Boundless Anatomy and Physiology

Pressure Changes During Pulmonary Ventilation

Ventilation is the rate at which gas enters or leaves the lung.

Learning Objective

Differentiate among the types of pulmonary ventilation: minute, alveolar, dead space

Key Takeaways

Key Points

  • Ventilation is the rate at which gas enters or leaves the lung.
  • The three types of ventilation are minute ventilation, alveolar ventilation, and dead space ventilation.
  • The alveolar ventilation rate changes according to the frequency of breath, tidal volume, and amount of dead space.
  • La PA désigne la pression partielle alvéolaire d’un gaz, tandis que Pa désigne la pression partielle de ce gaz dans le sang artériel.
  • L’échange gazeux se produit à partir de la diffusion passive car la PAO2 est supérieure à la PaO2 dans le sang désoxygéné.

Termes clés

  • Ventilation : Le processus corporel de la respiration, l’inhalation d’air pour fournir de l’oxygène et l’expiration de l’air usé pour éliminer le dioxyde de carbone.
  • Pression partielle : La pression exercée par un gaz, dans l’air ou dissous, qui indique la concentration de ce gaz.

Les types de taux de ventilation

En physiologie respiratoire, le taux de ventilation est la vitesse à laquelle le gaz entre ou sort du poumon. La ventilation est généralement exprimée comme le volume d’air multiplié par une fréquence respiratoire.

Le volume d’air peut faire référence au volume courant (la quantité inhalée dans une respiration moyenne) ou à quelque chose de plus spécifique, comme le volume de l’espace mort dans les voies respiratoires. Les trois principaux types de taux de ventilation utilisés en physiologie respiratoire sont :

  1. Ventilation minute (VE) : La quantité d’air entrant dans les poumons par minute. Elle peut être définie comme suit : \text{VE}=\text{Volume courant}\times\text{Respirations par minute}
  2. Ventilation alvéolaire (VA) : La quantité de gaz par unité de temps qui atteint les alvéoles et participe aux échanges gazeux. Elle est définie comme suit : \text{VA}=\left(\text{Volume courant}-\text{Volume de l’espace mort}\right)\times\text{Respiratory Rate}
  3. Ventilation de l’espace mort (VD) : La quantité d’air par unité de temps qui ne participe pas aux échanges gazeux, comme l’air qui reste dans les zones conductrices. Elle est définie comme suit : \text{VD}=\text{Volume de l’espace mort}\times\text{Rythme respiratoire}.

En outre, la ventilation minute peut être décrite comme la somme de la ventilation alvéolaire et de la ventilation de l’espace mort, à condition que le rythme respiratoire utilisé pour les dériver soit exprimé en termes de respirations par minute.

Les trois types de ventilation sont mathématiquement liés les uns aux autres, de sorte que les changements d’un taux de ventilation peuvent entraîner le changement des autres. Ceci est plus apparent dans les changements du volume de l’espace mort. Respirer à travers un tube d’apnée et avoir une embolie pulmonaire augmentent tous deux la quantité de volume d’espace mort (par l’espace mort anatomique versus alvéolaire respectivement), ce qui réduira la ventilation alvéolaire.

La ventilation alvéolaire est le type de ventilation le plus important pour mesurer la quantité d’oxygène qui pénètre réellement dans le corps, ce qui peut initier des mécanismes de rétroaction négative pour essayer d’augmenter la ventilation alvéolaire malgré l’augmentation de l’espace mort. En particulier, le corps tentera généralement de combattre l’augmentation de l’espace mort en augmentant la fréquence des respirations pour essayer de maintenir des niveaux suffisants de ventilation alvéolaire.

Pression partielle des gaz

Ceci est un diagramme des échanges gazeux dans les poumons. Il montre l'aveoli éliminant le dioxyde de carbone du sang, puis ajoutant de l'oxygène au sang.

Échange gazeux dans les poumons : Schéma des échanges gazeux dans les poumons.

Lorsque des gaz se dissolvent dans le sang pendant la ventilation, ils sont généralement décrits par la pression partielle des gaz. La pression partielle désigne plus spécifiquement la concentration relative de ces gaz par la pression qu’ils exercent à l’état dissous.

En physiologie respiratoire, PAO2 et PACO2,désignent les pressions partielles de l’oxygène et du dioxyde de carbone dans les alvéoles.

PaO2 et PaCO2 désignent les pressions partielles de l’oxygène et du dioxyde de carbone au sein du sang artériel. Les différences de pressions partielles des gaz entre l’air alvéolaire et le flux sanguin sont la raison pour laquelle les échanges gazeux se produisent par diffusion passive.

Dans des conditions normales, la PAO2 est d’environ 100 mmHg, tandis que la PaO2 est de 80 à 100 mmHg dans les artères systémiques, mais de 40 à 50 mmHg dans le sang désoxygéné de l’artère pulmonaire allant aux poumons.

Rappelons que les gaz se déplacent des zones de haute pression vers les zones de basse pression, ainsi la plus grande pression de l’oxygène dans les alvéoles par rapport à celle du sang désoxygéné explique pourquoi l’oxygène peut diffuser passivement dans le sang lors des échanges gazeux.

À l’inverse, la PACO2 est de 35 mmHg, alors que la PaCO2 est d’environ 40-45 mmHG dans les artères systémiques et 50 mmHg dans l’artère pulmonaire. La pression partielle, et donc la concentration de dioxyde de carbone, est plus importante dans les dans les capillaires des alvéoles par rapport à l’air alvéolaire, de sorte que le dioxyde de carbone va diffuser passivement de la circulation sanguine vers les alvéoles au cours des échanges gazeux.

En outre, comme la PaCO2 est un indicateur de la concentration de dioxyde de carbone dans le sang artériel, elle peut être utilisée pour mesurer le pH sanguin et identifier les cas d’acidose et d’alcalose respiratoires.

Inspiration

L’inhalation est le flux d’air dans un organisme qui est dû à une différence de pression entre l’atmosphère et l’alvéole.

Objectif d’apprentissage

Souligner les mécanismes de l’inspiration

Principes clés

Points clés

  • Chez l’homme, l’inspiration est le flux d’air dans un organisme depuis l’environnement externe, à travers les voies respiratoires et dans les alvéoles.
  • L’inspiration commence par le début d’une contraction du diaphragme, qui entraîne une expansion des cavités thoracique et pleurale et une diminution de la pression (également appelée augmentation de la pression négative).
  • Il existe de nombreux muscles accessoires impliqués dans l’inspiration – comme les muscles intercostaux externes, les muscles scalènes, le muscle sternocléidomastoïdien et le muscle trapèze.
  • Respirer uniquement avec les muscles accessoires au lieu du diaphragme est considéré comme inefficace, et fournit beaucoup moins d’air pendant l’inspiration.
  • La pression négative dans la cavité pleurale est suffisante pour maintenir les poumons ouverts malgré l’élasticité inhérente du tissu. La cavité thoracique augmente de volume, ce qui provoque une baisse de la pression (un vide partiel) à l’intérieur du poumon lui-même.
  • Tant que la pression à l’intérieur des alvéoles est inférieure à la pression atmosphérique, l’air continue à se déplacer vers l’intérieur, mais dès que la pression est stabilisée, le mouvement de l’air s’arrête.

Termes clés

  • inspiration : L’aspiration de l’air dans les poumons, accomplie chez les mammifères par l’élévation des parois thoraciques et l’aplatissement du diaphragme.
  • Muscles accessoires : Muscles qui contribuent à l’expansion de petites parties de la cavité thoracique, soit en travaillant en plus du diaphragme, soit en le remplaçant si le diaphragme est blessé.
  • Pression intrapleurale : La pression à l’intérieur de la cavité pleurale, qui est négative par rapport à l’air extérieur et devient encore plus négative pendant l’inspiration.

L’inspiration fait référence à l’inhalation – c’est le flux du courant respiratoire dans un organisme. Chez l’homme, c’est le mouvement de l’air ambiant à travers les voies respiratoires et dans les alvéoles des poumons.

Le processus d’inspiration

L’inspiration commence par la contraction du diaphragme, qui entraîne une expansion de la cavité thoracique et de la cavité pleurale. La cavité pleurale a normalement une pression plus faible par rapport à l’air ambiant (-3 mmHg normalement et typiquement -6 mmHg pendant l’inspiration), donc lorsqu’elle se dilate, la pression à l’intérieur des poumons diminue.

La pression et le volume sont inversement liés l’un à l’autre, donc la baisse de pression à l’intérieur du poumon augmente le volume d’air à l’intérieur du poumon en attirant l’air extérieur dans le poumon. Lorsque le volume d’air à l’intérieur du poumon augmente, le poumon repousse contre la cavité pleurale dilatée en raison de la baisse de la pression intrapleurale (pression à l’intérieur de la cavité pleurale).

La force de la pression intrapleurale est même suffisante pour maintenir les poumons ouverts pendant l’inspiration malgré le recul élastique naturel du poumon. Les sacs alvéolaires se dilatent également du fait qu’ils sont remplis d’air pendant l’inspiration, ce qui contribue à l’expansion à l’intérieur du poumon.

En fin de compte, la pression à l’intérieur du poumon devient moins négative à mesure que le volume à l’intérieur du poumon augmente et, lorsque la pression et le volume se stabilisent, le mouvement de l’air s’arrête, l’inspiration se termine et l’expiration (expiration) va commencer. Les respirations profondes ont des volumes courants plus élevés et nécessitent une plus grande chute de la pression intrapleurale par rapport aux respirations moins profondes.

Il s'agit d'un dessin schématique de l'ensemble des voies respiratoires, incluant les détails internes tels que l'aveoli. Il illustre les voies respiratoires comme un système complexe et connecté où la résistance dans n'importe quelle partie peut causer des problèmes.

Système respiratoire : Une résistance dans n’importe quelle partie de l’appareil respiratoire peut causer des problèmes.

Muscles accessoires de l’inspiration

Le diaphragme est le principal muscle impliqué dans la respiration, cependant plusieurs autres muscles jouent un rôle dans certaines circonstances. Ces muscles sont appelés muscles accessoires de l’inspiration.

  • Muscles intercostaux externes : Muscles situés entre les côtes qui aident la cavité thoracique et la cavité pleurale à se dilater pendant l’inspiration calme et forcée.
  • Muscles scalènes : Muscles du cou qui soulèvent les côtes supérieures (et la cavité thoracique autour des côtes supérieures) pour aider à la respiration. Ils fournissent un mécanisme d’inspiration lorsque le diaphragme est blessé et ne peut pas se contracter normalement.
  • Muscle sternocléidomastoïdien : Muscles qui relient le sternum au cou et permettent la rotation et le retournement de la tête. Ils peuvent soulever les côtes supérieures comme le font les muscles scalènes.
  • Muscle trapézoïdal : Muscles des épaules qui rétractent l’omoplate et élargissent la partie supérieure de la cavité thoracique.

Les muscles accessoires aident à la respiration en élargissant la cavité thoracique de manière similaire au diaphragme. Cependant, ils élargissent une partie beaucoup plus petite de la cavité thoracique par rapport au diaphragme. Ils ne doivent donc pas être utilisés comme mécanisme principal d’inhalation, car ils absorbent beaucoup moins d’air par rapport au diaphragme, ce qui entraîne un volume courant beaucoup plus faible.

Par exemple, les chanteurs ont besoin de beaucoup d’air pour soutenir la production vocale puissante nécessaire au chant. Un problème courant chez les chanteurs débutants est de respirer avec les muscles accessoires du cou, de l’épaule et des côtes au lieu du diaphragme, ce qui leur donne un apport d’air beaucoup plus petit que ce qui est nécessaire pour chanter correctement.

Expiration

L’expiration (ou expiration) est le flux du courant respiratoire hors de l’organisme.

Objectif d’apprentissage

Souligner la mécanique de l’expiration

Key Takeaways

Key Points

  • Chez les humains, l’expiration est le mouvement de l’air hors des bronches, à travers les voies respiratoires, vers l’environnement extérieur pendant la respiration.
  • L’expiration est un processus passif en raison des propriétés élastiques des poumons.
  • Lors d’une expiration forcée, les muscles intercostaux internes qui abaissent la cage thoracique et diminuent le volume thoracique tandis que les muscles abdominaux poussent vers le haut sur le diaphragme ce qui entraîne la contraction de la cavité thoracique.
  • La relaxation du diaphragme thoracique entraîne la contraction de la cavité pleurale qui exerce une pression sur les poumons pour expulser l’air.
  • Le contrôle cérébral de l’expiration peut être décomposé en contrôle volontaire et contrôle involontaire.

Termes clés

  • Muscles intercostaux : Les muscles intercostaux sont plusieurs groupes de muscles qui s’étendent entre les côtes, et aident à former et à déplacer la paroi thoracique.
  • Expiration : L’acte ou le processus d’exhalaison, ou d’envoi sous forme de vapeur ; l’évaporation.

L’expiration, aussi appelée exhalaison, est l’écoulement du courant respiratoire hors de l’organisme. L’objectif de l’expiration est d’éliminer les déchets métaboliques, principalement le dioxyde de carbone de l’organisme lors des échanges gazeux. La voie de l’expiration est le mouvement de l’air hors de la zone conductrice, vers l’environnement extérieur pendant la respiration.

Ceci est un dessin schématique de l'ensemble des voies respiratoires, y compris les détails internes tels que l'aveoli. Il illustre les voies respiratoires comme un système complexe et connecté où la résistance dans n'importe quelle partie peut causer des problèmes.

Système respiratoire : Lorsque le diaphragme se relâche, la cavité pleurale se contracte, ce qui exerce une pression sur les poumons, ce qui réduit le volume des poumons car l’air est poussé passivement hors des poumons.

Le processus d’expiration

L’expiration est typiquement un processus passif qui se produit à partir de la relaxation du muscle du diaphragme (qui s’est contracté pendant l’inspiration). La raison principale pour laquelle l’expiration est passive est due au recul élastique des poumons. L’élasticité des poumons est due à des molécules appelées élastines dans la matrice extracellulaire des tissus pulmonaires et est maintenue par le surfactant, un produit chimique qui empêche l’élasticité des poumons de devenir trop importante en réduisant la tension de surface de l’eau. Sans surfactant, les poumons s’affaisseraient à la fin de l’expiration, ce qui rendrait l’inspiration beaucoup plus difficile. Comme le poumon est élastique, il reprend automatiquement sa plus petite taille lorsque l’air quitte le poumon.

L’expiration commence lorsque l’inspiration se termine. De même que l’augmentation de la pression négative de la cavité pleurale entraîne l’absorption d’air pendant l’inspiration, la cavité pleurale va se contracter pendant l’expiration (en raison de la relaxation du diaphragme),ce qui exerce une pression sur les poumons et fait que la pression à l’intérieur de la cavité est moins négative. Une augmentation de la pression entraîne une diminution du volume à l’intérieur du poumon, et l’air est expulsé dans les voies respiratoires lorsque le poumon retrouve sa taille initiale. La cavité pleurale est si importante pour la respiration car sa pression modifie le volume des poumons, et elle fournit un espace sans friction contre lequel le poumon peut se dilater et se contracter pendant la respiration.

Si l’expiration est généralement un processus passif, elle peut aussi être un processus actif et forcé. Il existe deux groupes de muscles qui sont impliqués dans l’expiration forcée.

  • Muscles intercostaux internes : Muscles de la cage thoracique qui aident à abaisser la cage thoracique, ce qui pousse vers le bas sur la cavité thoracique, provoquant une expiration forcée. Notez que ce ne sont pas les mêmes que les muscles intercostaux externes impliqués dans l’inspiration.
  • Muscles abdominaux : Tout nombre de muscles de l’abdomen qui exercent une pression sur le diaphragme par le bas pour le dilater, ce qui contracte à son tour la cavité thoracique, provoquant une expiration forcée.

Cela se produit en raison des propriétés élastiques des poumons, ainsi que des muscles intercostaux internes qui abaissent la cage thoracique et diminuent le volume thoracique. Lorsque le diaphragme thoracique se détend au cours de l’expiration, il fait en sorte que le tissu qu’il a déprimé se soulève supérieurement et exerce une pression sur les poumons pour expulser l’air.

Contrôle de l’expiration

L’expiration peut être volontaire ou involontaire afin de servir différents objectifs pour le corps. Ces deux types d’expiration sont contrôlés par différents centres dans le corps.

L’expiration volontaire est contrôlée activement. Elle est généralement définie par le maintien de l’air dans les poumons et sa libération à un rythme fixe, ce qui permet de contrôler le moment et la quantité d’air à expirer. Elle est nécessaire à la production de la voix pendant la parole ou le chant, qui exige un contrôle très spécifique de l’air, ou même à des activités plus simples, comme souffler une bougie le jour de son anniversaire. Le composant du système nerveux qui contrôle l’expiration volontaire est le cortex moteur (la voie respiratoire ascendante), car il contrôle les mouvements musculaires, mais cette voie n’est pas entièrement comprise, et il existe de nombreux autres sites possibles dans le cerveau qui peuvent également être impliqués.

L’expiration involontaire n’est pas sous contrôle conscient, et est un composant important pour la fonction métabolique. La respiration pendant le sommeil ou la méditation en sont des exemples. Des changements dans les schémas respiratoires peuvent également se produire pour des raisons métaboliques, comme par l’augmentation du rythme respiratoire chez les personnes souffrant d’acidose par rétroaction négative. Le principal centre de contrôle neuronal de l’expiration involontaire est constitué du bulbe rachidien et de l’apophyse, qui sont situés dans le tronc cérébral, directement sous le cerveau. Si ces deux structures sont impliquées dans le contrôle neural de la respiration, elles ont également d’autres fonctions de régulation métabolique pour d’autres systèmes corporels, comme le système cardiovasculaire.

Modèles de respiration

La respiration est un processus autonome qui fait entrer et sortir l’air des poumons.

Objectif d’apprentissage

Décrire le processus de la respiration chez les humains

Principes clés

Points clés

  • Les schémas respiratoires sont constitués du volume courant et de la fréquence respiratoire chez un individu.
  • Un schéma respiratoire moyen est de 12 respirations par minute et de 500 mL par respiration.
  • L’eupnée est une respiration normale au repos.
  • Il existe des types de schémas respiratoires altérés qui sont des symptômes de nombreuses maladies.
  • Les schémas respiratoires altérés font référence à des modifications de la fréquence respiratoire ou de la quantité d’air échangée pendant la respiration, et n’indiquent pas toujours des modifications de la ventilation alvéolaire.
  • Le mécanisme de génération du schéma ventilatoire implique l’intégration de signaux neuronaux par les centres de contrôle respiratoire dans la médulla et le pons.

Termes clés

  • Schémas respiratoires altérés : Modes de respiration anormaux qui indiquent généralement une fréquence respiratoire trop rapide ou trop lente ou un volume courant trop important ou trop faible.
  • Volume courant : La quantité d’air déplacée ou échangée en une seule respiration.

Les schémas respiratoires font référence à la fréquence respiratoire, qui est définie comme la fréquence des respirations sur une période de temps, ainsi qu’à la quantité d’air cyclée pendant la respiration (volume courant). Les schémas respiratoires sont un critère de diagnostic important pour de nombreuses maladies, y compris certaines qui impliquent plus que le système respiratoire lui-même.

Caractéristiques des schémas respiratoires

La fréquence respiratoire est la fréquence des respirations sur une période de temps. La période de temps est variable, mais généralement exprimée en respirations par minute car cette période de temps permet d’estimer la ventilation minute. Au cours d’une respiration normale, le volume d’air recyclé par l’inspiration et l’expiration est appelé volume courant (VT), et correspond à la quantité d’air échangée en une seule respiration. Le volume courant multiplié par la fréquence respiratoire est la ventilation minute, qui est l’un des indicateurs les plus importants de la fonction pulmonaire. Chez un adulte humain moyen, la fréquence respiratoire moyenne est de 12 respirations par minute, avec un volume courant de 0,5 litre et une ventilation minute de 6 litres par minute, bien que ces chiffres varient d’une personne à l’autre. Les nourrissons et les enfants ont des fréquences respiratoires considérablement plus élevées que les adultes.

Courbe de spirométrie : La fréquence respiratoire normale correspond à l’inspiration et à l’expiration cycliques du volume courant (VT).

La fréquence respiratoire est contrôlée par des processus involontaires du système nerveux autonome. En particulier, les centres respiratoires de la moelle et du cône contrôlent la fréquence respiratoire globale en fonction d’une variété de stimuli chimiques provenant de l’intérieur du corps. L’hypothalamus peut également influencer la fréquence respiratoire lors de réponses émotionnelles et de stress.

Modèles respiratoires normaux et altérés

L’eupnée est le terme désignant la fréquence respiratoire normale d’un individu au repos. Plusieurs autres termes décrivent des schémas respiratoires anormaux qui sont révélateurs des symptômes de nombreuses maladies, dont beaucoup ne sont pas principalement des maladies respiratoires. Voici quelques-uns des termes les plus courants pour désigner les schémas respiratoires altérés :

  • Dyspnée : communément appelée essoufflement. Elle décrit une diminution spectaculaire du volume courant et parfois une augmentation de la fréquence respiratoire, entraînant une sensation d’essoufflement. C’est un symptôme courant des crises d’angoisse, des embolies pulmonaires, des crises cardiaques et de l’emphysème, entre autres.
  • Hypernée : désigne l’augmentation du volume d’air cyclé pour répondre aux besoins métaboliques de l’organisme, qui peut ou non impliquer une modification de la fréquence respiratoire. C’est un symptôme de l’exercice et de l’adaptation à la haute altitude, qui ne sont généralement pas problématiques, mais qui peut également être observé chez les personnes souffrant d’anémie ou de choc septique, ce qui est problématique.
  • Tachypnée : décrit une augmentation de la fréquence respiratoire. Souvent un symptôme d’empoisonnement au monoxyde de carbone ou de pnuemonie.
  • Bradypnée : décrit une diminution de la fréquence respiratoire. Souvent un symptôme d’hypertension, d’arrythmie cardiaque ou de ralentissement du métabolisme dû à l’hypothyroïdie.
  • Apnée : Arrêt transitoire de la respiration qui reprend peu après. C’est le principal symptôme de l’apnée du sommeil, dans laquelle la respiration s’arrête temporairement pendant le sommeil.

Ces termes décrivent tous une altération du rythme respiratoire par une augmentation ou une diminution (ou un arrêt) du volume courant ou de la fréquence respiratoire. Il est important de distinguer ces termes de l’hyperventilation et de l’hypoventilation, qui font référence à des anomalies des échanges gazeux alvéolaires (et donc du pH sanguin) au lieu d’une altération du rythme respiratoire, mais ils peuvent être associés à une altération du rythme respiratoire. Par exemple, la dyspnée ou la tachypnée s’accompagnent souvent d’une hyperventilation au cours des crises d’angoisse, mais pas toujours.

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