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Sommaire

  • 1Principes de la mécanique ventilatoire
  • 2Mouvements respiratoires
    • 2.1Inspiration calme
    • 2.2Expiration calme
    • 2.3Ventilation forcée et muscles accessoires
  • 3Pressions mises en jeu
  • 4Compliance et propriétés élastiques lock — section verrouillée
  • 5Résistances des voies aériennes lock — section verrouillée
  • 6Travail ventilatoire lock — section verrouillée
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B8 · Système respiratoire

Mécanique ventilatoire, compliance et résistances

Décrire les mouvements respiratoires, le rôle du diaphragme et des muscles accessoires et les pressions mises en jeu. Définir compliance pulmonaire et thoracique et les résistances des voies aériennes.

Physiologie·schedule7 min de lecture·quiz17 QCM corrigés

Principes de la mécanique ventilatoire

La ventilation pulmonaire correspond au renouvellement de l’air contenu dans les poumons par alternance d’une inspiration et d’une expiration. L’air se déplace parce qu’une variation du volume thoracique crée une différence de pression entre les alvéoles et l’atmosphère.

Ce mécanisme repose sur trois éléments solidaires :

  • la cage thoracique, mobilisée par les muscles respiratoires ;
  • les poumons, qui suivent les mouvements thoraciques grâce à la plèvre ;
  • les voies aériennes, qui opposent une résistance à l’écoulement de l’air.

La plèvre comprend un feuillet pariétal appliqué contre la paroi thoracique et un feuillet viscéral recouvrant le poumon. Entre eux, la cavité pleurale contient une fine lame liquidienne. Les forces de cohésion de ce liquide permettent la transmission des mouvements de la cage thoracique au poumon tout en autorisant le glissement des feuillets.

Définition

Cycle ventilatoire

Succession d’une inspiration, pendant laquelle l’air entre dans les poumons, et d’une expiration, pendant laquelle l’air en sort.

Mouvements respiratoires

Inspiration calme

L’inspiration calme est un phénomène actif : elle nécessite la contraction de muscles inspiratoires et donc une dépense énergétique.

Le diaphragme est le principal muscle inspiratoire. Au repos, il forme une coupole séparant le thorax de l’abdomen. Sa contraction abaisse son centre tendineux, augmente la dimension verticale du thorax et repousse les viscères abdominaux vers le bas.

Les muscles intercostaux externes participent à l’élévation des côtes. Leur contraction augmente les diamètres antéropostérieur et transversal de la cage thoracique.

L’augmentation du volume thoracique rend la pression pleurale plus négative. Le poumon est alors davantage distendu, son volume augmente et la pression alvéolaire devient momentanément inférieure à la pression atmosphérique. L’air pénètre jusqu’à l’égalisation de ces deux pressions.

Expiration calme

L’expiration calme est principalement passive. Lorsque les muscles inspiratoires se relâchent, le diaphragme remonte et la cage thoracique revient vers sa position initiale.

Ce retour est favorisé par le recul élastique pulmonaire, c’est-à-dire la tendance spontanée du poumon distendu à diminuer de volume. Le volume alvéolaire diminue, la pression alvéolaire devient supérieure à la pression atmosphérique et l’air sort.

À la fin d’une inspiration ou d’une expiration calme, le débit aérien est nul parce que la pression alvéolaire est égale à la pression atmosphérique.

À retenir

Origine du déplacement de l’air

L’air entre lorsque la pression alvéolaire est inférieure à la pression atmosphérique et sort lorsqu’elle lui est supérieure. Les muscles respiratoires ne déplacent donc pas directement l’air : ils modifient le volume thoracique, ce qui crée le gradient de pression.

Ventilation forcée et muscles accessoires

Lorsque les besoins ventilatoires augmentent, des muscles inspiratoires accessoires renforcent l’expansion thoracique. Ils comprennent notamment les muscles scalènes et les muscles sternocléidomastoïdiens, qui élèvent les premières côtes et le sternum lorsque leurs insertions supérieures sont fixées.

L’expiration forcée devient active. Les muscles intercostaux internes abaissent les côtes, tandis que les muscles de la paroi abdominale augmentent la pression abdominale et repoussent le diaphragme vers le haut.

Comparaison

Inspiration et expiration

CritèreInspiration calmeExpiration calmeExpiration forcée
Caractèreactiveprincipalement passiveactive
Muscles dominantsdiaphragme et intercostaux externesrelâchement des muscles inspiratoiresintercostaux internes et muscles abdominaux
Volume thoraciqueaugmentediminuediminue fortement
Pression alvéolaire par rapport à l’atmosphèreinférieuresupérieuresupérieure

Le sens du débit aérien dépend du gradient entre pression alvéolaire et pression atmosphérique.

Pressions mises en jeu

La pression atmosphérique sert habituellement de référence et peut être considérée comme nulle en pression relative.

Définition

Pression alvéolaire PalvP_{\mathrm{alv}}Palv​

Pression régnant à l’intérieur des alvéoles. Sa différence avec la pression atmosphérique détermine le sens de l’écoulement de l’air.

Définition

Pression pleurale PplP_{\mathrm{pl}}Ppl​

Pression régnant dans la cavité pleurale. Elle est normalement inférieure à la pression alvéolaire en raison des tendances opposées du poumon à se rétracter et de la cage thoracique à s’écarter vers l’extérieur.

La pression pleurale négative maintient le poumon ouvert. Si la cavité pleurale communique avec l’atmosphère, cette différence de pression disparaît, ce qui désolidarise mécaniquement le poumon de la paroi thoracique.

Formule

Pression transpulmonaire

Ptp=Palv−PplP_{\mathrm{tp}} = P_{\mathrm{alv}} - P_{\mathrm{pl}}Ptp​=Palv​−Ppl​
  • PtpP_{\mathrm{tp}}Ptp​ : pression transpulmonaire, généralement exprimée en cmH2O\mathrm{cmH_2O}cmH2​O
  • PalvP_{\mathrm{alv}}Palv​ : pression alvéolaire, en cmH2O\mathrm{cmH_2O}cmH2​O
  • PplP_{\mathrm{pl}}Ppl​ : pression pleurale, en cmH2O\mathrm{cmH_2O}cmH2​O

La pression transpulmonaire est la pression de distension du poumon. Lorsqu’elle augmente, elle s’oppose davantage au recul élastique et augmente le volume pulmonaire.

Exemple

Calculer une pression transpulmonaire

À un instant où la pression alvéolaire vaut 0 cmH2O\pu{0 cmH2O}0 cmH2O et la pression pleurale vaut −5 cmH2O\pu{-5 cmH2O}−5 cmH2O :

Ptp=Palv−Ppl=0−(−5)=5 cmH2OP_{\mathrm{tp}} = P_{\mathrm{alv}} - P_{\mathrm{pl}} = 0 - \left(-5\right) = \pu{5 cmH2O}Ptp​=Palv​−Ppl​=0−(−5)=5 cmH2O

La pression transpulmonaire est donc de 5 cmH2O\pu{5 cmH2O}5 cmH2O. Cette valeur positive correspond à une force qui distend le poumon et s’oppose à son recul élastique.

La pression transmurale de la cage thoracique est la différence entre la pression pleurale et la pression à la surface externe du thorax. Elle traduit la force de distension appliquée à la paroi thoracique.

Attention

Pression pleurale et pression alvéolaire

La pression pleurale ne détermine pas directement le sens du débit aérien. Le débit dépend de la différence entre pression alvéolaire et pression atmosphérique, tandis que la différence entre pression alvéolaire et pression pleurale distend le poumon.

Compliance et propriétés élastiques

Définition

Compliance

Aptitude d’une structure à augmenter de volume sous l’effet d’une augmentation de sa pression de distension.

Formule

Compliance statique

C=ΔVΔPC = \frac{\Delta V}{\Delta P}C=ΔPΔV​
  • CCC : compliance, en L⋅cmH2O−1\mathrm{L \cdot cmH_2O^{-1}}L⋅cmH2​O−1
  • ΔV\Delta VΔV : variation de volume, en litres
  • ΔP\Delta PΔP : variation de pression de distension, en cmH2O\mathrm{cmH_2O}cmH2​O

Une compliance élevée signifie qu’une faible variation de pression produit une grande variation de volume. Une compliance faible traduit au contraire une structure rigide, difficile à distendre.

Exemple

Calculer une compliance pulmonaire

Un poumon augmente son volume de 0,50 L\pu{0,50 L}0,50 L lorsque sa pression de distension augmente de 5 cmH2O\pu{5 cmH2O}5 cmH2O.

C=ΔVΔP=0,50 L5 cmH2O=0,10 L ⋅ cmH2O−1C = \frac{\Delta V}{\Delta P} = \frac{\pu{0,50 L}}{\pu{5 cmH2O}} = \pu{0,10 L.cmH2O^{-1}}C=ΔPΔV​=5 cmH2O0,50 L​=0,10 L⋅cmH2O−1

La compliance pulmonaire est de 0,10 L ⋅ cmH2O−1\pu{0,10 L.cmH2O^{-1}}0,10 L⋅cmH2O−1. Chaque augmentation de pression de distension de 1 cmH2O\pu{1 cmH2O}1 cmH2O produit ici une augmentation de volume de 0,10 L\pu{0,10 L}0,10 L : une compliance plus faible nécessiterait davantage de pression pour la même variation de volume.

La compliance pulmonaire relie la variation du volume pulmonaire à celle de la pression transpulmonaire. Elle dépend :

  • des fibres élastiques du tissu pulmonaire ;
  • de la tension superficielle à l’interface entre l’air et le liquide alvéolaire ;
  • du volume initial du poumon.

Le surfactant pulmonaire diminue la tension superficielle alvéolaire. Il augmente ainsi la compliance, limite la tendance des alvéoles à se rétracter et réduit le travail nécessaire à leur distension.

La compliance thoracique caractérise la déformabilité de la cage thoracique. Le poumon et la paroi thoracique étant mécaniquement couplés, la compliance de l’ensemble du système respiratoire est inférieure à chacune de leurs compliances considérées séparément.

Formule

Compliance du système respiratoire

1Crs=1CL+1CW\frac{1}{C_{\mathrm{rs}}} = \frac{1}{C_{\mathrm{L}}} + \frac{1}{C_{\mathrm{W}}}Crs​1​=CL​1​+CW​1​
  • CrsC_{\mathrm{rs}}Crs​ : compliance du système respiratoire
  • CLC_{\mathrm{L}}CL​ : compliance pulmonaire
  • CWC_{\mathrm{W}}CW​ : compliance de la paroi thoracique
À retenir

La compliance mesure la déformabilité, alors que le recul élastique mesure la tendance à revenir au volume initial. Une structure très compliante possède un faible recul élastique, et inversement.

Résistances des voies aériennes

Définition

Résistance des voies aériennes RawR_{\mathrm{aw}}Raw​

Opposition des voies aériennes à l’écoulement de l’air, définie par le rapport entre le gradient de pression qui produit le débit et ce débit.

Formule

Résistance à l’écoulement aérien

Raw=ΔPV˙R_{\mathrm{aw}} = \frac{\Delta P}{\dot V}Raw​=V˙ΔP​
  • RawR_{\mathrm{aw}}Raw​ : résistance des voies aériennes, en cmH2O⋅s⋅L−1\mathrm{cmH_2O \cdot s \cdot L^{-1}}cmH2​O⋅s⋅L−1
  • ΔP\Delta PΔP : différence de pression entre les deux extrémités des voies aériennes, en cmH2O\mathrm{cmH_2O}cmH2​O
  • V˙\dot VV˙ : débit aérien, en L⋅s−1\mathrm{L \cdot s^{-1}}L⋅s−1
Exemple

Calculer une résistance des voies aériennes

Pour obtenir un débit aérien de 0,50 L ⋅ s−1\pu{0,50 L.s^{-1}}0,50 L⋅s−1 dans des voies aériennes, le gradient de pression nécessaire est de 2 cmH2O\pu{2 cmH2O}2 cmH2O.

Raw=ΔPV˙=2 cmH2O0,50 L ⋅ s−1=4 cmH2O ⋅ s ⋅ L−1R_{\mathrm{aw}} = \frac{\Delta P}{\dot V} = \frac{\pu{2 cmH2O}}{\pu{0,50 L.s^{-1}}} = \pu{4 cmH2O.s.L^{-1}}Raw​=V˙ΔP​=0,50 L⋅s−12 cmH2O​=4 cmH2O⋅s⋅L−1

La résistance des voies aériennes est de 4 cmH2O ⋅ s ⋅ L−1\pu{4 cmH2O.s.L^{-1}}4 cmH2O⋅s⋅L−1. Pour maintenir ce débit, il faut donc un gradient de pression de 4 cmH2O\pu{4 cmH2O}4 cmH2O par 1 L ⋅ s−1\pu{1 L.s^{-1}}1 L⋅s−1 de débit aérien.

Le principal déterminant de la résistance est le calibre des voies aériennes. Une diminution du rayon augmente fortement la résistance. La contraction du muscle lisse bronchique provoque une bronchoconstriction, tandis que son relâchement produit une bronchodilatation.

La résistance dépend également de la longueur des conduits, de la viscosité du gaz et du caractère laminaire ou turbulent de l’écoulement. Un écoulement turbulent exige un gradient de pression plus important qu’un écoulement laminaire pour obtenir un même débit.

Le volume pulmonaire influence aussi la résistance : lorsque le poumon se distend, la traction exercée par le parenchyme sur les petites voies aériennes augmente leur calibre et diminue leur résistance.

Travail ventilatoire

Le travail ventilatoire est l’énergie dépensée par les muscles respiratoires pour vaincre :

  • les forces élastiques du poumon et de la cage thoracique ;
  • la tension superficielle alvéolaire ;
  • les résistances à l’écoulement dans les voies aériennes ;
  • les résistances liées au déplacement des tissus.

Au repos, ce travail est surtout inspiratoire. Il augmente lorsque la compliance diminue, car une pression plus importante est nécessaire pour obtenir une même variation de volume, ou lorsque les résistances augmentent, car un gradient de pression plus élevé est nécessaire pour produire le débit.

Points clés
  • L’inspiration calme est active et dépend principalement du diaphragme ; l’expiration calme résulte surtout du recul élastique
  • Le débit aérien est déterminé par la différence entre pression alvéolaire et pression atmosphérique
  • La pression transpulmonaire, égale à Palv−PplP_{\mathrm{alv}}-P_{\mathrm{pl}}Palv​−Ppl​, distend le poumon
  • La compliance est le rapport entre variation de volume et variation de pression de distension
  • Le surfactant augmente la compliance pulmonaire en diminuant la tension superficielle alvéolaire
  • La résistance des voies aériennes dépend surtout de leur calibre et s’oppose à l’écoulement de l’air

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