ISO/TS 16976-4:2019
(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
This document 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 Document 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.
Appareils de protection respiratoire — Facteurs humains — Partie 4: Travail de respiration et résistance respiratoire: limites physiologiques
Le présent document 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.
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Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 16976-4
Second edition
2019-03
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 16976-4:2019(E)
©
ISO 2019
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ISO/TS 16976-4:2019(E)
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be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
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Published in Switzerland
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ISO/TS 16976-4:2019(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 2
5 Pressure and volume changes during breathing . 3
5.1 Pressure and volume changes in the absence of an RPD . 3
5.2 The effect of RPD flow resistance on pressure and volume changes while using an RPD . 6
5.3 The effect of RPD with static pressure on pressure and volume changes while
using an RPD . 6
5.4 The effect of RPD flow resistance and static pressure on pressure and volume
changes while using an RPD . 7
5.5 Effects of high static pressure . 7
6 Work of breathing (WOB). 8
6.1 Physiological work versus physical work . 8
6.1.1 General. 8
6.1.2 Static work . 8
6.1.3 Elastic work . 8
6.1.4 Positive and negative physical work . 9
6.2 Calculations of inspiratory WOB . 9
6.3 Calculations of expiratory WOB . 9
6.4 Calculations of total WOB .10
6.4.1 Calculations of the wearer’s WOB while using an RPD .10
6.4.2 Calculations of WOB for an RPD only .10
6.5 Breathing resistance .11
6.6 Physiologically acceptable WOB .11
7 Other respiratory loads .13
7.1 Static load .13
7.2 Elastic loads .13
7.3 Other loads .13
7.4 How respiratory loads add up .13
8 Summary .14
Bibliography .15
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ISO/TS 16976-4:2019(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.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
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. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso
.org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 94, Personal safety — Personal protective
equipment, Subcommittee SC 15, Respiratory protective devices.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO/TS 16976-4:2012), which has been
technically revised. The main changes compared to the previous edition are as follows:
a) adjustment of key-points in Figures 3, 4 and 7 to correspond with the 50 %-reference line;
b) adjustment of keys in Figures 3, 4, 7 and 8;
c) adjustment of Figures 3, 4 and 6;
d) clarification on flow resistance and elastic load given in 7.4.
A list of all parts in the ISO/TS 16976 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
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ISO/TS 16976-4:2019(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 16976-4:2019(E)
Respiratory protective devices — Human factors —
Part 4:
Work of breathing and breathing resistance:
Physiologically based limits
1 Scope
This document 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 Document 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 documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements 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 — Definitions of terms pictograms
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 16972 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
body temperature pressure saturated
BTPS
standard condition for the expression of ventilation parameters
Note 1 to entry: Body temperature (37 °C), ambient pressure and water vapour pressure (6,27 kPa) in saturated air.
3.2
compliance
change in volume of the human lung that results from a change in pressure
Note 1 to entry: The compliance is measured in l/kPa.
Note 2 to entry: This term is the typical term for the elastic behaviour of the lungs and chest. Compliance is the
inverse of elastance.
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ISO/TS 16976-4:2019(E)
3.3
elastance
change in pressure that results from a given volume change of the human lung
Note 1 to entry: The elastance is measured in kPa/l.
Note 2 to entry: This term is the typical term for the elastic behaviour of an RPD. Elastance is the inverse of
compliance.
3.4
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)
3.5
tidal volume
V
T
volume of a breath
Note 1 to entry: The tidal volume is measured in litres BTPS.
3.6
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
Note 1 to entry: The vital capacity is measured in litres BTPS.
3.7
work of breathing
WOB
work required for an entire breathing cycle
Note 1 to entry: The work in breathing is measured in Joules.
3.8
work of breathing per tidal volume
WOB/V
T
normalized WOB (equivalent to volume-averaged pressure)
Note 1 to entry: The work in breathing per tidal volume is measured in Joules per litre = kPa.
4 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
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ISO/TS 16976-4:2019(E)
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
5 Pressure and volume changes during breathing
5.1 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 document will use the
term elastance instead. See Note 2 to entry of 3.3, "elastance is the inverse of compliance". Elastance
describes how much an elastic material changes when a force or a pressure is applied.
Figure 1 shows the lungs (item 1) inside the chest wall (item 2) and diaphragm (item 3). The lungs are
connected to the airway (item 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 (item 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.
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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.
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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Key
X alveolar pressure, in kPa
Y volume, in percent of VC
A start of an inspiration and end of the previous 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
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 interrupted line shows the interaction of the pressures
T
and volumes from the combined elastance of the chest and lungs. For example, at point C the volume
has changed from about 30 % of VC (at point A) to about 50 % of VC. The volume change could then be
0,9 l. With a typical textbook value for elastance of 1 kPa/l, the elastance requires a pressure change
of about 0,9 kPa. 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 0,9 kPa required for the total elastance, p , and an additional 0,5 kPa (approximately) for the flow
el
resistance of the airway, p . Towards the end of the inspiration the flow slows down and the pressure
aw
drop due to flow resistance decreases and the inspiration ends at point B where there is no flow. Thus,
the pressure at point B is only due to the elastance. The tidal volume becomes 70 % VC – 30 % VC = 40 %
VC, giving a resulting pressure of (0,40 × 4) l × 1 kPa/l = 1,6 kPa. 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 16976-4:2019(E)
5.2 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 inspirati
...
SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 16976-4
Deuxième édition
2019-03
Appareils de protection
respiratoire — Facteurs humains —
Partie 4:
Travail de respiration et résistance
respiratoire: limites physiologiques
Respiratory protective devices — Human factors —
Part 4: Work of breathing and breathing resistance: Physiologically
based limits
Numéro de référence
ISO/TS 16976-4:2019(F)
©
ISO 2019
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ISO/TS 16976-4:2019(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, 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, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Fax: +41 22 749 09 47
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Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés
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ISO/TS 16976-4:2019(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et abréviations . 2
5 Variations de pression et de volume pendant la respiration . 3
5.1 Variations de pression et de volume en l’absence d’un APR . 3
5.2 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
5.3 Effet d’un APR avec pression statique sur les variations de pression et de volume
lors de l’utilisation d’un APR . 7
5.4 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
5.5 Effets d’une pression statique élevée . 7
6 Travail respiratoire (WOB) . 8
6.1 Travail physiologique contre travail physique. 8
6.1.1 Généralités . 8
6.1.2 Travail statique . 8
6.1.3 Travail élastique . 9
6.1.4 Travail physique positif et négatif . 9
6.2 Calculs du travail inspiratoire . 9
6.3 Calculs du travail expiratoire .10
6.4 Calculs du travail expiratoire total .10
6.4.1 Calculs du travail respiratoire fourni par la personne portant un APR .10
6.4.2 Calculs du travail respiratoire pour un APR seulement .11
6.5 Résistance respiratoire .12
6.6 Travail respiratoire physiologiquement acceptable .12
7 Autres charges respiratoires .14
7.1 Charge statique .14
7.2 Charges élastiques .15
7.3 Autres charges .15
7.4 Cumul des charges respiratoires .15
8 Synthèse .16
Bibliographie .17
© ISO 2019 – Tous droits réservés iii
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ISO/TS 16976-4:2019(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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L’attention est attirée 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. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 94, Sécurité individuelle — Équipement
de protection individuelle, sous-comité SC 15, Appareils de protection respiratoire.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO/TS 16976-4:2012), qui a fait l’objet
d’une révision technique. Les principales modifications par rapport à l’édition précédente sont les
suivantes:
a) rectification des points-clés dans les Figures 3, 4 et 7 pour correspondre à la ligne de référence
de 50 %;
b) rectification des légendes dans les Figures 3, 4, 7 et 8;
c) rectification des Figures 3, 4 et 6;
d) clarification sur la résistance au débit d’air et la charge élastique indiqués en 7.4.
Une liste de toutes les parties de la série ISO/TS 16976 se trouve sur le site web de l’ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
iv © ISO 2019 – Tous droits réservés
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ISO/TS 16976-4:2019(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 2019 – Tous droits réservés v
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 16976-4:2019(F)
Appareils de protection respiratoire — Facteurs
humains —
Partie 4:
Travail de respiration et résistance respiratoire: limites
physiologiques
1 Domaine d’application
Le présent document 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 suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences 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 — Définitions de termes et pictogrammes
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l’ISO 16972 ainsi que les suivants,
s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse http: //www .iso .org/obp;
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http: //www .electropedia .org/.
3.1
température du corps à pression saturée
BTPS
condition corporelle pour l’expression des paramètres de ventilation
Note 1 à l'article: Température corporelle (37 °C), pression atmosphérique et pression de vapeur d’eau (6,27 kPa)
dans un air saturé.
3.2
compliance
variation du volume pulmonaire humain résultant d’une variation de pression
Note 1 à l'article: La compliance est mesurée en l/kPa.
© ISO 2019 – Tous droits réservés 1
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ISO/TS 16976-4:2019(F)
Note 2 à l'article: Ce terme est le terme type pour le comportement élastique des poumons et de la poitrine. La
compliance est l’inverse de l’élastance.
3.3
élastance
variation de pression résultant d’une variation d’un volume pulmonaire humain donné
Note 1 à l'article: L’élastance est mesurée en kPa/l.
Note 2 à l'article: Ce terme est le terme type pour le comportement élastique d’un APR. L’élastance est l’inverse de
la compliance.
3.4
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)»
3.5
volume courant
V
T
volume à chaque respiration
Note 1 à l'article: Le volume courant est mesuré en litres aux conditions BTPS.
3.6
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
Note 1 à l'article: La capacité vitale est mesurée en litres aux conditions BTPS.
3.7
travail respiratoire
WOB
travail requis pour un cycle respiratoire complet
Note 1 à l'article: Le travail respiratoire est mesuré en Joules.
3.8
travail respiratoire par volume courant
WOB/V
T
WOB normalisé (équivalent à la pression moyenne sur le volume)
Note 1 à l'article: Le travail respiratoire par volume courant est mesuré en Joules par litre = kPa.
4 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
WOB travail respiratoire
2 © ISO 2019 – Tous droits réservés
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ISO/TS 16976-4:2019(F)
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
5 Variations de pression et de volume pendant la respiration
5.1 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. 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». Voir la Note 2 à l'article de 3.3, «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
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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, il est également utilisé 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.
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 précédente
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
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. À 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 représente l’interaction des pressions et
T
des volumes à partir de l’élastance combinée de la cage thoracique et des poumons. Par exemple, au
point C, le volume a connu une variation, passant d’environ 30 % de la CV (au point A) à environ 50 %
de la CV. La variation de volume pourrait donc être de 0,9 l. En tenant compte d’une valeur théorique
type d’élastance de 1 kPa/l, l’élastance nécessite une variation de pression d’environ 0,9 kPa. 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 0,9 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
aw
fin de 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. Ainsi, la pression au point B est uniquement due
à l’élastance. Le volume courant devient 70 % de la CV – 30 % de la CV = 40 % de la CV, soit une pression
résultante de (0,40 × 4) l × 1 kPa/l = 1,6 kPa. Les courbes inspiratoire et expiratoire se combinent pour
former une boucle volume-pression.
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À 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.
5.2 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
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
i,ext
2 kPa (p + p + p ).
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 précédente
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
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5.3 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.
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
5.4 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
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 5.3 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 des pressions. 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.
5.5 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, 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, aussi bien positives
[8][11]
que négatives . La variation de volume se limite au tiers ou à la moitié de la variation de volume qui
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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
[4][16]
sanguine dans le poumon est comprise entre 0,7 kPa et 1,1 kPa . 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.
Légende
X pression alvéolaire par rapport à la pression de relaxation, en kPa
Y volume, en pourcentage de CV
A’ début d’une inspiration et fin de l’expiration précédente
B’ fin d’une inspiration et début de l’expiration suivante
Figure 6 — Volume pulmonaire en fonction de la présence d’un APR avec résistance au débit
d’air et pression statique
6 Travail respiratoire (WOB)
6.1 Travail physiologique contre travail physique
6.1.1 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.
6.1.2 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 fatigant. 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.
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6.1.3 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 emmaga
...
Questions, Comments and Discussion
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