucun mouvement, par exemple
lorsqu’un bras est maintenu en extension. Ce type de travail peut être fatiguant. Il y a un travail physiologique
puisque le muscle consomme de l’énergie. Cependant, d’un point de vue physique, aucun travail n’est effectué
puisqu’ il n’y a pas de mouvement.
5.1.3 Travail élastique
Un travail physiologique est également effectué contre les matériaux élastiques. Cas d’un élastique: lorsque
l’élastique est étiré, de l’énergie est emmagasinée puis restituée lorsque l’élastique retrouve sa longueur initiale.
Par conséquent, aucun travail physique net n’a été effectué. Si un muscle est utilisé pour étirer cet élastique,
l’effort est donc fourni par le muscle. Lorsqu’on laisse l’élastique retrouver sa longueur initiale de manière
maîtrisée (sans le relâcher brusquement), un effort supplémentaire est fourni. En d’autres termes, l’énergie
emmagasinée dans l’élastique n’est pas restituée au muscle. Au contraire, de l’énergie est consommée aussi
bien durant la phase d’étirement de l’élastique que durant la phase de relâchement. Dans la mesure où la force
est toujours appliquée dans la même direction, mais que la direction du mouvement résultant varie lorsque
l’élastique retrouve sa longueur initiale, le produit peut être soit positif, soit négatif.
5.1.4 Travail physique positif et négatif
D’un point de vue physique, un travail négatif peut être perçu comme une restitution d’énergie. Cependant,
d’un point de vue physiologique, le travail physique positif et le travail physique négatif coûtent tous deux
de l’énergie. Le coût physiologique du travail négatif est inférieur à celui du travail positif (par exemple, voir
Références [1] et [9]).
5.2 Calculs du travail inspiratoire
Le travail inspiratoire peut être calculé à partir des enregistrements de pression et du volume résultant. Le
travail peut être divisé en trois parties: travail contre l’élastance, la résistance au débit d’air interne et externe,
la résistance au débit d’air à l’inspiration. Le travail contre l’élastance peut être vu dans la Figure 7 comme
le triangle formé par les points ACBFA. Le travail contre la résistance au débit d’air interne est représenté
comme la zone formée par les points ADBCA. De même, le travail contre la résistance externe au débit d’air
à l’inspiration est représenté comme la zone définie par les points AEBDA. Ainsi, le travail total (physique et
physiologique) de l’inspiration est la zone définie par les points AEBFA.
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Légende
X pression alvéolaire, en kPa
Y volume, en pourcentage de CV
A début d’une inspiration et fin de l’expiration suivante
B fin d’une inspiration et début de l’expiration suivante
C un point sur la ligne d’élastance lors d’une inspiration
D un
...
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