1 ETUDE DE LA VENTILATION PULMONAIRE CHEZ L'HOMME La ventilation pulmonaire assure le renouvellement des gaz dans les alvéoles afin de permettre les échanges entre les gaz alvéolaires et les gaz du sang à travers la membrane alvéolo-capillaire. 1. Rappel anatomique 1-1. La cage thoracique La cage thoracique forme une enceinte close: en bas, par le diaphragme; sur les côtés, par des pièces du squelette et des parois musculaires et membraneuses. Elle est ouverte en haut, laissant passer la trachée, l'œsophage et des éléments vasculo-nerveux.
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ETUDE DE LA VENTILATION PULMONAIRE CHEZ L'HOMME
La ventilation pulmonaire assure le renouvellement des gaz dans les alvéoles afin de permettre les échanges entre les gaz alvéolaires et les gaz du sang à travers la membrane alvéolo-capillaire.
1. Rappel anatomique
1-1. La cage thoracique
La cage thoracique forme une enceinte close:en bas, par le diaphragme;sur les côtés, par des pièces du squelette et des parois musculaires et membraneuses.
Elle est ouverte en haut, laissant passer la trachée, l'œsophage et des éléments vasculo-nerveux.
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1-2. Les côtes
• Elles s'articulent:
par leur extrémité postérieure sur la colonne vertébrale qui constitue un
point fixe;
par leur extrémité antérieure sur le sternum qui constitue une pièce mobile.
• Elles sont aplaties de dehors en dedans (sauf les deux premières,
aplaties de haut en bas) et présentent une triple courbure:
* courbure suivant les faces: la projection horizontale montre qu'elles
sont concaves en dedans; courbure suivant les bords: la projection
frontale montre que leur extrémité postérieure est sur un plan plus
haut situé que leur extrémité antérieure;
* courbure suivant l'axe: c'est une torsion qui fait que la face externe
de la côte regarde successivement d'arrière en avant, en bas, puis en
dehors, puis en haut
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Du fait de cette configuration anatomique, l'élévation des côtes à partir du
point fixe vertébral, augmentera simultanément les diamètres antéro-
postérieur et transversal du thorax.
1-2-1. Le diaphragme
• Il est formé de deux hémi-coupoles musculo-menbraneuses dont la partie
périphérique s'insère sur la partie inférieure de la cage thoracique et la partie
médiane adhère au péricarde. Lorsqu'il se contracte, le diaphragme
s'abaisse en refoulant les viscères abdominaux: il augmente ainsi le
diamètre vertical du thorax.
• D'autre part, en se contractant, il exerce une traction sur la côtes
inférieures sur lesquelles il s'attache: il participe donc à l'élévation des côtes
inférieures et à l'augmentation des diamètres antéro-postérieur et transverse
du thorax.
• La contraction du diaphragme entraîne:
Une augmentation du diamètre vertical.
Une augmentation du diamètre antéro-postérieur. Une augmentation du
diamètre transverse.
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1-3. Les structures d'échanges: les poumons
• Les poumons se composent essentiellement des voies aériennes: lieu de
transit de l'air,ds les alvéoles: structures d'échange entre air et sang.
• Les voies aériennes comprennent les diverses formations situées au
niveau de la bouche et du cou (larynx etc...) et un système de canalisations
ramifiées: les bronches et bronchioles (figure 3). Les bronches se ramifient
dichotomiquement, les 10 premières générations constituent les bronches
primaires et secondaires. Celles-ci présentent une lumière maintenue béante
grâce à l'existence d'anneaux cartilagineux dans leurs parois. Les 10 à 15
générations suivantes sont représentées par les bronchioles. Le diamètre des
bronchioles est de 1 à 3 mm, il n'y a plus de constituant cartilagineux à leur
niveau.
• Au terme de ces divisions successives on aboutit à environ un million de
bronchioles terminales: structures de diamètre 0,6-0,7 mm tapissées de
cellules ciliées et insérées dans une musculature lisse qui, par ses
contractions, peut en réduire le diamètre. Les bronchioles terminales se
terminent dans une multitude de cul-de-sac appelés alvéoles. Les voies
aériennes ne sont pas de simples conduits, elles ont pour fonction d'une
part de réchaufffer l'air grâce
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Figure 3: L’appareil respiratoire ou l’appareil de ventilation pulmonaire
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à une importance vascularisation et d'autre part d'empêcher l'accès aux
poumons des corps étrangers. Les tissus qui les tapissent renferment de
nombreuses cellules sécrétrices de mucus et des cellules ciliées (planche 1).
• Les alvéoles sont au nombre de 300 à 400 millions chez l’homme, ils
mesurent une fraction de millimètre. Les alvéoles sont serrés les unes
contre les autres de telle sorte qu'un fragment de poumon apparaît -au
microscope (planches 2) comme un fin réseau enserrant des espaces
remplis d’air.
• La paroi d'un alvéole, observée au microscope renferme des cellules qui appartiennent les unes à l'appareil circulatoire, les autres à l'appareil respiratoire.
• Le poumon est très riche en vaisseaux sanguins. Au niveau des alvéoles
on observe les vaisseaux les plus fins ou capillaires. Les capillaires
mesurent une dizaine de microns en coupe transversale, leur paroi est
constituée d'une seule assise de cellules : les ceIlu1es endothéliales. La
paroi alvéolaire est elle-même constituée d'une assise de cellules aplaties:
les pneumocytes 1. Le tissu strictement pulmonaire est séparé des
cellules des capillaires par une membrane basale. On trouve par ailleurs,
dans la paroi des alvéoles,
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Planche 1: L’épithélium d’une bronchiole vue en coupe au microscope optique
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Planche 2: Une bronchiole et des alvéoles vus au microscope électronique
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des cellules plus volumineuses (pneumocytes II et III) qui jouent un rôle de
sécrétion et de défense: Les pneumocytes II produisent. Une substance,
présente dans la cellule sous la forme d'inclusions plurilamellaires, qui se
répand à la surface de toutes les alvéoles en un film mince : le surfactant.
• La barrière air-sang, qui représente pour un homme une surface de 70 m2,
est en fait très mince (environ 0,2 micron au total).
1-3-1. Le poumon est richement vascularisé
• Chez les mammifères (et chez l'homme) les poumons font l'objet d'un circuit
vasculaire complètement indépendant de celui qui irrigue l'ensemble des
autres tissus. La circulation pulmonaire (ou petite circulation) naît au niveau
de l'artère pulmonaire qui conduit le sang propulsé par les contractions du
ventricule droit vers un réseau de vaisseaux dont le diamètre diminue
progressivement jusqu'au niveau des vaisseaux capillaires (figure 4) .
• En même temps que le diamètre des vaisseaux diminue, leur nombre
augmente et la section globale s'élève. Le tableau suivant résume les
caractéristiques de cette circulation.
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Figure 4
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Tableau 1 : Diamètre et section des vaisseaux pulmonaires.
Vaisseaux Diamètre Section
1 artère pulmonaire1000 artères de 3ème ordre600 millions de capillaires1000 veines4 veines pulmonaires
15 mm1 mm7µ1 mm14 mm
180 mm2
800 mm2
23000 mm2
1200 mm2
756 mm2
• Au total le lit capillaire est étalé sur toute la surface des alvéoles (70 m2)
et la surface d'échange air-sang est considérable.
• Le débit sanguin dans les poumons est, chez l'homme, de 5,5 litres par
minute; il peut s'élever à 30 ou 40 l/min au cours d'un exercice intense.
• A chaque instant, les vaisseaux pulmonaires contiennent environ 1 litre
de sang dont 75 à 100 ml seulement sont présents dans les capillaires.
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• Au moment di! la naissance, le gonflement des alvéoles est rendu possible
par le dépôt d'un film phospholipidique à. propriétés tenso-actives, le
surfactant, Ce sont les pneumocytes de type Il, qui sécrètent le matériel
précurseur du surfactant .
• C'est dire que le réseau capillaire est parcouru assez rapidement. La
circulation sanguine s'effectue à une pression basse (25 Torr maximum dans
l'artère pulmonaire contre 120 Torr dans l'aorte). Le circuit veineux, en raison
de la grande section des veines (cf tableau 1) et de leur distendibilité, joue
aussi un rôle de réservoir sanguin.
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• Le poumon se présente comme un sac élastique entouré par un autre sac,
membraneux, la plèvre.
- Le feuillet viscéral de la plèvre est solidaire de la surface externe du
sac pulmonaire
- le feuillet pariétal est solidaire de la paroi thoracique.
- Entre ces deux feuillets existe un espace virtuel où règne une pression
inférieure à la pression atmosphérique (dite dépression intrapleurale).
• La pression interne du sac pulmonaire = la pression atmosphérique
• La différence de pression qui existe entre les surfaces interne et externe du
poumon suffit à le distendre et à amener le feuillet viscéral de la plèvre au
contact du feuillet pariétal.
• L'expérimentation montre que la pression intrapleurale n'est pas immuable
mais varie avec l'ampliation thoracique. Ainsi, grâce à l'élasticité pulmonaire
et à l'adhésion des feuillets pleuraux, la dépression intrapleurale solidarise le
poumon et la cage thoracique: toute modification du volume thoracique
entraîne une modification dans le même sens du volume pulmonaire.
2. La mécanique ventilatoire
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2-1. Les mouvements respiratoires
• le thorax subit des mouvements rythmiques de dilatation et de rétraction,
assurant ainsi l'inspiration et l'expiration. La respiration est dite « courante»
ou « forcée» selon l'ampleur des mouvements et les forces musculaires mises
en jeu.
2-1-1. L'inspiration
• Elle résulte de l'agrandissement du volume du thorax par augmentation de
ses diamètres: - vertical,
- antéro-postérieur,
- et transverse.
• Il s'agit d'un phénomène actif, nécessitant l'intervention de forces d'origine
musculaire, afin de vaincre les résistances élastiques et dynamiques
s'opposant à l'amplification thoracique.
• L'inspiration courante.
- Le diaphragme = le muscle principal de l'inspiration (70%)
- Les muscles intercostaux externes élèvent les côtes.
- Les muscles accessoires de l'inspiration courante sont représentés
par les scalènes et les petits dentelés postérieur et supérieur.
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• L'inspiration forcée
- les sterno-cléïdo-mastoïdiens,
- les sous-claviers,
- les grands et petits pectoraux
leur intervention est volontaire ou automatique.
2-1-2. L'expiration
• L'expiration courante est passive.
- les résistances élastiques pulmonaires et thoraciques d'une part, la
résistance des viscères abdominales d'autre part, ramènent la cage
thoracique à sa position de repos.
• Au cours de cette rétraction, la pression s'exerçant sur la surface externe du
sac pulmonaire est supérieure à celle s'exerçant sur sa surface interne
• Cette différence de pression chasse l'air emmagasiné à l'inspiration, mais
laisse dans les poumons un certain volume d'air appelé « Capacité Résiduelle
Fonctionnelle». Les muscles intercostaux internes peuvent intervenir dans
l'expiration courante.
• L'expiration forcée est active.
- Il est possible d'augmenter la pression intrapleurale jusqu'à la rendre =
et même légèrement > à la pression atmosphérique.
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- Elle permettra de chasser la capacité résiduelle fonctionnelle, toutefois
jusqu'à une certaine limite représentée par le « volume résiduel ».
- Elle nécessite l'intervention de muscles expiratoires lorsque la
ventilation est importante.
- Il s'agit de muscles abaissant les côtes:
* petits dentelés postérieur et inférieur,
* grand oblique et petit oblique de l'abdomen,
* carré des lombes,
- et de muscles augmentant la tension abdominale:
* grand oblique de l'abdomen,
* petit oblique de l'abdomen,
* grand droit de l'abdomen,
* transverse de l'abdomen.
2-1-3. Quelques définitions:
La respiration normale est dite « eupnéique ».
Une respiration accélérée est une « tachypnée » ou une « polypnée ».
Une respiration ralentie est une « bradypnée ».
Une pause respiratoire est une « apnée ».
Une respiration difficile est une « dyspnée ».
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2-2. Etude de la fonction respiratoire
La spirométrie a pour objet la mesure des volumes et des débits d'air déplacés
par les divers actes de la mécanique respiratoire.
2-2-1. Les paramètres ventilatoires
2-2-1-1. Les volumes mobilisés (figure 5)
Le volume courant (VT): C'est le volume d'air mobilisé par une inspiration ou par
une expiration courante.
Le volume de réserve inspiratoire (VRI): C'est le volume d'air mobilisé par une
inspiration forcée faisant suite à une inspiration courante.
Le volume de réserve expiratoire (VRE): C'est le volume d'air mobilisé par une
expiration forcée faisant suite à une expiration courante.
La capacité vitale (CV) : C'est le volume d'air maximal mobilisé par une inspiration
et une expiration forcées successives. C'est le plus grand volume que peut
mobiliser la ventilation.
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Figure 5: Volumes pulmonaires et leur mesure
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2-2-1-2. Les capacités pulmonaires
• En groupant entre eux certains volumes, on définit des capacités.
- La capacité vitale peut aussi être calculée selon la formule suivante:
CV = VT + VRI + VRE
- La capacité inspiratoire (CI) : CI= VT + VRI
- La capacité expiratoire (CE): CE = VT + VRE
2-2-1-3. Les débits ventilatoires
• L'étude des volumes mobilisés en fonction du temps exprime des débits.
• La ventilation globale (V) : Si on choisit la minute comme unité de temps, c'est
le produit du volume courant par la fréquence respiratoire par minute: V = VT x
F
• Son principal facteur d'augmentation est représenté par le travail musculaire.
• La ventilation globale diminuée de la ventilation de l'espace mort représente la
ventilation alvéolaire Va: Va = (VT- VD) x F
• L'augmentation du volume courant est le facteur le plus efficace pour
améliorer la ventilation alvéolaire.
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• La ventilation maximale (Vmax) : C'est le volume d'air maximum qu'un sujet
est capable de déplacer durant l'unité de temps. On utilise le plus souvent la
ventilation maximale par minute (VMM).
• La différence entre la ventilation maximale et la ventilation globale représente
la réserve ventilatoire d'un sujet .
• Le volume expiratoire maximal seconde (VEMS) : C'est le volume d'air
mobilisé pendant la première seconde d'une expiration forcée maximale
faisant suite à une inspiration forcée.
• La valeur de ce débit permet d'apprécier la résistance des voies
aériennes à l'expiration de l'air et il dépend particulièrement du calibre
bronchique. D'autre part, il est intéressant de rapporter ce débit à la
valeur de la capacité vitale. En effet, le rapport VEMS/CV, appelé rapport
de Tiffeneau, est une constante chez tous les sujets: il a pour valeur
moyenne 0,75 (il varie avec l'âge entre 0,80 à 20 ans 0,70 à 70 ans). En
d'autres termes, à l'état normal, un sujet doit être capable d'expirer 75%
de sa capacité vitale en une seconde.
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2-2-1- 4. Le volume résiduel
L'expiration forcée laisse cependant persister un certain volume de gaz dans les
poumons, appelé volume résiduel (VR). Ce volume non mobilisable n'est donc
pas mesurable directement par la spirographie. Cependant, on peut le mesurer
indirectement, par divers moyens, dont la méthode en circuit fermé utilisant
l'hélium comme gaz inerte. Cette méthode permet d'utiliser le spirographe, à
condition de lui adjoindre un analyseur d'hélium.
- Volume résiduel et capacités
La connaissance du volume résiduel permet de définir de nouvelles capacités:
- La capacité pulmonaire totale (CPT) : CPT = CV + VR