Physiologie Respiratoire: Ventilation et Mécanique

Physiologie Respiratoire : Ventilation et Mécanique Pulmonaire

Étapes de la respiration

• Ventilation : échange d'air entre l'atmosphère et les alvéoles
• Échange gazeux alvéolo-capillaire : échange d'O₂ et de CO₂ entre les alvéoles et les capillaires pulmonaires
• Transport gazeux : transport de l'O₂ et du CO₂ dans le sang
• Échange gazeux tissulaire : échange d'O₂ et de CO₂ entre les capillaires systémiques et les tissus
• Respiration cellulaire : utilisation cellulaire de l'O₂ et production du CO₂ par la cellule

Mécanique Ventilatoire

• Définition*

• La ventilation traduit le mouvement cyclique de l'air alvéolaire

• La mécanique ventilatoire est l'ensemble des phénomènes permettant la modification du volume pulmonaire

• Lois physiques des gaz*

• L'atmosphère un mélange de gaz et de vapeur d'eau

• Selon la loi de Dalton, la pression totale exercée par un mélange de gaz est la somme des pressions partielles exercées par chaque gaz

• Chaque gaz contribue proportionnellement à la pression totale selon sa fraction. Formule : Ptotale= (F1XPtotale)+(F2XPtotale)

• Caractéristiques de l'air*

• L'air atmosphérique est composé principalement d'azote (N₂) et d'oxygène (O₂)

• Au niveau de la mer, la pression atmosphérique (Patm) ≈ 760 mmHg

• La fraction des gaz dans l'atmosphère se présente comme suit :

  • FO₂: 21%
  • FN₂: 79%
  • FCO₂: 0.03% ≈ 0% (négligeable pour la physiologie respiratoire)

• Les pressions des gaz sont:

  • PO₂ = 0.21 x 760 ≈ 160 mmHg
  • PN₂ = 0.79 x 760 ≈ 600 mmHg

• Dans les conditions standards de température, de pression et de désaturation en vapeur d'eau (STPD), l'air est sec

• Dans les voies respiratoires, l'air est saturé en vapeur d'eau

  • À 37°C, la saturation en vapeur d'eau (PiH₂O) = 47 mmHg
  • La pression inspirée (Pi) se calcule avec la formule: Pi = F₁ x (P atm – 47 mmHg)
  • PiO₂ est d'environ 150 mmHg, PiN₂ est d'environ 563 mmHg

• L'air est saturé en vapeur d'eau à 37 °C dans les conditions BTPS (body temperature and pressure saturated)

• PACO₂ est la pression partielle du CO₂ dans les alvéoles, PaCO₂ est la pression partielle du CO₂ au niveau artériel, et PAO₂ est la pression partielle de l'O₂ dans les alvéoles

• QR est le quotient respiratoire

• L'hypothèse courante est que PACO₂ = PaCO₂ = 40 mmHg

• Le quotient respiratoire (QR) est le rapport de la production de CO₂ par l'organisme sur la consommation d'O₂ par l'organisme. Au repos, QR est de 0,8

• PAO₂ se calcule par la formule: PAO₂ = PiO₂ - (PACO₂/QR) soit, PAO₂ = 102 mmHg

• Cycles respiratoires*

• La respiration est un phénomène cyclique et un cycle comprend une inspiration suivie d'une expiration

• VE = Fr x Vt, où Fr est la fréquence respiratoire et Vt est le volume courant

• La fréquence respiratoire (FR) est le nombre de cycles respiratoires par minute

• FR est de 15 à 20 cycles/min chez l'adulte au repos et 40 à 50 cycles/min chez l'adulte à l'exercice ou au repos sous certaines conditions

• La durée du cycle respiratoire typique est de 4 à 5 secondes chez un adulte au repos et de 1 à 1,5 secondes chez un nouveau-né au repos

• Au repos, le temps inspiratoire (TI) est plus court que le temps expiratoire (TE), avec un rapport de 1 pour 2, indiquant que l'expiration est deux fois plus longue que l'inspiration

• Muscles Respiratoires*

• La contraction et le relâchement des muscles respiratoires sont à l'origine des variations de volume thoracique, assimilé à un cylindre en trois plans: antéro-postérieur, latéral, vertical

• L'inspiration n'est possible que grâce à la contraction des muscles inspiratoires, permettant d'augmenter tous les diamètres de la cage thoracique et grâce à la plèvre

• L'inspiration active est plus courte que l'expiration

• Le diaphragme est le plus important des muscles respiratoires (inspiratoires), il sépare le thorax de l'abdomen. Il est traversé par l'œsophage et l'aorte, et innervé par le nerf phrénique

• Le diaphragme est un muscle strié en forme de double coupole, inséré sur les vertèbres, les côtes (face interne des 6 dernières côtes) et le sternum (appendice xiphoïde)

• Pendant la respiration calme, le centre de la coupole diaphragmatique s'abaisse de 1 à 1,5 cm et la surface du diaphragme est de 250 cm². Cela résulte en une augmentation de volume de 375 ml.

• Ceci représente les ⅔ du volume courant (VT), soit 500 ml

• Lors d'une inspiration forcée, le diaphragme s'abaisse d'environ 10 cm, variant le volume de 2,5 L

• En cas de paralysie du nerf phrénique, la coupole diaphragmatique s'élève pendant l'inspiration : c'est la respiration paradoxale. D'autres muscles inspiratoires compensent le diaphragme

• Les muscles intercostaux externes sont obliques de haut en bas et d'arrière en avant. Leur contraction élève les côtes, les rendant horizontales et projettant le sternum vers l'avant. Cela augmente les diamètres transversal et antéro-postérieur du thorax

• Ils sont innervés par les nerfs intercostaux, leur paralysie réduit de 20% les capacités respiratoires

• Les muscles inspiratoires accessoires, soient, les muscles sterno-cléido-mastoïdiens et les scalènes, n'interviennent qu'en cas de ventilation maximale lors d'un exercice musculaire intense ou d'insuffisance respiratoire

• Les muscles SCM et scalènes élèvent les deux premières côtes lors de l'inspiration profonde

• L'expiration calme est un processus passif, généré par l'élasticité du système thoracique pulmonaire (TP). Les muscles expiratoires interviennent dans l'expiration forcée, au cours d'un effort physique ou en situation pathologique

• Les muscles abdominaux (droit, oblique et transverse) élèvent le diaphragme par la contraction, menant à une une augmentation de la pression abdominale

• Les muscles intercostaux internes, obliques de haut en bas et d'avant en arrière, abaissent les côtes par leur contraction

• Production du débit aérien respiratoire*

• L'air s'écoule en réponse à une différence de pression.

• La pression atmosphérique est relativement constante ≈ 760 mmHg ou 101,3 kPa

• Par convention, La Patm (ou PB) est la pression de référence du système respiratoire, elle équivaut à 0 mmHg

• La pression alvéolaire est variable au cours du cycle respiratoire sous l'effet des variations de volume pulmonaire (Palv, ou PA)

• Le processus d'expiration est un relâchement des muscles inspiratoires

• La pression intrapleurale (Pp) existe

• L'air se déplace des zones de haute pression vers les zones de basse pression

• La ventilation pulmonaire suit la "Loi d'écoulement des masses" : L'air se déplace de zones de haute vers zones de basse pression

• La pression dans les poumons doit être supérieure ou inférieure à Patm pour que l'air circule entre l'atmosphère et les alvéoles

• À température constante, la relation entre la pression et le volume d'un gaz est exprimée par la loi de Boyle et Mariotte : dans un espace clos, P est inversement proportionnelle à V. Formule : P1V1=P2V2

• Durant l'inspiration, la contraction des muscles amène à l'augmentation du volume pulmonaire et, par conséquent, une diminution de la pression

• Durant l'expiration, le processus est inversé, l'élasticité pulmonaire reprend sa place et provoque le relâchement des muscles

Volumes et Capacités Pulmonaires

• Volume courant (VT): 500 ml, volume d'air inspiré et expiré lors d'un cycle respiratoire normal
• Volume de réserve inspiratoire (VRI) : volume d'air supplémentaire lors d'une inspiration forcée
• Volume de réserve expiratoire (VRE) : volume d'air supplémentaire qui peut être expiré après une expiration normale
• Volume résiduel (VR) : quantité d'air restant dans le poumon au décours d'une expiration forcée
• Capacité vitale : Valeur maximale mobilisable entre inspiration et expiration forcée = (VT+VRI+VRE)
• Capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) : quantité d'air restant dans le poumon au décours d'une expiration normale (CRF=VR+VRE)
• Capacité pulmonaire totale (CPT): Somme des tous les volumes pulmonaires: CPT = VR+VRE+VC+VRI = CV+VR= CV + VR

La ventilation et perfusion alvéolaire

• La ventilation minute (VE) est le produit de la fréquence respiratoire (f) par le volume courant (Vt): VE = f x Vt.
• Les deux moyens d'augmenter la ventilation pour répondre aux besoins sont: augmenter la fréquence respiratoire et augmenter le volume courant
• La ventilation minute est un débit ventilatoire qui varie selon l'exercice
• Au repos, la ventilation minute est de 6 l/min, en marche elle est de 15 I/min, en montée d'escalier elle est de 30-40 l/min. Lors d'exercice intense, elle est de 60-100 l/min
• La ventilation minute peut être multipliée par 10 entre un état de repos et un exercice
• Espace mort physiologique VD: , VD = << Dead space >>
• VD = espace mort anatomique + espace mort alvéolaire
• L'espace mort anatomique est l'air contenu dans les voies aériennes de conduction, l'espace mort alvéolaire est l'air contenu dans une alvéole ventilée mais mal perfusée
• Chez le sujet normal, l'espace mort alvéolaire est négligeable, mais peut augmenter dans certaines situations pathologiques (par exemple: embolie pulmonaire)
• L''espace mort anatomique est environ 150 ml. Le volume est stable, à moins de pathologies
• Dans un état normal, espace mort physiologique ≈ espace mort anatomique
• La ventilation minute est représentée par VE = VT. f
• La ventilation alvéolaire est représentée par VA =(VT-VD). f. Elle reste toujours inférieure à la ventilation minute
• En position debout, la distribution de la ventilation alvéolaire et de la perfusion varie du sommet à la base du poumon
• VA/Q= 0,8
• Les apexes sont bien ventilés et mal perfusés, donnant VA/Q= 3
• Les bases sont bien perfusés et mal ventilées, donnant ⇨VA/Q= 0,6
• Conséquences d'une mauvaise ventilation*
• Si l'alvéole est bien perfusée et mal ventilée, il y a un effet Shunt (Atélectasie)
• Si l'alvéole est bien ventilée et mal perfusée, il y a un effet d'espace mort dû à une embolie pulmonaire

Notion de compliance/élastance

• La mécanique ventilatoire dépend des propriétés élastiques, des forces de rétraction élastique, de VC, de XFR, de résistance au passage de l'air, de ventilation minute.
• Les propriétés élastiques, frottements tissulaires et le mouvement des muscles inspiratoires participe a la variation de pression alvéolaire

Propriétés élastiques thoraco-pulmonaires

• Les poumons et la cage thoracique sont deux structures solidaires élastiques grâce à la plèvre
• Lors de l'inspiration, la plèvre permet aux muscles inspiratoires de vaincre la cage thoracique
• Lors d'une expiration calme, c'est la force de rétractation des muscles inspiratoires qui ramène le système a sa position de repos musculaire
• Les forces élastiques sont exprimés en volume de relaxation, il se calculent avec AP = pression transmurale (Ptm)
• la pente de la courbe définie de "compliance" représente la distensibilité de la structure
• Les facteurs anatomiques de l'élasticité thoracique est lié au squelette et sa forme, à la contenance graisseuse
• L'élasticité du poumon dépendra des facteurs histologies internes et chimiques présentes dans ce dernier
• Les forces élastiques du tissu pulmonaire représentent (≈ 50%)
• Les forces élastiques dues à la tension superficielle du surfactant (≈ 50%)

Notion de Compliance

• Compliance : définie comme l'importance de variation du volume (AV) par un changement de pression (ΔΡ).
• Formule : Cp = AV/ΔΡ
• Les pathologies dans la cage thoracique, tel que la la cypho-scoliose, atteinte neuro- musculaire respiratoires et l'obésité modifie l'élasticité de cette dernière diminuant la compliance et la capacité vitale du système.
• La compliance pulmonaire en pathologie
  • Sujet normal: 200 ml/cmH₂O
  • Sujet atteint d'emphysème: 300 ml/cmH₂O
  • Sujet atteint d'une fibrose pulmonaire sévère: 10 ml/cmH₂O

Propriétés résistives du système respiratoire

• Mécanique ventilatoire. La contraction musculaire inspiratoire dépendra de la pression alvéolaire, VC, de XFR, des forces liées a l'élasticité/rétraction des force/tissus, de la résistance de passage de l'air.
• La résistance dépend de frottements tissulaire d'environ 20% du corps humaine.
• L'écoulement du fluide dans un système de conduction est représenté par:
  • La Pression: Paly -Patm→ débit aérien
  • Le Débit: quantité d'air qui circule dans les VA/unité de temps
  • La Résistance: difficulté à laquelle l'air se heurte pour circuler entre 2 points des VA sous l'action d'une AP donnée
• Les types d'écoulement d'air sont::
  • Transitionnel : majorité de l'arbre bronchique
  • laminaire: plus présente dans les bronches terminales
  • turbulent: surtout dans les tranche, généralement lorsqu'il y a exercice physique
• Le débit (V) est directement proportionnel à la différence de pression (ΔΡ) entre les 2 extrémités du conduit: V° =△P/R
• la résistance de l'écoulement (R) sont exprimés en cm H₂O/L/sec dépendant des caractéristiques du gaz et du conduit:
  • On le trouve avec: R= 8.Ι.η/π. r4
  • I = longueur du conduit, r = rayon du conduit et η = viscosité du gaz.
  • Loi de Poiseuille (s'applique dans en écoulement laminaire)
• En résistance pulmonaire:
  • La diminution du rayon conduit à une élévation des résistance: d₁→R₁
  • L'augmentation du rayon conduit à une baisse des résistance et augmentation de la turbulence: d₂→ R₂
• La paroi des bronches, constitué de muscles cellulaires lisses et le niveau contraction de ces dernières sont contrôlées par mécanismes nerveux et humoraux.
  • Contrôle nerveux:implique, des nerfs sensibles à l'étirement des paroies bronchiques, des centres de contrôles et des voies de contractions.
  • contrôle humoral: impliquent des libérations de médiateurs.

Bronchomotricité

• Le contrôle nerveux: implique
  • Des voies afférentes du nerf vague sensibles à l'étirement de la paroi des voies aériennes
  • Des centres de contrôle dans le bulbe rachidien,
  • Des voies efférentes motrices soit cholinergiques à l'origine d'une bronchoconstriction (rôle des récepteurs muscariniques bloqués par l'atropine), soit adrénergiques à l'origine d'une bronchodilatation (rôle des récepteurs B2- adrénergiques), soit non adrénergiques non cholinergiques (NANC).
• Le contrôle humoral: il implique la libération de médiateurs bronchoconstricteurs, principalement l'histamine, la thromboxane, les leucotriènes et PAF)
• Le maladies de l'arbre bronchique: sont, l'asthme et BPCO (bronchopneumopathie chronique obstructive)
  • Les voies inférieurs obstrués, qui peuvent être lié a une inflammation, des sécrétions d'infection, ou des contractions musculaires peuvent entraîner une résistance dans les paroies