Physiologie respiratoire Psychomotricite Dr ML CHOUKROUN, MCU PH Physiologie Exploration Fonctionnelle Respiratoire Pellegrin CHU de BORDEAUX Université Victor Segalen 33 BORDEAUX
Respiration cellulaire La vie de la cellule nécessite de l énergie L énergie est produite par la mitochondrie C6H12O6 + 6O2 Consommation d O2 Production de CO2 6CO2 + 6H20 + énergie C est la respiration cellulaire
La fonction respiratoire est la fonction qui assure les échanges gazeux entre le milieu ambiant et la cellule Milieu ambiant/ 21% 02; 79% N2 Cellule: consomme O2, produit CO2
Air ambiant CO2 O2 Appareil CO2 O2 Ventilation convection Respiratoire Echanges gazeux diffusion Appareil convection Cardiovasculaire Liquide interstitiel Cellule CO2 O2 Echanges gazeux Echanges gazeux diffusion diffusion
I. Etape pulmonaire: la mécanique ventilatoire I.1. Anatomie Fonctionnelle Le système passif: La paroi thoraco abdominale Les plèvres Les voies aériennes Le parenchyme pulmonaire Le système actif Les muscles respiratoires Inspirateurs Les muscles respiratoires Expirateurs I.2. La ventilation I.3. Mécanique ventilatoire
I.1. Anatomie Fonctionnelle Le système passif: - La paroi thoraco abdominale - Les plèvres P IT <P B
- Les voies aériennes
Fonctions respiratoires des voies aériennes de conduction Ventilation pulmonaire Conduction de l air Contrôle de la résistance à l écoulement de l air Conditionnement de l air inspiré Conditionnement de l air inspiré Réchauffement de l air inspiré (Poumon 37 C) Humidification de l air inspiré (Poumon saturé en vapeur d H20) Défense Filtration des particules inhalées Épuration «tapis roulant muco ciliaire»
- Le parenchyme pulmonaire -Voies aériennes terminales (zone respiratoire) Canaux alvéolaires, sacs alvéolaires - Espaces inter alvéolaires (fibres d élastines, de collagène ) -Vaisseaux pulmonaires
- # 300 million d alvéoles surface d échange #140m2 - L épitélium alvéolaire: - pneumocytes de type I perméables aux gaz, - pneumocytes de type II qui sécrètent le surfactant
I.1. Anatomie Fonctionnelle Le système actif: -les muscles Inspirateurs: - le diaphragme - les inspirateurs accessoires: intercostaux externes, scalènes, sternocléidomastoïdien, pectoraux, -les muscles Expirateurs: - les muscles abdominaux Activité - les musculaire: muscles intercostaux internes - inspiration: phénomène actif - expiration: phénomène passif ou actif
I.2. La ventilation V E = V T x fr V E : ventilation en L x min -1 (norme adulte # 5 à 8 L. min-1) VT: volume courant en L (norme adulte # 0.5 L BTPS) fr: fréquence respiratoire en min -1 (norme # 8 à 9 cycle. Min-1)
- Les volumes pulmonaires VRE: volume de réserve expiratoire VRI: volume de réserve inspiratoire VR: volume résiduel CV: capacité vitale CV= VRE+ VT+ VRI CRF: capacité résiduelle fonctionnelle CRF = VRE + VR CPT: capacité pulmonaire totale CPT= VR + VRE + VT + VRI CPT = CV + VR
- La CRF: volume d équilibre de l ensemble thorax- poumon Pbuc Force de distension thoracique PA Force de rétraction pulmonaire PL PB Application: le pneumothorax PB
-La production du débit aérien >
I.3 La mécanique ventilatoire Activité des muscles respiratoires Propriétés élastiques thoraco- pulmonaires Variations du volume thoracique Variations des pressions thoraciques Résistances à l écoulement des gaz ventilés Débit aérien
Pmusc = 1/C thoracopulm. V + R.V Cth: compliance thoracique évalue la distensibilité thoracique P buc CL: compliance pulmonaire évalue la distensibilité pulmonaire R : résistances à l écoulement dans les voies aériennes P B P A P L Pbuc: pression buccale PA: pression alvéolaire PL: pression intrapleurale PB: pression barométrique
I.3.1 Les propriétés élastiques du système thoraco pulmonaire P = 1/C V (avec V =0) - C la compliance évalue la distensibilité du système - C exprimé en L/kPa -Elasticité de la cage thoracique ( (PB-PL)= 1/Cth V, avec V =0) - facteurs anatomiques - Elasticité du poumon ( (PL-PA)= 1/CL V, avec V = 0) - facteurs anatomiques - facteurs histologiques (fibres d élastine, de collagène ) Exemple : dans l emphysème, destruction des fibres élastiques: CL élevée, dans la fibrose pulmonaire, CL basse - facteurs biochimiques: le surfactant - Le surfactant: agent tensio actif sécrété par les pneumocytes de type II au niveau des alvéoles (compliance basse dans les déficits en surfactant chez le prématurissime)
I.3.1 Les propriétés résistives du système thoraco pulmonaire P = R V Palv: pression alvéolaire Si bronchoconstriction: r diminue, R augmente Si bronchodilatation: r augmente, R diminue η: viscosité du gaz l: longueur du tuyau r: rayon du tuyau
Chez l adulte
- L expiration forcée CVF VEMS: volume expiré maximum en 1 seconde CVF: capacité vitale forcée VEMS/ CVF: rapport de Tiffeneau #80% DEMM 25-75: débit expiré maximum moyen entre 25%et 75% de la capacité vitale
débit expiration volume inspiration DP: débit expiratoire de pointe
Eléments de physiopathologie respiratoire Syndrome obstructif: conservation des volumes pulmonaires diminution du VEMS, des débits forcés VEMS/CV est diminué Syndrome restrictif diminution des volumes pulmonaires mobilisables et non mobilisables diminution du VEMS et des débits forcés VEMS/CV reste normal Syndrome mixte - Association d un syndrome restrictif et d une obstruction
Eléments de physiopathologie respiratoire Maladies obstructives -Obstruction des voies aériennes -Obstruction de la lumière (œdème, sécrétions, corps étranger, encombrement. bronchiolite, corps étrangers.. - Cause pariétale (œdème, inflammation, contraction du muscle lisse bronchique ) asthme, bronchite chronique - Cause extérieure à la bronche (destruction du parenchyme, compression externe...) emphysème, compression externe
Eléments de physiopathologie respiratoire Maladies restrictives -Atteinte du parenchyme pulmonaire déficits en surfactant, fibroses pulmonaires, maladies du collagène, maladies interstitielles post traitement médicamenteux, post radiations -Maladies de la plèvre pneumothorax, épanchement pleural -Atteintes de la cage thoracique scolioses sévères. - Atteintes neuromusculaires myopathies, myasthénies.
II. Les échanges gazeux respiratoires Air ambiant Appareil CO2 CO2 O2 O2 Ventilation convection Respiratoire Echanges gazeux diffusion Appareil convection Cardiovasculaire Liquide interstitiel Cellule CO2 O2 Echanges gazeux Echanges gazeux diffusion diffusion
Mélanges gazeux en physiologie respiratoire :. Gaz inspiré (I): Air : 21 % O 2,79 % N 2. Gaz alvéolaire (A) : O 2 /CO 2 /N 2 /H 2 O. Gaz expiré (E) : O 2 /CO 2 /N 2 /H 2 O. Gaz du sang artériel (a) veineux (v) :O 2 /CO 2 /N 2 Caractéristiques des gaz: P, T, V Dans un mélange gazeux: - Notion de fraction gazeuse d un gaz x: F x Fx= Nombre de mol de X/ nombre total de mol dans le mélange - Notion de pression partielle: Px Px = P totale x Fx Transporté dans un liquide: - Notion de concentration: c x= vol x/ vol liquide
Gaz inspiré V I FIO2 Gaz expiré V E FEO2, FECO2 ventilation Gaz alvéolaire V A FAO2, FACO2 Sang veineux Q, cvo2, cvco2 Ventilation alvéolaire Diffusion alvéolo capillaire Sang artériel Q, cao2, caco2 Transport des gaz par le sang V CO2 V O2
II.1 Comment le gaz arrive aux alvéoles? VT: volume courant # 500mL chez l adulte VD: espace mort # 150mL chez l adulte VA: volume alvéolaire= VT - VD Sang capillaire pulmonaire # 70mL Ventilation = ventilation espace mort + ventilation alvéolaire # 7,5 L/Min
Etape pulmonaire Gaz inspiré Gaz expiré Gaz alvéolaire Fractions de gaz Pressions partielles mm Hg O2 0,21 O,166 O,141 CO2 0 0,037 0,056 O2 150 mmhg 121mmHg 100 mmhg CO2 0 mmhg 23,5 mmhg 40mmHg Etape sanguine Sang veineux Sang artériel Concentration ml/100mlsang Pressions partielles mm Hg O2 14,2 19,2 CO2 5 3 49 O2 38 mmhg 92mmHg CO2 44 mmhg 40 mmhg
II.2. Combien d oxygène est utilisé? Combien de CO2 est formé? -Au repos: métabolisme de base -V O2 # 0,3 L/min - V CO2 # 0,2 à O,24 L/min - Quotient respiratoire: R = V CO2/ V O2<1 R # 0,7-0,8 pour une alimentation équilibrée -V O2 augmente avec: - l exercice, la mise en jeu des mécanismes de thermorégulation
II.3. Comment les gaz traversent ils la barrière alvéolo capillaire? DLO2 = V O2/ (PAO2- PcapO2) O2 PcapO2: pression capillaire en O2 CO2 DLCO= V CO / PACO DLO2 = 1,23 DLCO DLO2 est fonction de: - la surface d échange - épaisseur de la membrane alvéolocapillaire - du volume capillaire pulmonaire
- Formation du sang artériel PIO2 PICO2 V E V D PAO2 PACO2 V A - Le sang capillaire régional PvO2 PvCO2 Q T Pcap O2 Pcap CO2 Q s - le rapport ventilation / perfusion - Le sang artériel PaO2? PaCO2? Q s: débit de shunt
II.4. Comment se fait le transport des gaz par le sang? - Gaz sont transportés en milieu liquide (plasma, cytoplasme des GR) -Dans un liquide, un gaz peut être présent sous 2 formes: - dissoute - combinée à un transporteur ou après réaction chimique
II.4. 1. Transport de l oxygène par le sang -sous forme dissoute: en faible quantité - C O2 : quantité d oxygène dissout dans 100mL de sang -α : coefficient de solubilité de l oxygène dans le plasma C O2 = α PO2 soit # 0.3 ml/ 100 ml de sang -sous forme combinée à l hémoglobine: forme principale de transport 4 O2 + Hb4 Hb (O2)4 1g d Hb fixe # 1,39 ml d O2: pouvoir oxyphorique du sang [ Hb] # 15g / 100 ml de sang
- L Hémoglobine Structure de l hémoglobine: - 4 sous unités 2 chaînes α, 2 chaînes β - l Hème qui contient Fe++ qui pourra fixer O2. Remarque: si Fe+++, l oxygène ne peut pas être fixé (méthémoglobine)
- Comment se fait la combinaison de O2 avec l hémoglobine? % saturation O 2 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P 50 PaO 2 (mm Hg) Au maximum, 1g d Hb fixe # 1,39 ml d O2, [ Hb] # 15g / 100 ml de sang CO2 max# 20,1 ml/ 100 ml de sang, L hémoglobine est saturée à 100% -P50: Pression pour laquelle l hémoglobine est saturée à 50% # 27mmHg normalement. -P50 évalue l affinité de l hémoglobine pour O2
- Facteurs susceptibles de modifier l affinité de l hémoglobine pour l oxygène ph, CO2, T, 2-3 DPG -Le ph -CO2 -La température -La concentration en 2-3 di phosphoglycérate (2-3 DPG), métabolite de la glycolyse des GR
II.4. 1. Transport du CO2 par le sang 3 formes de transport dans le sang : dissous, hydraté, combiné à Hb - CO 2 dissous: # 3ml de CO2 dissous pour 100 ml de sang. CO 2 hydraté: Dans le globule rouge, en présence d anhydrase carbonique CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 (90% du transport) H + + HCO 3 - (plasma). CO 2 combiné Hb réduite + CO 2 HbCO 2 (carbamino Hb)
Concentration CO 2 (ml %ml) - Relation : CCO2- PCO2 52 v Sang veineux 50 48 46 44 a Sang artériel Courbe décalée vers la droite si: - PO2 (effet Haldane) - 2-3 DPG 0 30 35 40 45 50 55 PCO 2 (mmhg)
- Interaction transport O 2 - transport CO 2 Tissus V CO 2 CO 2 Tissus V O 2 CO 2 dissous CO 2 dissous Hb + CO 2 GR H 2 O H 2 O + CO 2 HCO 3 - + H + Désoxy-Hb HCO 3 - Cl - Hb-O 2 Hb + O 2 O 2
Anomalies: Baisse de PaO2: hypoxémie Augmentation de PaCO2: hypercapnie Baisse de PaC02: hypocapnie La capnie est témoin de la ventilation alvéolaire! V CO2= V ICO2 V ECO2 = - V E x FECO2 = - V A x FACO2 = - V A x PA CO2/ PB Hypoventilation Hypercapnie Hyperventilation Hypocapnie CO2 + H20 HCO3 - + H + ph = pka + Log [HCO3 - ] / PCO2 Hypercapnie acidose respiratoire Hypocapnie alcalose respiratoire
Eléments de physiopathologie respiratoire Hypoxémie: Diminution de PaO2 Causes: PIO2 basse (hypoxie altitude) Hypoventilation alvéolaire hypercapnie Shunt Trouble de la diffusion Anomalies du rapport V /Q Hypoxie: Diminution de l apport d O2 aux tissus Causes: hypoxémies Anémies Hémoglobines non fonctionnelles (intox CO, anomalies ) Ischémie (diminution du débit sanguin tissulaire)
III. Contrôle de la ventilation Homéostasie respiratoire (régulation respiratoire): - activité rythmique, automatique, permanente. - adaptation constante (un contrôle) de la ventilation aux besoins métaboliques de l'organisme (exercice musculaire, altitude, plongée..) en maintenant les gaz du sang artériel (PaO2, PaCO2,pH) dans d étroites limites. perturbations externes système réglé grandeurs réglées grandeur réglante système réglant e capteurs grandeurs consignes
- Comment les échanges gazeux sont ils réglés? CENTRES DE CONTRÔLE Système nerveux Central tronc cérébral CAPTEURS chémorecepteurs mécanorécepteurs EFFECTEURS muscles respiratoires muscles des voies aériennes (Voies aériennes supérieures, muscle lisse bronchique) - Grandeurs réglées: PaCO2, PaO2, ph - Grandeur réglante: Ventilation Alvéolaire
III.1. La neurogenèse ventilatoire: l'ensemble des activités d'origine nerveuse qui participe à la ventilation et à son contrôle. Les centres bulbaires à l origine de la ventilation automatique - Groupes de neurone bulbaires : générateurs de rythme. groupe respiratoire dorsal : inspirateur. groupe respiratoire ventral : 30% expirateur, 70% inspirateur - Centre pneumotaxique: règle et module l activité bulbaire Formation réticulée ascendante activatrice: action tonique sur les centres respiratoires (interaction vigilance sommeil) Cortex cérébral responsable de la commande volontaire
Centre Pneumotaxique - Centre Inspiratoire + - - + + Centre Expiratoire +
III. 2. Contrôle de l activité des centres respiratoires (CR)
- III.2.1. Les Mécanorécepteurs: adaptation du cycle ventilatoire -De nombreux récepteurs (laryngo-trachéaux, épithéliaux, alvéolaires...) envoient des informations (souvent via le X) qui modulent le cycle respiratoire, ou modifient le calibre bronchique. - récepteurs à l étirement, récepteurs d irritation - Principaux réflexes pulmonaires inhibito-inspiratoire (Hering -Breuer) Excito-inspiratoire (la diminution de volume pulmonaire réponse inspiratoire) Paradoxal (Head) : soupirs Réflexe de toux Transmetteurs : nerf de Cyon-Ludwig (X) -Contrôle proprioceptif de la ventilation - Au niveau de la cage thoracique: Récepteurs articulaires, tendineux, fuseaux neuromusculaires informations sur la position et les mouvements du système respiratoire
III.2.2. Les Chémorécepteurs: homéostasie ventilatoire Chémorécepteurs: récepteurs répondant à une modification de la composition chimique du sang ou de tout fluide qui l entoure. centraux : - situation : face ventrale du bulbe - stimulus: PaCO2 du sang qui l entoure, ph du liquide céphalo rachidien LCR- et du liquide interstitiel qui l entoure. - réponse: PaCO2, ph hyperventilation PaCO2, ph hypoventilation périphériques : - situation: glomus carotidien, crosse aortique - stimulus: PaO2 du sang qui l entoure - réponse: PaO2 hypoventilation PaO2 hyperventilation Transmetteurs : nerf de Hering (IX) (carotide) ; nerf de Cyon-Ludwig (X)
Ventilation (l/min) III.3. Réponses ventilatoires - au CO2 - à l O2 30 20 10 CO2 O2 0 P gaz (mmhg) 20 40 60 80 100
Eléments de physiopathologie respiratoire Hypoventilation centrale congénitale (maladie d Ondine Hypoventilation centrale acquise ou associée à maladies génétiques, Apnées du sommeil d origine centrale Mort subite du nourrisson (??)