La physiologie de l'appareil respiratoire

1. Ventilation pulmonaire

La ventilation pulmonaire est la partie de la respiration qui concerne qualitativement le renouvellement de l'air dans les poumons et, quantitativement, le débit global d'air assurant ce renouvellement.

• La ventilation pulmonaire repose sur des variations de volumes et de pressions dans la cavité thoracique provoquées par :
  • l'inspiration
  • l'expiration

1.1 Inspiration

L'inspiration (ou inhalation) est une action active par laquelle l'air pénètre dans les poumons sous l'action des muscles inspiratoires.

• La contraction des mucles inspiratoires entraîne une augmentation du volume de la cavité thoracique :
  • Contraction du diaphragme qui s'abaisse et s'aplatit : la hauteur de la cavité thoracique augmente
  • Contraction des muscles intercostaux externes entraînant une poussée du sternum vers l'avant et une élèvation et un rapprochement des côtes : la largeur et la profondeur de la cavité thoracique augmentent
• L'augmentation du volume de la cavité thoracique entraîne une dilatation des poumons et donc une augmentation du volume intrapulmonaire
• L'augmentation du volume intrapulmonaire entraîne une diminution de la pression intrapulmonaire (environ -1 mmHg par rapport à la pression atmosphérique)
• La diminution de la pression intrapulmonaire entraîne une pénétration de l'air dans les poumons jusqu'à ce que les pressions intrapulmonaire et atmosphériques s'égalisent
  • L'inspiration s'effectue en pression négative

1.2 Expiration

L'expiration (ou exhalation) est une action passive par laquelle l'air est expulsé des poumons.

• Le relâchement des mucles inspiratoires entraîne une diminution du volume de la cavité thoracique :
  • Relâchement du diaphragme qui s'élève : la hauteur de la cavité thoracique diminue
  • Relâchement des muscles intercostaux externes entraînant un recul du sternum et une descente et un rapprochement des côtes : la largeur et la profondeur de la cavité thoracique diminuent
• La diminution du volume de la cavité thoracique entraîne une rétractation des poumons et donc une diminution du volume intrapulmonaire
• La diminution du volume intrapulmonaire entraîne une augmentation de la pression intrapulmonaire (environ +1 mmHg par rapport à la pression atmosphérique)
• L'augmentation de la pression intrapulmonaire entraîne une expulsion de l'air en dehors des poumons
  • L'expiration s'effectue en pression positive

1.3 Cycle respiratoire

• Un cycle respiratoire comprend 3 phases :
  • Phase de repos
  • Phase d'inspiration
  • Phase d'expiration

• Phase de repos :
  • Le volume pulmonaire ne varie pas
  • La pression dans les alvéoles est égale à la pression atmosphérique
  • Pas de mouvement d'air

• Phase d'inspiration :
  • Le volume pulmonaire augmente
  • La pression dans les alvéoles est inférieure à la pression atmosphérique
  • L'air pénètre dans les voies aériennes jusqu'à égalisation de la pression intra-alvéolaire et atmosphérique

• Phase d'expiration :
  • Le volume pulmonaire diminue
  • La pression dans les alvéoles est supérieure à la pression atmosphérique
  • L'air s'évacue par les voies aériennes

2. Volumes respiratoires

3. Hématose : échange gazeux

L'hématose est le processus d'oxygénation du sang au niveau des poumons, c'est la transformation du sang riche en CO₂, en un sang riche en O₂.

• 3 conditions physiques pour permettre l'hématose :
  • Ventilation : circulation d'air dans les alvéoles
  • Perfusion : circulation du sang au niveau des capillaires
  • Diffusion : échange gazeux au travers de la membrane alvéolo-capillaire
    • La membrane alvéolo-capillaire mesure entre 0,5 et 1 µm d'épaisseur, ce qui permet les échanges gazeux entre le sang et les alévoles

• Le passage de l'oxygène de l'alvéole vers le sang dépend du gradient de pression partielle en oxygène entre les deux milieux :
  • La pression partielle en dioxygène est plus élevée dans l'air atmosphérique contenu dans les alvéoles que dans le sang
    • Environ 40 mmHg dans le sang pauvre en oxygène des artères pulmonaires
    • Environ 104 mmHg dans les alvéoles
  • L'oxygène diffuse des alvéoles vers le sang pour équilibrer les pressions gazeuses entre les deux milieux

• Le passage du gaz carbonique du sang vers l'alvéole dépend du gradient de pression partielle en dioxyde de carbone entre les deux milieux :
  • La pression partielle en dioxyde de carbone est plus élevée dans le sang que dans l'air atmosphérique contenu dans les alvéoles
    • Environ 45 mmHg dans le sang riche en dioxyde de carbone des artères pulmonaires
    • Environ 40 mmHg dans les alvéoles
  • Le dioxyde de carbone diffuse du sang vers les alévoles pour équilibrer les pressions gazeuses entre les deux milieux

4. Régulation de la respiration

4.1 Régulation neurologique

• La respiration est régulée par :
  • Les centre respiratoires du bulbe rachidien
    • L'émission d'influx nerveux parcourent les nerfs phréniques qui stimulent le diaphragme et nerfs intercostaux qui stimulent les muscles intercostaux externes
  • Les centres respiratoires du pont
    • Influencent l'activité des neurones du bulbe rachidien

4.2 Influence biologique

• Les variations des concentrations d'oxygène, de gaz carbonique et d'ions hydrogène stimulent des récepteurs, les chimiorécepteurs :
  • Chimiorécepteurs centraux : situés de part et d'autre du bulbe rachidien
    • Sensibles au taux de dioxyde de carbone
  • Chimiorécepteurs périphériques : situés dans la crosse de l'aorte et dans les corpuscules carotidiens
    • Sensibles au taux de dioxygène

Influence du dioxyde de carbone (CO₂)

• Le dioxyde de carbone (CO₂) diffuse du sang vers le liquide cérébro-spinal où il réagit avec l'eau pour former de l'acide carbonique qui libère des ions hydrogènes en se dissociant
• L'augmentation de la pression partielle en dioxyde de carbone (PCO₂) augmente la libèration des ions hydrogènes qui font diminuer le pH du liquide cérébro-spinal
• Les ions hydrogènes stimulent les chimiorécepteurs centraux
• La stimulation des chimiorécepteurs centraux entraîne une augmentation de la ventilation alvéolaire (hyperventilation)
• L'hyperventilation entraîne une expulsion de dioxyde de carbone hors du sang et une augmentation du pH sanguin
• L'augmentation du pH sanguin (baisse du taux d'ions hydrogènes) entraîne un arrêt de l'hyperventilation

• La diminution de la pression partielle en dioxyde de carbone (PCO₂) entraîne une augmentation du pH du liquide cérébro-spinal
• L'augmentation du pH entraîne une baisse de stimulation des chimiorécepteurs centraux
• La baisse de stimulation des chimiorécepteurs centraux entraîne une diminution de la ventilation alvéolaire (hypoventilation)

Influence du dioxygène (O₂)

• La diminution de la pression partielle du dioxygène (PO₂) entraîne une augmentation de la sensibilité des récepteurs centraux à l'élévation de la pression partielle du dioxyde de carbone (CO₂)