PHYSIOLOGIE DE LA RESPIRATION - AAEMR · 1. Ventilation totale et ventilation alvéolaire 2. Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3. Mécanismes des échanges gazeux

PHYSIOLOGIE DE LA RESPIRATION

•  Introduction

•  Mécanique ventilatoire

•  Échanges gazeux pulmonaires

•  Transport des gaz respiratoires (oxygène et CO2) par le sang

•  Régulation de la ventilation

Frédéric SCHNELL

Les échanges gazeux pulmonaires

1.  Ventilation alvéolaire et ventilation totale 2.  Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3.  Mécanismes des échanges gazeux 4.  Rapport ventilation / perfusion

1. Ventilation alvéolaire et ventilation totale

Ventilation totale (L / min)

V’ = VC x F VC = volume courant F = fréquence respiratoire

Ventilation alvéolaire (L / min) V’ alvéole = (VC – VD) x F VC = volume courant VD = volume mort anatomique F = fréquence respiratoire

Sujet sain au repos

V’ totale = 16 x 0.5L = 8 L/min

V’ alvéole = 16 x (0.5 – 0.150) = 5.6 L/min

V’ alvéole / V’ totale = 0.7


Remarque 1 plus efficace de respirer lentement avec grand volume courant

VC = 0.5 L VD = 0.15 L F = 16 >>> Valvéole = 0.35 L x 16 = 5.6 L/min VC = 0.25 L VD = 0.15 L F = 32 >>> Valvéole = 0.10 L x 32 = 3.2 L/min VC = 1L VD = 0.15 L F = 8 >>> Valvéole = 0.85 L x 8 = 6.8 L/min

Remarque 2 se méfier de ce qui augmente le VD !!!


Remarque 3 seulement ~10% de l’air alvéolaire est renouvellé à chaque cycle ventilatoire: car VC-VD = 0.35 L / 3L totaux

Espace mort VD = 0.15 L

Poumons = alvéoles = 3 L (=VRI, fin d’inspiration normale)

CRF = 2.5 L dont VR = 1.2 L

VC = 0.5 L

VRE

Temps

Volume VRI


Remarque 4 L’air expiré n’est pas de l’air alvéolaire : il est mélangé avec de l’air de l’espace mort donc il est moins chargé en CO2 et plus chargé en O2 que l’air alvéolaire


1.  Ventilation alvéolaire et ventilation totale 2.  Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3.  Mécanismes des échanges gazeux 4.  Rapport ventilation / perfusion

2. Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires

Comparaison des valeurs des gaz de l’air inspiré et expiré

Poumons =

Échangeur ?

Gaz inspiré

Sang Artère Pulmonaire

Gaz expiré

Sang Veines Pulmonaires

Comparaison des valeurs des gaz du sang artériel et veineux

Comparaison des valeurs des gaz de l’air inspiré et expiré Méthodes:

recueil des gaz dans un sac en caoutchouc analyse des gaz

F O2

F CO2

F N2

Gaz inspiré

21 %

0.03 %

78.9 %

Gaz Expiré

17 %

Saturé vapeur d’eau

3.3 %


79.7 %


Il y a bien eu échange au niveau des poumons

Le gaz alvéolaire a une composition très différente !!!

F O2

F CO2

F N2

F H2O

Gaz inspiré

21 %

0.03 %

78.9 %

0.46%

Gaz

Expiré

17 %

3.3 %

79.7 %

6.2%

Gaz

alvéolaire

13.7 %

5.2 %

74.9 %

6.2%

Comparaison des valeurs des gaz du sang artériel et veineux

En mL pour 100 mL

de sang

O2

CO2

N2

C v

Artère pulmonaire

Sang veineux mêlé

15 mL

53 mL

1 mL

C a

Veines pulmonaires

Sang oxygéné

20 mL

49 mL

1 mL


1.  Ventilation totale et ventilation alvéolaire 2.  Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3.  Mécanismes des échanges gazeux

a.  Rappel sur la notion de pression partielle b.  Echanges alvéolo-capillaires

4.  Rapport ventilation / perfusion

Poumons =

échangeur

Gaz inspiré

Sang Artère Pulmonaire

Gaz expiré

Sang Veines Pulmonaires

Quels sont les mécanismes de l’échange ?

Pressions partielles des gaz dans les milieux considérés air alvéolaire & sang

>>> Mécanisme physique de diffusion libre par gradient de pression

Physiologie de la respiration 2ème partie



a.  Rappel sur la notion de pression partielle b.  Échanges alvéolo-capillaires


a. Rappel sur la notion de pressions partielles

Les pressions partielles se calculent avec la loi de Dalton * les fractions en gaz de l’air * la pression atmosphérique

Pression partielle en oxygène de l’air inspiré PIO2 = 760 x 0.21 = 160 mm Hg

Pression partielle en oxygène de l’air alvéolaire PAO2 = 760 x 0.137 = 104 mm Hg

Pressions efficaces pour les échanges gazeux dans l’alvéole

Pression partielle en CO2 de l’air inspiré PICO2 = 760 x 0.0003 = 0.25 mm Hg

Pression partielle en CO2 de l’air alvéolaire PACO2 = 760 x 0.052 = 40 mm Hg

Au niveau de la mer, pression atmosphérique = 760 mm Hg:

En altitude, la pression atmosphérique chute : à 5000m, elle est de 400 mmHg

PIO2 = 400 x 0.21 = 84 mm Hg

PAO2 = 400 x 0.137 = 55 mm Hg

&

Diminution de moitié de la pression partielle en oxygène alvéolaire

Pressions partielles

(0 m altitude)

O2

CO2

air inspiré

160 mm Hg

0.25 mm Hg

air alvéolaire

100 mm Hg

40 mm Hg

Résumé

Pressions partielles en gaz du sang de l’artère et des veines pulmonaires

(Mesurées par tonométrie)

O2 CO2

Pa (mmHg) Veines pulmonaires

et aorte

95-100 40

Pv (mmHg) Artère pulmonaire

(veineux mêlé)

40 45

Pa – Pv 60 - 5



a.  Rappel sur la notion de pression partielle b.  Échanges alvéolo-capillaires

a.  La membrane alvéolo-capillaire b.  Capacité de diffusion / transfert c.  Diffusion alvéolo-capillaire


a. La membrane alvéolo-capillaire

b. Capacité de diffusion / transfert pulmonaire des gaz respiratoires

Loi de Henry (1): Quand un mélange de gaz est en contact avec un liquide, chaque gaz se dissout dans le liquide en proportion de sa pression partielle: >>> plus un gaz est concentré dans le mélange gazeux,

plus il se dissout en grande quantité. Si la pression partielle du gaz est plus grande dans le liquide que dans le mélange gazeux, une partie des molécules de gaz dissoutes passe dans le mélange gazeux.

Dans les alvéoles pulmonaires

Chaque gaz, O2 ou CO2, passe des alvéoles vers le sang ou l’inverse

en fonction du gradient de sa pression partielle entre les deux cotés


Loi de Henry (2): Le volume de gaz qui se dissout dans un liquide à une pression partielle donnée dépend aussi de la solubilité du gaz dans le liquide et de la température du liquide.

Solubilités

O2 = 0.023 mL / mL de liquide

CO2 = 0.47 mL / mL de liquide

L’azote est quasi insoluble


Solubilités O2 : 0.023 ml / 1 ml CO2 : 0.47 ml / 1 ml

Capacités de diffusion O2 20 – 30 mL / min / mm Hg CO2 400 ml / min / mm Hg Capacité de diffusion

Le CO2 diffuse beaucoup plus vite / unité de pression que l’O2

mais les gradients de pression sont très ≠ : 60 mm Hg / O2; 5 mmHg / CO2

et les deux gaz diffusent à une vitesse du même ordre de grandeur

d. Diffusion alvéolo-capillaire

Oxygénation du sang dans les capillaires Le sang est oxygéné en 0.25 s, 1/3 du temps

qu’un érythrocyte passe dans un capillaire pulmonaire De même pour le CO2 qui est épuré dans le même temps (0.25 s)

x L’écoulement sanguin dans les capillaires pulmonaires peut se faire 3 fois plus vite sans que l’oxygénation du sang en soit affectée

d. Diffusion alvéolo-capillaire

Versant veineux (Artère pulmonaire)

Versant artériel (Veines pulmonaires)

Physiologie de la respiration 2ème partie


1.  Ventilation totale et ventilation alvéolaire 2.  Mise en évidence des échanges gazeux pulmonaires 3.  Mécanismes des échanges gazeux 4.  Couplage ventilation / perfusion

1.  Artérialisation du sang capillaire

Artérialisation du sang capillaire Diffusion alvéolo-capillaire

Dépend de VA (ventilation alvéolaire)

de Q cap ( débit sanguin capillaire)

Il faut un couplage entre la ventilation et le débit sanguin capillaire

Dans un poumon sain, il existe une hétérogénéité de distribution de la perfusion

20 fois plus de perfusion à la base

qu’au sommet des poumons

Effet de la gravité

Dans un poumon sain, il existe une hétérogénéité de distribution de la ventilation

Base Sommet

2 fois plus de ventilation à la base

qu’au sommet des poumons

Pression IntraPleurale – négative à la base : favorise un volume pulmonaire + grand à la base

Alvéoles + petites et + distensibles

(compliantes) à la base

Dans un poumon sain, il existe une hétérogénéité de distribution de la perfusion et de la ventilation

Base Sommet

Le rapport ventilation / perfusion est 3 fois plus important

au sommet qu’à la base des poumons

Le rapport VA / Q CAP n’est pas identique dans tout le poumon

Le rapport idéal de 1 se trouve donc dans la partie médiane des poumons

Dans un poumon pathologique, il peut y avoir des shunts dans la circulation

ou une augmentation de l’espace mort

L’artérialisation est moins bonne car Ø  des alvéoles ne sont pas ventilées: ex obstruction bronchique Ø  des capillaires sont obstrués: ex embolie pulmonaire

Adaptations locales à un défaut de couplage ventilation - perfusion

Si alvéoles mal ventilées >>> PO2 faible

>>> les artérioles pulmonaires se contractent >>> le sang est dévié vers des alvéoles où la PO2 est élevée et l’oxygénation peut se faire efficacement

Dans alvéoles très bien ventilées >>> PO2 forte

>>> les artérioles pulmonaires se dilatent >>> l’écoulement sanguin augmente


Adaptation à la PO2


Adaptation à la PCO2

Les variations de PCO2 influent sur le diamètre des bronchioles

Les conduits (bronchioles) desservant des régions où la PCO2 est forte se dilatent et le CO2 peut s’éliminer plus facilement

Inversement, les conduits desservant les régions où la PCO2 est faible

se contractent


Ces adaptations font que ventilation et perfusion sont synchronisées

q Mais, l’équilibre n’est jamais parfait v  Anastomoses entre veines bronchiques et pulmonaires

abaissent un peu la PO2

v  Effets de la gravité / effet du rapport perfusion / ventilation non équivalents entre les différentes régions des poumons

v  Présence occasionnelle de mucus dans les conduits alvéolaires

PO2 alvéolaire = 104 mm Hg PO2 veines pulmonaires = 95 – 100 mm Hg

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