II - Mécanique ventilatoire :

2.1) Le Poumon :

2.1.a) Propriétés élastiques du poumon - Notion de compliance :

Le poumon d'un point de vue mécanique est un ressort pour lequel il existe une relation entre force exercée (pression) et déplacement (volume).
Compliance : C=V / P.
A une variation de volume correspond une variation de Pression. La pente courbe pression volume, ou variation de volume par unité de variation de pression définit la compliance. Celle-ci mesure la facilité avec laquelle le poumon change de volume.

Courbe pression volume

Notions Générales :
- Compliance pulmonaire : se définit comme la variation de volume pulmonaire observée pour une variation de pression d'une unité. Elle renseigne sur la résistance à l'expansion du tissu pulmonaire ; elle est d'autant plus faible que la résistance est grande. L'unité est le CmH₂O.
- La figure " Courbe pression volume " montre que les courbes suivies par le poumon à l'inspiration et l'expiration ne sont différentes : ce comportement définit l'Hystérésis.
- Notion de stabilité Pulmonaire : Le poumon peut être considéré comme un ensemble de 300 millions d'alvéoles, bulles d'air par définition structure instable. En raison de la tension superficielle du liquide tapissant les alvéoles, des forces relativement importantes se développent et tendent à le collaber (tension superficielle = force qui s'exerce sur un segment de la surface d'un liquide). Heureusement, quelques cellules de la paroi alvéolaire sécrètent une substance, le surfactant, qui abaisse très fortement la tension superficielle, en conséquence la stabilité des alvéoles est considérablement augmentée, bien qu'un collapsus des petites unités périphériques soit toujours un problème potentiel et survienne fréquemment en pathologie.

En A, la tension de surface est la force en dynes agissant de part et d'autre d'une ligne imaginaire de 1 cm de long dans la couche de surface du liquide.
En B, les forces de surfaces dans une bulle de savon tendent à réduire cette surface et engendrent une pression à l'intérieur de la bulle.
En C, les petites bulles se vident dans les grosses et les distendent, parce que leur pression interne est plus grande.

Comparaison des courbes pression-volume avec des poumons contenant soit une solution saline soit de l'air.
Le poumon gonflé avec la solution saline à une compliance plus élevée et une hystérisis moins marquée que le poumon gonflé d'air.
Neergaard a montré que des poumons gonflés avec une solution saline avaient une compliance beaucoup plus grande que des poumons remplis d'air puisque la solution saline abolit la tension superficielle mais n'affecte pas les forces tissulaires du poumon. Cette notion signifie que la tension superficielle représente une part importante de la force de rétraction du poumon.

Mise en évidence du surfactant :

La balance de surface, constituée d'un plateau contenant un sérum salé la surface de laquelle on dépose du matériel tensioactif. Une cloison mobile étire et comprime de manière alternatif l'étendue de la surface pendant que l'on mesure la tension superficielle par la force exercée sur la lamelle de platine immergée. Une solution saline pure donne une tension de surface de 70 dyn/cm quelque soit la surface, alors que l'adjonction du liquide de lavage pulmonaire diminue la tension superficielle, remarquons que cette tension varie avec la surface, et qu'elle atteint des valeurs très basse lorsque la surface est petite, d'autre part qu'il existe un Hystérésis.

Propriétés du surfactant :
- fabriqué par cellules du type II des alvéoles
- formé relativement tard dans la vie foetale d'où la détresse respiratoire du prématuré
- riche en DPPC (dipalmitoyl-phosphatidyl-choline), phospholipide synthétisé à partir d'acides gras
- possède un pole hydrophobe et hydrophile => forme un film
- modifie la tension superficielle
Rôle du surfactant :
- diminue la tension superficielle
- augmente la compliance pulmonaire
- diminue le travail inspiratoire
- stabilise les alvéoles et facilite les échanges
- prévient les oedèmes interstitiels alvéolaires.
  Du fait de la tension superficielle, les alvéoles ont tendances à se resserrer les unes aux autres, se faisant elle tirent sur les vaisseaux avoisinant attirant leurs contenu d'où la survenu d'oedèmes et la gêne aux échanges.

2.2) La cage thoracique :

Véritable soufflet mécanique, élastique.
Inspiration :
- Phénomène actif réalisé essentiellement par le diaphragme :
  - muscle moteur de l'inspiration
  - disposé en dôme inséré sur les côtes inférieures
  - forme concave au repos
  - commandé par le nerf phrénique qui vient des segments cervicaux C₃ C₄C₅.
  - sa contraction refoule le contenu abdominal vers le bas et l'avant et augmente le diamètre transversal du thorax (écarte les côtes)

A l'inspiration la coupole diaphragmatique se contracte, le contenu abdominal est refoulé en bas et en avant, les côtes sont relevées. A l'expiration, les muscles abdominaux se contractent et refoule le diaphragme en haut

Les intercostaux externes inclinés en bas et en dehors augmente le diamètre transversal et antéropostérieur du thorax par projection des cotes vers le haut et vers l'avant. Les intercostaux internes ont l'action opposée.

Lorsque les muscles intercostaux externes se contractent, les côtes sont poussées vers l'avant et l'extérieur, et pivotent, augmentant ainsi les diamètres antéropostérieurs du thorax.

Les muscles accessoires de l'inspiration comprennent :
- les scalénes : élèvent les deux premières côtes,
- le sternocléidomastoidien : élève le sternum.
- Ces muscles ne sont mobilisés que pour l'effort.

Expiration :
- phénomène passif , correspond au retour à la position d'équilibre de la paroi thoracique par nature élastique. Seule, l'effort mobilise des muscles tel que grand droit, transverses et obliques de la paroi abdominale (toux, vomissement, défécation), et les intercostaux internes attirant les cotes vers le bas et en dedans.

2.3) La plèvre :

C'est le moteur car elle transmet les différences de pressions de la cage thoracique au poumon. C'est un espace virtuel de glissement.
Il existe une pression négative au niveau de la plèvre =>
- accolement des deux feuillets
- tire le poumon pour le coller contre la cage thoracique
Le poumon ne fait que suivre le mouvement de la cage thoracique car la plèvre existe

2.3.a) Transmission des différences de pression :

Pour distendre le poumon, il faut une pression de 5 à 10 cmH₂O.
L'effet du pneumothorax : la tendance du poumon à se rétracter est contrebalancé par la tendance à la cage thoracique à se détendre. Si l'on introduit de l'air dans l'espace interpleural, élevant la pression au niveau atmosphérique, le poumon se rétracte, et la paroi thoracique se détend.

La tendance du poumon à se rétracter à son volume minimal est contrebalancé par la tendance de la cage thoracique à se détendre. Par suite, la pression intrapleurale est infra-atmosphérique.

Un PNO permet au poumon de se collaber et au thorax de se distendre.

2.3.b) Corrélation pression pleurale et respiration :

Courbe de relaxation pression volume du poumon et de la paroi thoracique

2.3.c) Différences régionales de ventilation :

La pression d'un liquide est fonction de sa hauteur. La pression sera plus importante en haut qu'en bas. Pour la pression pleurale il en est de même. Cette pression varie du fait de l'orthostatisme car le poumon pèse plus lourd à la base qu'au sommet. Or, comme tout objet soutenu, il nécessite pour contrebalancer son poids une pression plus grande en dessous qu'au-dessus. Ainsi, la pression à la basse sera supérieure à la pression au sommet. A la base, une faible variation de pression entraîne une forte variation de volume.
La base ventile mieux que le sommet :

Explication des différences régionales de ventilation de haut en bas du poumon. Du fait du poids du poumon, la pression intrapleurale est moins négative à la base qu'à l'apex. Par conséquent la base est relativement comprimée, à son état de repos, mais se gonfle mieux à l'inspiration que la région apicale.

2.3.D) Volume de fermeture :

Volume du poumon pour lequel les bronchioles terminales de la base se ferment, quand le poumon ne tire plus assez pour les garder ouvertes.
La région comprimée du poumon à la base n'est pas totalement vidée de son gaz.
En pratique, de petites voies aériennes, dans la région des bronchioles respiratoires se ferment en premier, piégeant ainsi les gaz des alvéoles distaux.
Cette fermeture survient chez les sujets normaux et jeunes à très bas volumes seulement.
Chez le sujet âgé, le poumon perdant une partie de sa rétraction élastique, la fermeture des voies aériennes survient pour des volumes plus importants pouvant empiéter sur la CRF. De ce fait les portions de poumon correspondantes peuvent être que ventilées de façon intermittente, et ceci perturbe les échanges gazeux. Idem pour les maladies pulmonaires chroniques (amiante, tabac,...).

Situation à très bas volume pulmonaire (volume résiduel) : Dans ce cas, les pressions intrapleurales sont moins négatives, et la pression à la base dépasse celles des voies aériennes (pression atmosphérique). De se fait, une fermeture des voies aériennes se produit dans cette région, et le gaz ne peut pas pénétrer si le volume inspiré est trop petit.
La courbe de compliance est déplacée vers la droite. La pression pleurale n'est plus suffisante pour ouvrir les alvéoles. Physiologiquement le volume de fermeture est inférieur à la CRF.

2.4) Les résistances :

2.4.a) Les résistances aériennes :

Difficulté qu'a un liquide gazeux à s'écouler.
Types d'écoulement :
- laminaire :
  - parallèle à la trachée, par exemple.
  - plus la bronche est fine, plus la résistance à l'écoulement est importante
- turbulent :
  - " tourbillons "
  - la résistance à l'avancement est considérable
  - l'air passe difficilement par rapport à l'écoulement laminaire
- transitionnel :
  - écoulement laminaire + quelques tourbillons
Résistance importante aux premières divisions bronchiques car la vitesse est élevée
Dès les bronchioles segmentaires, la vitesse diminue, la résistance diminue, les échanges sont facilités

Modèle de flux gazeux dans des tubes
A laminaire ; B transitionnel ; C turbulent
En pratique le nombre de reynolds Re détermine le type de flux laminaire ou turbulent.
Re =densité*vélocité*diamétre/viscosité
si Re petit = flux laminaire
si Re grand = flux turbulent
Type d'écoulement prédominants :
bronchiole terminale = écoulement laminaire, la vitesse est quasi nulle, les résistances réduites, il y aura facilitation des échanges.
trachée idem sauf si inspiration forcée (= turbulence+++)

Facteurs modifiants les résistances :
- le volume pulmonaire
- les muscles lisses de la paroi des bronches (Ach collabent,, B+ dilate)
- la densité des gaz aspirés
- la viscosité des gaz aspirés (exemple de l'hélium qui modifie la viscosité donc diminue les résistances)
Sites principal de la résistance des voies aériennes :
- l'essentiel de résistances se localisent jusqu'à la 7^ème génération

Localisation du siège principal de la résistance des voies aériennes

Rem : les bronches de calibres intermédiaire contribuent à la majeure partie de la résistance et que seule une petite partie de la résistance est située dans les très petites voies aériennes.

2.4.b) Les résistances tissulaires :

= mobilisation des tissus (forces visqueuses)
Négligeables, ne représentent que 20% des résistances totales.

2.5) Notion de travail respiratoire :

Rendement = [travail utile/énergie totale dépensée] x 100
Energie totale dépensée = coût en O₂
Ce rendement est estimé à 5 - 10% au repos
30 % de la consommation en O₂ lors de l'effort est réservé à la respiration.

III - Epreuves fonctionnelles Respiratoires