Forces en présence pendant une expiration mobilisant la totalité de la cavité vitale

Consigne: “Après le remplissage rapide et maximal des poumons lors d’une inspiration forcée, expirer lentement et le plus longtemps possible”.

Sur le graphique suivant, on représente les variations de volume pulmonaire et les forces en présence (musculaires et élastiques) au cours de cet exercice.

Zone 1: Inspiration ventilatoire

Nous sommes dans la ventilation de repos, ventilation qui ne sert qu’à apporter l’oxygène en quantité suffisante pour faire fonctionner l’ensemble des métabolismes de notre organisme quand nous n’avons aucune activité physique et quand nous ne parlons pas.

Nous inspirons 0,5L d’air: il s’agit du volume courant. Pour inspirer, il faut créer un gradient de pression entre l’extérieur de notre corps (pression atmosphérique) et l’intérieur (pression de l’air à l’intérieur des poumons). L’air se déplace de la zone de forte pression vers la zone de faible pression. Pour diminuer la pression à l’intérieur des poumons, nous en agrandissons le volume, en contractant le diaphragme, de telle manière qu’il s’abaisse en s’aplatissant vers la cavité abdominale. La dimension verticale des poumons s’agrandit. Par ailleurs, la contraction du diaphragme écarte et élève les côtes inférieures, ce qui a pour conséquence d’agrandir le diamètre transversal et antéro-postérieur de la cage thoracique.

La dilatation de la cage thoracique éloigne cette dernière de sa position de repos (position dans laquelle l’ensemble des forces élastiques agissant sur le système thoraco-pulmonaire se compensent parfaitement, donc que leur somme est nulle: le système thoraco-pulmonaire est alors en équilibre, immobile, sans force musculaire nécessaire pour le maintenir dans cet état). Ainsi, la dilatation liée à l’inspiration fait naître des forces élastiques qui ont tendance à rétracter la cage thoracique pour la ramener dans sa position de repos.

Dans la respiration ventilatoire (ou ventilation de repos), l’inspiration est liée à la contraction du diaphragme. Son travail fait naître des forces élastiques de rétraction de la cage thoracique, d’autant plus fortes que l’on s’éloigne de la position d’équilibre du système thoraco-pulmonaire.

Zone 2: Expiration ventilatoire

L’arrêt de la contraction du diaphragme, allié à la puissance des forces élastiques, suffit à rétracter la cage thoracique: la diminution de son volume a pour conséquence une élévation de la pression d’air à l’intérieur du poumon, qui devient supérieure à la pression atmosphérique. L’air est déplacé de la zone de forte pression vers la zone de faible pression au cours de l’expiration.

L’expiration lors de la ventilation de repos est passive, sans aucune activité musculaire. Les forces élastiques suffisent à rétracter la cage thoracique. Elles sont d’autant moins fortes que l’on se rapproche de la position de repos de la cage thoracique.

Zone 3: Inspiration forcée

La consigne consiste à inspirer le plus d’air possible, le plus rapidement possible. Il faut dilater au maximum la cage thoracique pour abaisser la pression de l’air dans les poumons afin qu’elle soit très inférieure à la pression atmosphérique. L’air est déplacé de la zone de forte pression vers la zone de faible pression dans un temps très rapide en raison de la différence de pression entre l’intérieur des poumons et l’extérieur du corps.

Pour obtenir l’agrandissement maximal et rapide de la cage thoracique, tous les muscles inspirateurs sont sollicités: le diaphragme (muscle inspirateur obligatoire) et les muscles inspirateurs accessoires (les muscles du cou, les muscles du thorax et du dos). L’air pénètre dans les voies aériennes, remplissant le volume courant puis le volume de réserve inspiratoire.

Plus la cage thoracique se dilate, plus elle s’éloigne de sa position de repos, et plus les forces élastiques de rétraction sont puissantes. Elles sont maximales lorsque la dilatation de la cage thoracique est maximale, c’est à dire que l’on a atteint le maximum du volume de réserve inspiratoire.

Zone 4: Apnée inspiratoire

Cette zone correspond au moment de blocage de la cage thoracique dilatée au maximum à la fin d’une inspiration forcée, avant le démarrage de l’expiration.

Dans cette position, l’air est présent en grande quantité alors que le volume du système thoraco-pulmonaire n’augmente plus : la pression de l’air à l’intérieur des poumons augmente et devient supérieur à la pression atmosphérique. Le flux d’air tend à se déplacer depuis l’intérieur des poumons vers l’extérieur du corps. Par ailleurs, la dilatation maximale de la cage thoracique au cours de l’inspiration forcée s’accompagne de forces élastiques de rétraction très puissantes, qui tendent à ramener le système thoraco-pulmonaire dans sa position de repos.

Pour maintenir l’apnée (c’est à dire l’absence de mouvement de la cage thoracique pour interdire la ventilation), des forces musculaires doivent contrer la forte pression de l’air intra-pulmonaire et les forces élastiques de rétraction. Ces forces sont de 2 types, utilisables ensemble ou non en fonction du projet expiratoire:

• Maintien de la contraction des muscles inspirateurs pour garder dilatée la cage thoracique et empêcher la rétraction du système thoraco-pulmonaire (et l’expiration)

• Blocage de la colonne d’air expiratoire par l’accolement des cordes vocales et éventuellement des bandes ventriculaires

Zone 5: Expiration prolongée (mobilisant le VRI et le VC)

La consigne est de faire durer le plus longtemps possible l’expiration. Pour prolonger l’expiration, on doit vider très progressivement les poumons, en mobilisant progressivement l’air contenu dans les voies respiratoires. Au début de l’expiration, les forces élastiques de rétraction sont très puissantes, car la cage thoracique se trouve très éloignée de sa position de repos. Si les muscles inspirateurs cessent brutalement leur action de dilatation, les forces élastiques vont rapidement rétracter la cage thoracique pour lui faire reprendre sa position de repos et l’expiration sera de courte durée. Il faut donc freiner la fermeture de la cage thoracique en relâchant très progressivement la contraction des muscles inspirateurs. Au fur et à mesure de la baisse du niveau de contraction des muscles inspirateurs, les forces élastiques agissent en rétractant très progressivement la cage thoracique. Plus la cage thoracique se rapproche de sa position de repos et moins les forces élastiques sont puissantes. A la fin de l’expiration du volume courant, le système thoraco-pulmonaire est à l’équilibre et dans sa position de repos: les muscles inspirateurs ne peuvent plus agir (ils sont complètement relâchés) et la somme des forces élastiques est nulle.

- Zone 6: Expiration prolongée (mobilisant le VRE)

A la partie basse du volume courant, la cage thoracique est dans sa position de repos et les muscles inspirateurs sont relâchés. Pour poursuivre l’expiration, il faut mobiliser le volume de réserve expiratoire en contractant les muscles expirateurs (muscles abdominaux et intercostaux internes). Mais leur contraction doit être progressive pour faire durer le plus longtemps possible l’expiration. La cage thoracique se rétractant sous l’action des muscles expirateurs voit naître de nouvelles forces élastiques (dont l’action est de dilater la cage thoracique pour lui faire reprendre sa position de repos). Plus le volume de réserve expiratoire est mobilisé, plus les forces élastiques sont puissantes et plus les muscles expirateurs doivent se contracter pour vider le poumons. Cet effort se poursuit jusqu’à la partie basse du VRE: il est impossible de mobiliser plus d’air que le VRE, le volume résiduel qui ne pouvant pas être vidé. L’expiration cesse lorsque le volume pulmonaire correspond au volume résiduel.

-Zones 7 et 8: inspiration de reprise

L’expiration précédente ayant vidé le VRE, il faut le remplir, et tous les muscles inspirateurs agissent pour reconstituer cette réserve. L’expiration suivante est passive et sera suivie d’une inspiration ventilatoire comme en zone 1.