Anatomie de l’appareil ventilatoire

Respirer ou ventiler ?

La respiration, sur le plan scientifique, est le mécanisme par lequel les êtres vivants produisent l’énergie nécessaire à leur développement, grâce à l’oxygène qu’ils prélèvent dans leur environnement.  Les réactions chimiques ayant lieu au niveau cellulaire aboutissent à la consommation de l’oxygène et à la production de gaz carbonique, secondairement rejeté hors de l’organisme.

Chez l’Homme comme chez les autres mammifères, c’est au niveau des poumons qu’ont lieu les échanges gazeux entre le corps et son environnement : l’oxygène de l’air passe dans le sang puis est distribué à l’ensemble des cellules du corps.  Le gaz carbonique produit par l’activité cellulaire est conduit par le sang jusqu’aux poumons pour être rejeté dans l’atmosphère.

C'est au cours de la ventilation que les flux d'air empruntent les fosses nasales, la cavité buccale, l’oropharynx, le larynx, la trachée, et les bronches lors de l'inspiration puis lors de l'expiration, fournissant l'oxygène et expulsant le gaz carbonique. C'est également durant ce mécanisme physiologique que l'énergie aérodynamique liée aux courants d'air va être à l'origine de la vibration des cordes vocales et donc de la voix.

Le geste ventilatoire doit être en permanence adapté à la finalité du projet fonctionnel : respiration de repos, d'effort, ou ventilation pour la voix (chantée, parlée, chuchotée, criée...). Les capacités de l'appareil thoraco-pulmonaire à moduler ses volumes permettent ces adaptations essentielles pour la phonation.

Les poumons et les voies aérifères

Les poumons, dans l'espèce humaine comme chez tous les mammifères, sont à l'intérieur de la cage thoracique. Ils sont situés de part et d'autre du médiastin, espace contenant le coeur et les gros vaisseaux qui s'en détachent, la trachée, l'oesophage et différentes structures nerveuses.

Les poumons ont une forme de pyramide à base inférieure large et sommet supérieur étroit. Ils reposent par leur face inférieure sur le diaphragme qui les sépare de la cavité abdominale.

Faisant suite au larynx situé au niveau cervical, la trachée est un canal semi-rigide situé, par sa partie inférieure, entre les lobes supérieurs des deux poumons. Ce canal est cartilagineux sur les ¾ de sa circonférence, le ¼ restant, postérieur, étant membraneux.

La trachée se divise en deux bronches souches droite et gauche qui pénètrent chacune dans le poumon correspondant au niveau du hile pulmonaire. À l'intérieur du poumon chaque bronche va se diviser en arborescence jusqu'à la partie terminale appelée bronchiole qui communique avec l’alvéole, unité structurelle fonctionnelle du poumon, où ont lieu les échanges gazeux avec le sang.

Parallèlement à la division bronchique, les vaisseaux (artères et veines pulmonaires) conduisent le sang riche en CO2 (résidu de l'activité respiratoire des cellules) jusqu'à l'alvéole, tandis que l'oxygène de l'air amené par l'inspiration, passe dans le sang à travers l’alvéole. Si on les déplissait, les alvéoles mises côte à côte représenteraient une surface de plus de 72 m² (surface d'un terrain de tennis).

Tous les tissus constituant l'appareil respiratoire sont composés, aussi bien au niveau des bronches que du poumon lui-même, de fibres élastiques mêlées à du tissu conjonctif. Des variations importantes de volume vont pouvoir intéresser l'appareil broncho-pulmonaire tout entier.

Le système élastique va permettre à l'appareil respiratoire de se dilater ou de se rétracter lors des différentes positions ou déplacements du thorax, de la colonne vertébrale et plus globalement du corps. Les forces élastiques ont un rôle fondamental dans le fonctionnement respiratoire : grâce à elles, après un effort musculaire permettant la dilatation des structures pulmonaires, le retour à la position de repos se fait de manière passive, sans dépense énergétique.

La cage thoracique: sternum, colonne vertébrale dorsale et sternum

Chez l'homme, comme chez les autres vertébrés, les poumons sont situés à l'intérieur du thorax, véritable cage ostéo-cartilagineuse rigide mais mobile. Lorsqu'on inspire, la cage thoracique s'ouvre dans toutes ses dimensions pour se remplir de près de 5 litres d'air, alors que pendant l’expiration, elle se rétracte, pour parfois ne plus contenir qu'un peu plus d'un litre d'air.

Ces importantes déformations sont permises par la composition du thorax. Chaque segment osseux le constituant est uni à son voisin par un cartilage ou une articulation, conférant au système un certain degré de mobilité. L’orientation, les courbures, le type d’articulation de chaque structure osseuse déterminent les possibilités de mouvements de la cage thoracique dans son ensemble.

Le sternum

La cage thoracique peut être comparée à une cage à oiseaux, avec en arrière la colonne vertébrale dorsale (douze vertèbres) et en avant le sternum. Latéralement le thorax est fermé par douze paires de côtes ( formant le gril costal).

Le sternum, lame verticale située directement sous la peau de la partie antérieure et médiane du thorax, est formé de 3 pièces osseuses.

Le manubrium sternal

Cette pièce supérieure, de forme carrée, est orientée obliquement vers le haut et l’arrière. Elle fait avec la pièce intermédiaire un angle très ouvert, appelé "angle de Louis". Le manubrium peut se verticaliser en se déplaçant sa partie haute vers l’avant. Ce déplacement augmente la diamètre antéro-postérieur du thorax et donc le volume de la partie supérieure des poumons. Les muscles responsables du mouvement du manubrium sternal appartiennent au cou. Il s’agit essentiellement du muscle sterno-cléïdo-mastoïdien et des muscles sous-hyoïdiens. Pour développer leur action au niveau du manubrium sternal, leur attache fixe doit être au niveau du crâne, de l’os hyoïde et du larynx. Déplacer le manubrium vers l’avant pour agrandir le volume de la partie haute des poumons entraîne inévitablement une réduction de la souplesse de l’étage cervical, donc du larynx.

Le corps de sternum

Cette pièce osseuse intermédiaire, plus longue, est oblique vers le bas et l’arrière. Le sternum peut déplacer sa partie inférieure vers l'avant et ainsi se verticaliser. Ce déplacement, lié à la contraction du diaphragme, a pour conséquences de déplacer la partie antérieure des côtes vers l’avant, mais également de les écarter les unes des autres, agrandissant ainsi le volume de la partie basse des poumons.

L' appendice xiphoïde

La pièce inférieure est en continuité avec le sternum dont elle constitue la pointe. Elle est solidaire du sternum dans ses déplacements

La colonne vertébrale est constituée par un empilement d’une trentaine de vertèbres dont l’anatomie varie en fonction des étages cervical, thoracique, lombaire et sacro-coccygien. Le rôle premier de la colonne vertébral est de constituer un manchon protecteur rigide pour protéger et contenir la moelle épinière et les racines nerveuses motrices et sensitives à destination de l’ensemble du corps. La colonne vertébrale a également un rôle très important dans la station debout : elle assume la charge du poids du corps, participe au maintien de l’équilibre tout en assurant un grand degré de liberté aux membres supérieurs et inférieurs. Malgré sa rigidité, elle est elle aussi capable d’une grande quantité de mouvements : inclinaison, flexion, extension, rotation. Ceci est permis par la présence d’articulations complexes entre les corps vertébraux, et celle de muscles, pré et péri-vertébraux : l’ensemble confère à la colonne vertébrale stabilité, solidité et mobilité.

Vue de profil, la colonne vertébrale présente des courbures naturelles, différentes en fonction des étages observés. Les régions cervicale et lombaire présentent une lordose, les régions dorsale et sacro-coccygienne une cyphose. Ces courbures ne sont pas fixées : elles peuvent s’effacer ou au contraire s’accentuer, modifiant ainsi la dynamique de l’ensemble de la colonne.

Au cours du mouvement d’inspiration, l’axe vertébral se redresse, effaçant la cyphose dorsale. Cette modification d’alignement des vertèbres étire les muscles pré vertébraux, qui ont alors une contraction réflexe appelée "réflexe myotatique". L' axe vertébral dorsal se rigidifie par une réaction stabilisatrice du rachis. Les côtes, dont chaque extrémité postérieure se fixe sur la vertèbre thoracique correspondante, ont un mouvement d'élévation qui élargit la cage thoracique avant même que les muscles inspirateurs entrent en action. À l'expiration, la cyphose réapparait par le relâchement du tonus musculaire, les côtes s’abaissent et  le volume de la cage thoracique diminue.

Inspiration et expiration rythment les courbures de la colonne vertébrale et notamment la cyphose thoracique, dans le plan sagittal. Il est important que l'axe vertébral dans son ensemble présente une rectitude pour favoriser ces mouvements, avec une stabilité et un équilibre du bassin sur les membres inférieurs. Les mouvements de la colonne thoracique dans le plan frontal (mouvements latéraux reproduisant les déformations de type « scoliose »)  sont à éviter notamment pour la phonation car ils limitent les possibilités d'effacement et d'accentuation de la cyphose. Au contraire, la recherche d’une symétrie de la posture est un élément important au cours du travail vocal.

Pour faciliter l’effacement de la courbure thoracique pendant l’inspiration, il est intéressant de chercher à effacer l'ensemble des courbures de la colonne vertébrale, depuis le sacrum jusqu'aux premières vertèbres cervicales.

Au niveau lombaire, en modifiant l'orientation du bassin ("en rentrant les fesses" ), on réduit la lordose lombaire, ce qui influence l'effacement de la cyphose thoracique. 

Lorsque la tête est dans une position d'équilibre, les muscles pré vertébraux exercent une traction vers le bas de la partie antérieure du crâne. Cette traction a pour conséquence de maintenir la tête en flexion, tout en étirant les muscles postérieurs profonds. Ces muscles se contractent de manière réflexe (réflexe myotatique) et tirent la partie postérieure des vertèbres vers le haut. Ce mécanisme a pour effet d’étirer la colonne vertébrale cervicale, en effaçant sa lordose. Ce mouvement se propage de proche en proche sur toute la hauteur de la colonne vertébrale, dans un mouvement global de redressement.

« Tirer la tête vers le ciel », comme si son sommet était "accroché par un fil au plafond comme une marionnette" permet un redressement de la colonne cervicale, puis de l'ensemble de la colonne vertébrale, ce qui favorise l'effacement de la cyphose thoracique et donc l'inspiration.

Par ailleurs, ce mouvement s’accompagne d’un abaissement du menton qui libère la mandibule  et qui permet aux muscles sus-hyoïdiens d'être relâchés. La langue se libère et le jeu des résonateurs en est facilité.

Le larynx se trouve dans le même temps libéré des contraintes musculaires et peut se mobiliser plus facilement. Le redressement cervical permet de libérer un espace en arrière du pharynx et d’allonger le larynx tout en facilitant sa détente, ce qui favorise l’émission vocale.

Fermant latéralement la cage thoracique, l'arc costal est une structure ostéo-cartilagineuse dont la composition et la morphologie varient en fonction du niveau thoracique. Structure osseuse dans sa partie postérieure, l'arc costal est cartilagineux dans sa partie antérieure, ce qui lui confère un certain degré d'élasticité. L' arc costal est donc d'autant plus déformable que cette portion s'allonge.

La présence des cartilages costaux donne une souplesse à l'arc costal, rendant la partie antérieure de la cage thoracique flexible. Cependant, cette flexibilité est relative: limitée pour les arcs supérieurs dont le cartilage est très court, elle est beaucoup plus importante pour les arcs inférieurs dont les cartilages sont longs et ne se fixent pas directement sur le sternum.

De la 8ème à la 10ème paire, le cartilage costal s'allonge et se fixe sur le cartilage costal sus-jacent, délimitant de part et d'autre du sternum un angle à pointe sternale supérieure et avec des bords latéraux constitués par une ligne cartilagineuse relativement déformable et mobile. Cet angle, « angle de Charpy » est modulé par la respiration : il s'ouvre pendant l'inspiration et se ferme pendant l'expiration.

La  partie inférieure de la cage thoracique est nettement plus mobile et déformable que la partie supérieure.

Chaque arc costal prend appui en arrière sur la colonne vertébrale dorsale, mais seuls les 10 arcs supérieurs ont une attache antérieure, les 2 derniers étant libres au niveau de leur extrémité antérieure.

Les 6 premiers arcs se fixent sur le sternum directement, par une articulation chondro-sternale. Du 7ème au 10ème arc, la jonction sur le sternum se fait par l'intermédiaire d'une jonction chondro-chondrale, le cartilage costal se fixant sur le bord inférieur du cartilage costal sus-jacent.

Il existe ainsi 3 types de côtes :

–      Les « vraies côtes » qui possèdent chacune un cartilage propre la reliant au sternum (côtes 1 à 7)

–      Les « fausses côtes »  qui viennent se fixer au cartilage du 6ème arc costal par un cartilage commun (côtes 8, 9,10)

–      Les côtes « flottantes » non réunies au sternum (côtes 11 et 12)

Chaque côte peut être divisée en trois segments :

- L' arc postérieur correspond à la partie de la côte qui s'étend entre le corps et le sommet de l'apophyse transverse de la vertèbre. A ce niveau, la côte se fixe sur la vertèbre thoracique correspondante par 2 articulations dont l'orientation détermine les possibilités de mouvements costaux (articulation costo-transversaire et articulation costo-corporéale ou costo-vertébrale).

- L'arc moyen correspond à la plus grande partie du corps de la côte. Sa face externe donne insertions aux différents muscles de la paroi thoracique. La face interne, lisse, répond à la plèvre. A la partie inférieure se trouve une gouttière contenant le nerf et les vaisseaux intercostaux.

- L' arc antérieur plus large et plus épais que le corps de la côte, correspond à la partie antérieure de la portion osseuse et cartilagineuse de la côte. En fonction de son insertion directe sur le sternum ou indirecte par l'intermédiaire du cartilage sus-jacent, cette portion détermine les possibilités de mouvements de la côte.

La double articulation costo-vertébrale

Par rapport à la vertèbre, la côte présente 2 types de mouvements :

–      Un mouvement d'avancée et de recul de la côte dans un plan horizontal

–      Un mouvement de rotation de la côte autour de l'axe passant par les 2 articulations 

Les deux articulations costo-vertébrale et costo-transversaire sont mécaniquement liées : la côte présente un mouvement de rotation autour d'un axe passant par le centre des 2 articulations. L’axe de rotation est différent en fonction de la position de l’apophyse transverse (plutôt sagittale pour les vertèbres inférieures, plutôt frontale pour les vertèbres supérieures). L’orientation de l’axe par rapport au plan sagittal varie selon la hauteur thoracique et détermine la direction du mouvement costal.

Lors des mouvements d’inspiration et d’expiration, l'arc costal postérieur tourne sur lui-même autour d'un axe passant par les articulations costo-transversaire et costo-vertébrales. En raison de l'orientation des apophyses transverses en fonction du niveau thoracique, les conséquences de l'élévation costale sur l'augmentation du diamètre thoracique sont différentes.

Au niveau supérieur, l’axe des apophyses transverses est plutôt frontal, donc le plan de mouvement costal est plutôt sagittal : l'arc antérieur s'élève tout en se déplaçant d'arrière en avant (mouvement en poignée de pompe).

Au niveau inférieur, l’axe des apophyses transverses est plutôt sagittal, donc le plan de mouvement costal est plutôt frontal : l'arc moyen s'élève et se déplace du dedans vers de le dehors (mouvement en anse de seau).

Les côtes moyennes ont un axe de rotation intermédiaire entre le plan sagittal et frontal, avec une possibilité de mouvement  en anse de seau et en poignée de pompe.

Le mouvement des cartilages costaux

La côte est reliée au sternum par l'intermédiaire d'un cartilage et de 2 articulations :

- L' articulation sterno-chondrale : l'extrémité antérieure du cartilage s'encastre dans l'encoche sternale, ne permettant qu' un faible mouvement d’élévation et d'abaissement. Les surfaces étant planes, elles empêchent tout mouvement de rotation.

- L' articulation chondro-costale : l’extrémité postérieure du cartilage s’encastre dans l’extrémité antérieure de la côte,  permettant des mouvements latéraux et d'élévation-abaissement.

Au repos, les côtes sont très obliques d'arrière en avant et de haut en bas. L'extrémité antérieure est beaucoup plus basse que l'extrémité postérieure.

Lors de l'inspiration, l'élévation des côtes entraîne une torsion du cartilage sur lui-même car le mouvement de la côte est plus important que celui du sternum. Le cartilage étant un matériau élastique, il emmagasine au cours de cette déformation de l'énergie qui est restituée à l’expiration : passivement, le cartilage reprend son aspect de repos et la côte s'abaisse. L'élévation de la côte est d'autant plus importante que le cartilage peut subir une importante torsion. Les possibilités de torsion sont fonction de la longueur du cartilage (les côtes inférieures ont des mouvements plus importants que les côtes supérieures), et de sa souplesse (et donc de l’âge).

La plèvre: un système d’arrimage des poumons à la cage thoracique

La plèvre constitue l'enveloppe des poumons. Cette enveloppe est faite de deux feuillets accolés.

Le feuillet interne ou feuillet viscéral constitue la surface même du poumon, au sein de laquelle toutes les cloisons qui séparent les lobules se réunissent et forment une couche continue de tissu conjonctif. Ce feuillet est indissociable du poumon.

Le feuillet externe ou feuillet pariétal est une membrane qui tapisse en y adhérant la face interne de la cage thoracique et la face supérieure du diaphragme.

Entre les deux feuillets de la plèvre existe une couche extrêmement mince de substances protidiques, véritable espace virtuel « soudant » les deux feuillets l'un à l'autre, par le biais d’une pression négative constante.

La plèvre ainsi constituée est un système d'amarrage du poumon à la cage thoracique et au diaphragme, rendant ces éléments solidaires au cours de leurs différents mouvements. Si l'adhésion est rompue, par exemple par l'introduction accidentelle d'air (pneumothorax), de sang (hémo-thorax) ou de liquide (pleurésie), le poumon se rétracte fortement et la cage thoracique se dilate, du fait de leur élasticité respective.

L'axe de rotation costale est orienté différemment pour les côtes de l'étage thoracique supérieur et celle de l'étage inférieur : ceci joue un rôle important dans la phonation. Pour les côtes supérieures, l'élévation costale entraîne une augmentation plus importante du diamètre antéro-postérieur du thorax et, par conséquent, l'ouverture costale sera surtout antérieure. Pour les côtes inférieures, l'élévation de la côte entraine surtout une augmentation du diamètre transversal du thorax et par conséquent, l'ouverture costale sera à prédominance latérale. Le volume d’air à chaque inspiration sera beaucoup plus important lors de la mobilisation des côtes inférieures : d’une part, la partie basse des poumons est plus volumineuse puisque ils ont une forme pyramidale, mais d’autre part, les capacités de dilatation de la cage thoracique sont beaucoup plus importantes à ce niveau.

La plèvre ainsi constituée est un système d'amarrage du poumon à la cage thoracique et au diaphragme, rendant ces éléments solidaires au cours de leurs différents mouvements.

Si l'adhésion est rompue, par exemple par introduction accidentelle d'air (pneumothorax), de sang (hémo-thorax) ou de liquide (pleurésie), le poumon se rétracte fortement et la cage thoracique se dilate, du fait de leur élasticité respective. Les mouvements de la cage thoracique ne peuvent plus être transmis aux poumons, la ventilation et donc les échanges gazeux dans la zone pathologique ne peuvent plus se réaliser.

Poumons et cage thoracique ont leurs propres caractéristiques élastiques.

Le poumon, séparé de ses attaches thoraciques, va se rétracter sur lui même et occuper le plus petit volume possible. Arrimé à la cage thoracique, le poumon subit en permanence une force de rappel élastique qui tend à le rétracter.

La cage thoracique, sans les poumons, se dilate au maximum et occupe le plus grand volume permis par les structures ostéo-cartilagineuses qui la composent. Arrimée aux poumons qui tendent à se rétracter, la dilatation de la cage thoracique est limitée et elle subit en permanence une force de rappel qui tend à la dilater.

Ainsi, le système thoraco-pulmonaire est en permanence soumis à une double contrainte élastique : la force « de rétraction » des poumons et la force « de dilatation » de la cage thoracique. Dans la position de repos du système (à la fin d’une expiration du volume courant, ou lorsque l’individu est mort…) le système est à l’équilibre : les forces élastiques se compensent parfaitement, il n’y a aucun mouvement. A chaque fois que le système sort de cette position d’équilibre, les forces de rappel élastiques vont entrer en action pour le ramener à sa position de repos.