RESPIRATOIRE (APPAREIL)Physiologie

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Les mécanismes respiratoires

La ventilation pulmonaire

La ventilation pulmonaire assure la prise d'oxygène dans l'atmosphère ambiante et le rejet de dioxyde de carbone (gaz carbonique).

Volumes pulmonaires

Lors de chaque inspiration, un certain volume d'air entre dans les poumons ; lors de l'expiration, un certain volume de gaz, appauvri en oxygène et enrichi en gaz carbonique, est rejeté. Ce volume, inspiré ou expiré à chaque cycle ventilatoire, est appelé le volume courant (Vt), [avec t pour tide, « marée » en anglais]. Ce dernier étant mobilisé f fois par minute (f : fréquence respiratoire), il devient alors possible de calculer le débit ventilatoire (V̇e), défini comme le nombre de litres de gaz expirés (Ve) par minute. Il doit être exprimé dans les conditions de pression, de température et de saturation en eau qui règnent dans les poumons humains, c'est-à-dire à 37 0C, à la pression barométrique du lieu déterminé, à la pression saturante de vapeur d'eau, qui est de 47 mm Hg (à 37 0C, 1 mm Hg) :

Dans les conditions de repos, le volume courant représente une petite fraction du volume de gaz contenu dans les poumons. Pour étudier l'ensemble des volumes pulmonaires, il faut connecter les voies aériennes d'un sujet à un spirographe où les inspirations s'inscrivent vers le haut et les expirations vers le bas (fig. 1). Lorsque le sujet respire calmement, on enregistre aussi une série de volumes courants de repos. Si on demande au sujet d'effectuer une inspiration forcée, un volume, dépassant le volume courant, s'enregistre : c'est le volume de réserve inspiratoire (Vri). Si on demande une expiration maximale, on enregistre de manière analogue un volume de réserve expiratoire (Vre). Lorsque les besoins ventilatoires augmentent, le volume courant s'accroît aux dépens des volumes de réserve expiratoire et surtout inspiratoire. Au terme d'une expiration maximale, un certain volume de gaz impossible à expirer reste dans les poumons : c'est le volume résiduel (Vr). Pour le mesurer, il faut avoir recours à un procédé indirect. On introduit dans le spiromètre un volume v d'hélium pur, gaz inerte non toxique et peu diffusible à l'intérieur de l'organisme. Après une dizaine de minutes, la concentration d'hélium est la même dans le spiromètre et dans les poumons ; on détermine la concentration c d'hélium dans le circuit. Par définition, c = v/V, où V est la somme des volumes pulmonaires concernés et du volume du spiromètre qui est connu. Les volumes pulmonaires où l'hélium a diffusé sont le volume résiduel et le volume de réserve expiratoire qu'il est aisé de mesurer directement. Le volume résiduel est ainsi déterminé.

Volumes pulmonaires

Dessin : Volumes pulmonaires

Décomposition des différents volumes pulmonaires. Vri et Vre, volumes de réserve inspiratoire et expiratoire ; Vt, volume courant ; Vr, volume résiduel ; Ci, capacité inspiratoire ; Cv, capacité vitale ; Crf, capacité résiduelle fonctionnelle, Cpt, capacité pulmonaire totale.... 

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Les différents volumes pulmonaires peuvent être groupés entre eux pour réaliser ce qu'on appelle des « capacités ». La somme du volume courant et de la réserve inspiratoire représente la capacité inspiratoire (Ci). La somme de cette dernière avec le volume de réserve expiratoire représente la capacité vitale (Cv) : c'est le volume maximal de gaz qui peut être mobilisé entre une inspiration forcée et une expiration forcée. La somme du volume résiduel et du volume de réserve expiratoire représente la capacité résiduelle fonctionnelle (Crf). À ce niveau, le gaz alvéolaire est en équilibre avec les gaz du sang des capillaires pulmonaires. À chaque cycle ventilatoire, une fraction du volume courant, le volume alvéolaire (Va), renouvelle la composition des gaz de la capacité résiduelle fonctionnelle. Enfin, la somme de tous les volumes pulmonaires représente la capacité pulmonaire totale (Cpt). Ces différents volumes et capacités varient d'un individu à l'autre. Des tables donnent les valeurs moyennes de la capacité vitale et du volume résiduel en fonction de la taille du sujet. À taille égale, les volumes pulmonaires de la femme représentent 85 p. 100 de ceux de l'homme. Pour un sujet de taille donnée, les capacités vitale et pulmonaire totale diminuent avec l'âge, alors que le volume résiduel augmente.

Mécanique ventilatoire

Les déformations de la cage thoracique imposées par les muscles respiratoires rendent possibles l'inspiration et l'expiration des gaz respiratoires.

Élasticité thoracique

Le thorax est une cavité déformable, schématiquement divisible en deux formations élastiques. La paroi externe est formée des os, des muscles, de la peau, etc. Sa face interne est tapissée par le feuillet pariétal de la plèvre. À l'intérieur, les poumons sont tapissés à leur partie superficielle du feuillet viscéral de la plèvre. De fait, les deux feuillets pleuraux sont accolés et représentent l'« espace » pleural, qui est une cavité virtuelle. Si on introduit dans cette cavité une aiguille reliée à un manomètre, on constate qu'au repos la pression intrapleurale est inférieure à la pression atmosphérique. Cette dépression augmente lors de l'inspiration et diminue lors de l'expiration. Si on laisse l'aiguille en communication avec l'atmosphère, de l'air entre dans la cavité pleurale, qui cesse d'être virtuelle : la paroi délimite un volume plus grand, tandis que les poumons se replient sur eux-mêmes, leur volume devenant inférieur au volume résiduel. Cela montre que, chez l'homme intact, il existe entre paroi et poumon des tensions qui s'exercent dans des directions opposées expliquant la dépression pleurale. Toute augmentation du volume pariétal entraîne une augmentation du volume pulmonaire, ce qui crée une différence de pression entre le gaz alvéolaire et l'extérieur, d'où l'inspiration. L'expiration s'explique de manière analogue.

Mécanisme d'augmentation du volume thoracique

Muscles de l'inspiration. Le thorax est fermé à sa partie inférieure par le diaphragme, muscle fixé sur la colonne vertébrale et sur la face interne des côtes inférieures. Il a une forme convexe vers le haut et repose sur les viscères abdominaux. Sa contraction diminue sa longueur et réduit sa convexité ; il en résulte une augmentation de hauteur de la cavité thoracique.

La contraction des muscles intercostaux externes, qui s'insèrent près de la vertèbre sur la côte supérieure et à distance d'elle sur la côte inférieure, élève l'ensemble des côtes, chacune prenant appui sur la côte sus-jacente. Les côtes étant, lorsqu'on les regarde de face, obliques en bas et en dehors, leur élévation entraîne une augmentation de la largeur du thorax. En outre, vues de profil, les côtes sont obliques en bas et en avant ; de ce fait, leur élévation lors de l'inspiration projette le sternum en avant et augmente le diamètre antéro-postérieur du thorax. Ainsi, la contraction des muscles inspiratoires accroît-elle les trois dimensions du thorax, donc son volume. Il en résulte une déformation de la formation élastique sous-jacente des poumons, ce qui crée une dépression dans l'espace alvéolaire et entraîne l'entrée d'air ambiant, donc l'inspiratio [...]

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Composition des gaz respiratoires

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Oxyhémoglobine : courbe de dissociation

Oxyhémoglobine : courbe de dissociation
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  • : ancien professeur à la faculté de médecine de Rouen, ancien chef de laboratoire de physiologie et d'exploration fonctionnelle à l'hôpital de l'Hôtel-Dieu, Rouen

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Pour citer l’article

Roland LEFRANÇOIS, « RESPIRATOIRE (APPAREIL) - Physiologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/respiratoire-appareil-physiologie/