Organisation du système respiratoire et mécanique ventilatoire

Introduction

La respiration recouvre plusieurs sens en physiologie : la ventilation pulmonaire (circulation de l'air dans les poumons), la respiration externe (diffusion des gaz entre alvéoles et capillaires pulmonaires), la respiration interne (diffusion entre sang et cellules), et la respiration cellulaire (utilisation intracellulaire de l'O2, production de CO2 et d'ATP).

I. Organisation fonctionnelle du système respiratoire

1. Les voies aériennes

• Voies aériennes supérieures : bouche, cavité nasale, pharynx, larynx. Voies aériennes inférieures : trachée, bronches souches et leurs ramifications, poumons. La trachée (15-20 anneaux cartilagineux en C) se divise en 2 bronches souches, puis en bronches (divisions 2-11), puis en bronchioles (divisions 12-23).

2. Zone de conduction

• Du nez aux bronchioles terminales (16 premières générations) : achemine, filtre, réchauffe et humidifie l'air. L'épithélium cilié, recouvert de mucus, piège les particules et les refoule vers le pharynx (le tabac inhibe l'activité ciliaire ; la mucoviscidose épaissit le mucus, provoquant un encombrement bronchique).

3. Zone respiratoire

• Bronchioles respiratoires, conduits alvéolaires, alvéoles pulmonaires — siège exclusif des échanges gazeux. Les parois alvéolaires sont composées à 95 % de pneumocytes de type I (échanges) ; les pneumocytes de type II, disséminés, sécrètent le surfactant (phospholipide réduisant la tension superficielle) et des protéines antimicrobiennes.
• Loi de Laplace : P = 2T/r (P = pression intra-alvéolaire, T = tension superficielle, r = rayon). Plus l'alvéole est petite, plus le risque de collapsus est élevé ; le surfactant, plus concentré dans les petites alvéoles, compense ce risque. Chez le prématuré, le déficit en surfactant cause une détresse respiratoire par collapsus alvéolaire, traitée par surfactant exogène.

4. Vascularisation et innervation pulmonaires

• Circulation pulmonaire : volume élevé (débit 5 L/min), pression faible (25/8 mmHg), assure l'hématose. Circulation bronchique : petit volume, forte pression, issue de l'aorte, nourrit le tissu pulmonaire (sauf les alvéoles). Innervation : fibres parasympathiques → bronchoconstriction ; fibres sympathiques → bronchodilatation.

5. Structure de la paroi bronchique et plèvre

• Paroi bronchique : muqueuse ciliée, sous-muqueuse, glandes séro-muqueuses, muscle lisse circulaire, charpente cartilagineuse (l'épaississement du muscle lisse dans les petites bronches explique la crise d'asthme).
• Plèvre : feuillets viscéral et pariétal séparés par un espace virtuel lubrifié. La pression intrapleurale est négative (-3 cmH2O à la base, -10 cmH2O au sommet en position debout), maintenant les bronchioles ouvertes. Pathologies : pleurésie, hémothorax, pneumothorax (perte de la pression négative, rétraction pulmonaire).

II. Ventilation et mécanique pulmonaire

1. Les 5 étapes de la respiration

• (1) Ventilation (air ↔ alvéoles), (2) échange gazeux alvéolo-capillaire, (3) transport gazeux sanguin, (4) échange gazeux capillaro-tissulaire, (5) respiration cellulaire (interne).

2. Lois physiques des gaz

• Loi de Dalton : la pression totale d'un mélange gazeux est la somme des pressions partielles de chaque gaz (Pgaz = Patm × fraction du gaz). Air atmosphérique (niveau de la mer, Patm = 760 mmHg) : FN2 = 79 %, FO2 = 21 %. En conditions BTPS (37°C, saturé en vapeur d'eau, PH2O = 47 mmHg), PO2 inspiré = 149 mmHg.
• Composition de l'air alvéolaire (respiration normale) : PAO2 = 100 mmHg, PACO2 = 40 mmHg. En hypoventilation, PAO2 diminue et PACO2 augmente ; en hyperventilation, l'inverse.

3. Le cycle respiratoire

• Fréquence respiratoire (FR) : 15-20 cycles/min (adulte au repos), 40-50 à l'exercice, 40-60 chez le nouveau-né. Rapport temps inspiratoire/expiratoire au repos ≈ 1:2. Représentations : spirogramme (volume-temps) et pneumotachogramme (débit-temps, débits inspiratoires négatifs par convention).

4. Muscles respiratoires

• Respiration de repos : diaphragme (2/3 du travail inspiratoire, innervé par les nerfs phréniques), intercostaux externes, scalènes. Respiration forcée : recrutement des intercostaux internes et des muscles abdominaux. Expiration calme = passive (élasticité thoraco-abdominale 30 %, tension de surface alvéolaire 70 %) ; expiration active à l'exercice (muscles expiratoires).

5. Mécanisme du débit aérien

• L'air se déplace selon un gradient de pression (loi d'écoulement des masses) ; la relation pression-volume suit la loi de Boyle-Mariotte (P1V1 = P2V2). À l'inspiration : contraction diaphragmatique → expansion thoracique → chute de la pression intrapleurale (Pip) et alvéolaire (Palv) sous la Patm → entrée d'air. À l'expiration : relâchement musculaire → Palv > Patm → sortie d'air.

6. Volumes et capacités pulmonaires

7. Ventilation minute et espace mort

• Ventilation totale (VE) = VT × FR = 500 × 15 = 7500 mL/min. Ventilation alvéolaire (VA) = VE - (VD × FR) ≈ 5250 mL/min (seul débit participant réellement aux échanges). La ventilation minute peut être multipliée par 10 à l'exercice.
• Espace mort anatomique (VD) = 150 mL (voies aériennes de conduction, non échangeuses). Espace mort alvéolaire : alvéoles ventilées mais non perfusées. Espace mort physiologique = anatomique + alvéolaire (≈ anatomique chez le sujet sain).

8. Distribution de la ventilation et de la perfusion (VA/Q)

• En position debout, la perfusion diminue plus nettement que la ventilation de la base vers le sommet (effet de la gravité) : le rapport VA/Q diminue donc du sommet vers la base. VA/Q normal = 0,8 (PO2 capillaire = 100 mmHg) ; si VA/Q < 0,8, hypoxémie ; si VA/Q = 0 (absence de ventilation), le sang reste veineux (PO2 = 40 mmHg). Régulation locale : le CO2 régule les résistances bronchiolaires, l'O2 régule les résistances artériolaires pulmonaires (vasoconstriction hypoxique).

9. Compliance et élastance

• Compliance = ΔV/ΔP (distensibilité pulmonaire, ≈ 0,2 L/cmH2O en zone linéaire). Élastance = 1/compliance = ΔP/ΔV. Compliance élevée dans l'emphysème ; compliance basse dans la fibrose (nécessitant une pression transpulmonaire plus importante). La compliance régionale est plus élevée à la base qu'au sommet du poumon (position debout).

10. Propriétés résistives

• Loi de Poiseuille : la résistance dépend principalement du rayon des voies aériennes. La plus grande résistance se situe dans les bronches de calibre moyen (voies centrales : résistance élevée, faible surface de section totale ; petites voies périphériques : résistance faible, grande surface de section totale). Répartition : nez 50 %, grosses bronches 40 %, petites bronches (générations 7-23) seulement 10 % de la résistance totale.
• Bronchomotricité : contrôle nerveux (vague afférent, centres bulbaires, efférences cholinergiques bronchoconstrictrices/récepteurs muscariniques bloqués par l'atropine, ou adrénergiques bronchodilatatrices/récepteurs β2) et contrôle humoral (histamine, thromboxane, leucotriènes libérés par les mastocytes, bronchoconstricteurs). Pathologies : asthme, BPCO.

Conclusion

L'appareil respiratoire s'organise en une zone de conduction, qui achemine et conditionne l'air, et une zone respiratoire, où se déroulent les échanges gazeux au niveau d'une surface alvéolaire considérable stabilisée par le surfactant. La ventilation résulte de variations cycliques de pression générées par les muscles respiratoires, dont l'efficacité dépend de la compliance pulmonaire et des résistances des voies aériennes, tandis que l'adéquation régionale entre ventilation et perfusion (rapport VA/Q) conditionne la qualité de l'oxygénation sanguine. Le chapitre suivant aborde les échanges gazeux proprement dits et le transport de l'oxygène et du gaz carbonique dans le sang.