Physiologie respiratoire - Ventilation PDF

**[Physiologie respiratoire -- Ventilation]** I. **[Ventilation]** 1. [Introduction] La **ventilation** est un phénomène **périodique** (cyclique) avec une succession de mouvements respiratoires, d'**inspiration** (où un volume d'air est emmené vers la profondeur du poumon) puis d'**expiration*...

**[Physiologie respiratoire -- Ventilation]** I. **[Ventilation]** 1. [Introduction] La **ventilation** est un phénomène **périodique** (cyclique) avec une succession de mouvements respiratoires, d'**inspiration** (où un volume d'air est emmené vers la profondeur du poumon) puis d'**expiration** (où un volume d'air est rejeté). Cette alternance permet **le cycle respiratoire** nécessaire à la ventilation de l'espace alvéolaire, là où vont s'effectuer les **échanges gazeux**. 2. [Voies aériennes supérieures (VAS)] Au cours de l**'inspiration** (ventilation) l'air va d'abord traverser les **VAS** (nez, bouche, pharynx, larynx). L'inspiration peut se faire par **voie nasale** ou par **voie bucco-nasale**. La voie nasale permet de **réchauffer** et **humidifier l'air** via la surface importante des surfaces nasales ainsi que la riche vascularisation. **[Important à savoir ++]** Le nez a aussi un rôle de **filtre** en empêchant l'inhalation de grosses particules grâce aux **vibrisses (poils)** à l'entrée des fosses nasales. 3. [Voies aériennes inférieures (=VAI)] Les VAI sont situées au-delà des cordes vocales (larynx). Elles commencent par la **trachée** puis vont se diviser en **bronches, bronchioles et sacs alvéolaires**. Entre la trachée et les sacs alvéolaires on considère qu'il existe environ **23 divisions** ou générations de voies aériennes. **Zone de conduction** = ensemble des voies aériennes inférieures NON alvéolisées (Trachée -\> bronchioles terminales). Au-delà des bronchioles terminales, on trouvera une **zone de transition** puis la **zone respiratoire** proprement dite (Bronchioles respiratoires, canaux alvéolaires, sacs alvéolaires). On voit apparaître dès les bronchioles respiratoires, des alvéoles qui s'abouchent **directement** à la paroi bronchiolaire (rôle négligeable à cet endroit). Même chose pour les canaux alvéolaires. L'essentiel des échanges gazeux est réalisé dans les **sacs alvéolaires en profondeur du poumon.** Les zones de conduction et de transition **ne participent pas aux échanges gazeux** : ils sont appelés « **espace mort anatomique** ». Cet espace représente **30% du volume total inspiré** à chaque cycle respiratoire au repos (correspond à environ 150 ml). Le volume alvéolaire efficace est donc **inférieur** au volume courant. 4. [Cycle respiratoire] On représente le cycle respiratoire sur ce graphique en montrant le volume d'air déplacé à chaque cycle (ordonnée), en fonction du temps (abscisse). Voici deux cycles respiratoires. En inspiration le tracé monte et descend pour l'expiration. On peut ainsi noter la **durée totale du cycle Ttot** qu'on peut lui-même diviser en **Ti** (durée de l**'inspiration**) et en **Te** (durée de l'**expiration**). Au repos, la durée de l'inspiration chez un sujet normal est **plus courte** que la durée expiratoire dans un rapport de l'ordre de 1 pour 2. Autrement dit : [\$\\frac{\\text{Ti}}{\\text{Te}} = \\frac{1}{2}\$]{.math.inline} **Ti** représente environ **un tiers du temps total** du cycle respiratoire. Au repos, le volume d'air déplacé lors d'un cycle respiratoire = l'inspiration + l'expiration. On appelle ce volume Vt (volume courant) **Vt** représente le volume courant (titled volume en anglais), c'est l'amplitude entre le volume respiratoire maximal et minimal. Il peut être mesuré en laboratoire notamment par spirométrie. - Au repos Vt [≈ ]{.math.inline}500 ml - Il varie en fonction de paramètres physiologiques (exemple : sexe, âge, taille) mais aussi en fonction des besoins. Il augmente à l'effort La durée du cycle est variable (environ 4 à 5 secondes chez l'adulte au repos) La **Fréquence respiratoire** (FR) est exprimée en **cycles/min** (environ 12 à 15 chez l'adulte éveillé au repos) **V'~E~ (ventilation minute)** - Calculée en connaissant le Vt - Elle est exprimée en **L/min** (entre 6-8 au repos) V'~E~= VT x FR V'~E~ au repos = 6-8 L/min *Sur 24h, cela fait environ 10 000 L d'air qui vont rentrer et sortir de nos poumons.* De nombreux facteurs influencent la FR, comme les **émotions**. La ventilation est régulée en fonction des **besoins métaboliques** et de l'**environnement**. Le cycle respiratoire peut également être pathologique. - Quand la FR est trop **rapide**, c'est une **tachypnée.** - Quand la FR est très **basse**, c'est une **bradypnée**. 5. [Muscles respiratoires.] Les poumons ne peuvent pas respirer seuls. Il faut les aider. La respiration est un **phénomène actif** qui nécessite la **contraction de muscles respiratoires** dont le rôle sera de mobiliser la cage thoracique. Ces muscles ont des insertions sur la paroi thoracique. Certains ont une **action inspiratoire et sont actifs même au repos** (comme le muscle diaphragme et les scalènes). D'autres muscles avec une fonction inspiratoire seront recrutés en cas de la demande ventilatoire, notamment à l'**effort**. Les muscles **expiratoires** vont être sollicités essentiellement à l'effort (et pas au repos !), comme les **muscles abdominaux** pour la majorité. L'expiration devient dans ce cas **active à l'effort**. 6. [Diaphragme.] Le diaphragme est le **muscle inspiratoire principal**. Son anatomie est assez particulière et explique son action mécanique très complexe dans la respiration. Il est séparé en une partie **horizontale : le dôme diaphragmatique**, et une partie **verticale** essentiellement musculaire : la **zone d'apposition** (car apposé sur la paroi interne de la cage thoracique inférieure). Au repos, **80%** de l'ensemble de l'action musculaire inspiratoire est liée à la **contraction du diaphragme**. 7. [Plèvre] La plèvre comporte deux feuillets : un **feuillet pariétal** accolé à la paroi thoracique (en jaune), et un **feuillet viscéral** accolé à la surface externe du poumon (en bleu clair). Entre les deux, on trouve la **cavité pleurale**. C'est un **espace virtuel** qui contient quelques mL (environ 2 mL) de **liquide pleural** qui est réparti sur toute la surface et réabsorbé en permanence par les lymphatiques. Ce **film liquidien** va assurer par des forces cohésives **l'accolement** entre les deux feuillets pleuraux. Dans la cavité pleurale règne une **pression négative** par rapport à la pression atmosphérique (en moyenne **-5 cm d'H20 au repos**). Tout cela afin de **solidariser** la paroi thoracique et le poumon. Ainsi, si la cage thoracique bouge, le poumon suivra le mouvement car la CT (cage thoracique) et le poumon vont chacun exercer une **force en sens opposé**. 8. [Cage thoracique au repos :] En rouge = le diaphragme En haut à droite : un petit graphique du cycle respiratoire qui montre l'évolution des volumes en fonction des temps inspiratoires et expiratoires. Au **repos**, le thorax se retrouve en position d'**équilibre**. Le volume pulmonaire est à sa **capacité résiduelle fonctionnelle**. C'est le volume d'air qui occupe spontanément le thorax après une expiration calme. A l**'inspiration**, le diaphragme se contracte. Il va **perdre sa forme en dôme** et **descendre dans l'abdomen**. Le volume thoracique augmente (comme on le voit sur le tracé en pointillé). Sous l'influence de la contraction du muscle du diaphragme, le diamètre de la cage thoracique va s'élargir **dans toutes ses directions** (diamètre transversal, crânio-caudal, antéro-postérieur). A la fin de l'inspiration, le diaphragme se **relâche pour retrouver sa position de repos** et la CT aussi.  L'expiration **au repos est** **passive**, les muscles expiratoires principaux sont **inactifs au repos** chez un sujet normal. Grâce aux propriétés de rétractation élastique du poumon, celui-ci revient toujours à son état de base (comme une ceinture élastique étirée qu'on détend quand elle est relâchée) II. **[Loi de Boyle-Mariotte : PV=Constante ]** Nous allons maintenant essayer de comprendre comment est généré le débit ventilatoire. Pour cela, nous allons nous rappeler la loi de Boyle Mariotte. Elle décrit la relation existante entre la pression et le volume des gaz. Elle fournit les bases des mécanismes de la ventilation. Loi de Boyle-Mariotte : - Le produit : PxV = constante - Valable uniquement à **température constante** et dans un **espace clos**. - Toute variation de volume (V) entraîne une variation de pression (P). - **Le volume d'un gaz est donc inversement proportionnel à la pression qu'il subit.** (si V augmente, P diminue) - Ceci est vrai pour le **thorax qui est un système clos** mais **pas pour le poumon qui est un système ouvert** en communication avec l'atmosphère. En vertu des lois des gaz (Boyle-Mariotte) : l'augmentation du volume V de la cage thoracique va induire une diminution de la pression P dans le thorax. a. [Production du débit aérien ] On a représenté sur un schéma les poumons en rouge soutenus par le diaphragme en bas. La Pa atmosphérique est établie à 0 par convention. Sur ces graphiques, nous allons nous intéresser à l'évolution, au cours du cycle respiratoire, de différents paramètres. (Partie gauche : inspiration ; partie droite : expiration) 1. [Au repos :] Le **Volume thoracique** (L) est à sa capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) - La variation du volume pulmonaire est identique car les deux structures sont solidaires La **Pression pleurale** est de -5 [cm*H*~2~0]{.math.inline}, - Mesure difficile à obtenir, faite avec un ballonnet oesophagien La **Pression alvéolaire** ([cm*H*~2~0]{.math.inline}) est égale à la pression atmosphérique (au repos, à glotte ouverte), par équilibration des pressions dans un système ouvert. - Mesure très complexe abordée dans un autre cours Le **débit aérien** (L/min) - Mesuré par un pneumotachographe. Par convention, le débit entrant sera négatif, tandis que le débit sortant sera positif.  2. [Au début de l'inspiration :] A l'inspiration ce qui va tout déclencher, c'est la contraction musculaire du diaphragme. Le **volume thoracique va alors augmenter** ; d'après la loi de Boyle-Mariotte, la **pression pleurale chute.**\  La plèvre et le poumon étant solidaires, ceci provoque une expansion rapide du volume pulmonaire, (le volume V du poumon augmente) à l'origine d'une **chute de la Pa alvéolaire** en dessous de la Pa atmosphérique. Cela va générer un débit d'air de l'atmosphère vers les poumons, grâce à un gradient de pressions (courant gazeux d'une zone de haute pression vers une zone à basse pression) Comme le volume thoracique change plus vite que l'écoulement de l'air, la pression alvéolaire atteint son minimum **à la moitié de l'inspiration**. 3. [A la fin de l'inspiration :] Les poumons étant **un système ouvert**, le débit d'air entrant va **rééquilibrer la pression** **alvéolaire** en fin d'inspiration jusqu'à être égale à la pression atmosphérique. Cela va annuler le débit aérien. 4. [Au début de l'expiration :] A la fin de l\'inspiration, les muscles respiratoires se relâchent. Quand les volumes pulmonaires et thoraciques diminuent, la pression intra-pleurale augmente. S\'ensuit une augmentation de la pression alvéolaire, qui est alors supérieure à la Pa atmosphérique. Le flux aérien s'inverse, l'air sort des poumons. *Le débit aérien va augmenter, débit sortant positif. (pas dit cette année)* 5. [A la fin de l'expiration :] Le mouvement d'air cesse quand la **pression alvéolaire est de nouveau égale à la pression atmosphérique**. Quand le volume thoracique (pulmonaire) atteint son minimum, le cycle est terminé et peut recommencer avec la respiration suivante. b. **[Synthèse du débit aérien : (non détaillé)]** III. **[Ventilation pulmonaire : variable]** La ventilation pulmonaire est une succession des mouvements gazeux thoraciques **inspiratoires** et **expiratoires**. - Elle peut être augmentée en cas de besoin (par exemple lors d'un exercice pour apporter plus d'O2 et pour éliminer plus de CO2). Il existe deux moyens d'augmenter la ventilation pour répondre aux besoins : - **Augmentation de la FR** - En diminuant la Ttot *(car FR = 1/Ttot x 60) : non dit cette année mais laissé pour précision* - **Augmentation** **du Vt** (volume total courant) a. [Exemples d'évolution de la ventilation minute à l'effort (non lu : « je vous laisse les lire tout seuls »)] b. [Le cycle respiratoire à l'effort :] Différents mécanismes permettent **d'augmenter le volume courant Vt**, pour un effort ou une respiration forcée. Les mécanismes sont : - Une augmentation de **l'activité des muscles respiratoires** - Un recrutement des muscles expiratoires (**intercostaux** **internes** et **abdominaux**) : l'expiration à l'effort devient ainsi active Le but étant d'apporter suffisamment d'oxygène (O2) et d'éliminer de manière plus efficace le gaz carbonique (CO2). En rouge pointillé : les différents paramètres, vus précédemment, à l'effort [A l'inspiration : ] - Augmentation du volume de la cage thoracique plus importante qu'au repos (en bleu) [A l'expiration : ] - Le volume thoracique se réduit, la capacité résiduelle fonctionnelle diminue descendant sous le volume d\'équilibre du système respiratoire grâce à l'activité des muscles expiratoires pour aller contrer les propriétés élastiques - Les muscles expiratoires actifs à l'exercice vont aussi permettre d'amplifier les variations de pression pleurale et alvéolaire, avec comme conséquence une augmentation du débit aérien inspiratoire et expiratoire à l'effort. Le but est d'apporter plus rapidement l'O~2~ et d'éliminer plus vite le CO~2~. c. [Ventilation alvéolaire :] Une partie de l'air pénétrant dans le système respiratoire reste dans les voies aériennes de conduction et n'atteint pas les alvéoles = **espace mort anatomique** (150 mL). On va illustrer la différence entre le volume d'air inspiré (et entrant dans les voies aériennes) et le volume d'air frais dans les alvéoles en considérant une respiration classique déplaçant 500mL d'air pendant un cycle respiratoire : 1. A la fin de l'inspiration, le volume pulmonaire est maximal et de **l'air frais remplit l'espace mort**. 2. Ensuite, le volume courant de 500mL est expiré. Cependant, c'est **150 mL d'air frais de l'espace mort qui sortent en premier**, et seulement **350 mL d'air confiné en provenance des alvéoles**. Ainsi, même si 500 mL d'air sortent des alvéoles, seulement 350 mL quittent l'organisme. Les 150 autres mL restent dans l\'espace mort. 3. A la fin de l'expiration, l'espace mort est rempli avec **150 mL d'air confiné**. Le volume pulmonaire est à son minimum 4. Enfin, à l'inspiration suivante, 500mL d'air frais entre dans les voies aériennes et repoussent les 150 mL d'air confiné depuis l'espace de mort anatomique vers les alvéoles. L'air confiné est suivi des 350 premiers mL d'air frais. Ainsi, **les alvéoles récupèrent les 150 mL d'air confiné** provenant de l'espace mort + **350 mL d'air frais**. L'espace mort anatomique est **à nouveau rempli avec 150 mL d'air frais** qui ne **partira pas dans les alvéoles**. Pour résumer, le volume d'air frais total dans les alvéoles est égal au volume courant -- le volume de l'espace mort.  \*Mail : cindy.barnig\@univ-fcomte.fr