Phénomènes mécaniques de la ventilation

Inspiration

Le mouvement inspiratoire se caractérise par un agrandissement de la cage thoracique dans toutes ses dimensions, d'où une dilatation des poumons qui sont solidaires des parois du thorax grâce à la plèvre.

Plusieurs activités musculaires ont pour effet d'agrandir la cage thoracique :

- Les muscles qui redressent la colonne vertébrale et effacent la cyphose dorsale

- Le muscle diaphragme qui constitue le "plancher du thorax" et dont la position et le niveau de contraction modifie le volume thoracique

- Les muscles qui écartent les unes des autres les différentes pièces osseuses et cartilagineuses constituant la cage thoracique

Expiration

Le mouvement expiratoire se caractérise par une diminution de toutes les dimensions de la cage thoracique, d'où une baisse du volume des poumons qui sont solidaires des parois du thorax grâce à la plèvre.

A la différence de l'inspiration, phénomène mécanique nécessitant toujours de l'énergie pour dilater la cage thoracique (par action musculaire), l'expiration est majoritairement passive. Une fois dilatée par les forces musculaires inspiratrices, la cage thoracique subit passivement un retour vers sa position initiale (position de repos) par l'action des forces élastiques.

Quand le mouvement expiratoire doit être rapide, prolongé, ou quand il faut obtenir une pression expiratoire élevée (souffler le plus vite possible, souffler des bougies, souffler dans un instrument à vent, émettre un son…), l’expiration devient active. Les muscles expiratoires entrent alors en jeu pour compléter l'effet des forces élastiques.

Mouvements respiratoires et volumes d'air mobilisés

La ventilation de repos

Pour vivre, on a besoin de ventiler 20000 litres d'air par jour au cours des mouvements ventilatoires. Cette activité consomme 2 % de l’énergie totale dépensée par le corps humain. Cette dépense augmente au cours des efforts physiques, ou si l’appareil ventilatoire et/respiratoire est défaillant (il faut alors mobiliser plus d’air pour extraire une quantité suffisante d’O2).

La ventilation est un acte à la fois automatique et volontaire. Dans la respiration ventilatoire, ou ventilation de repos, ventilation qui permet d’apporter l’O2 nécessaire au fonctionnement de l’organisme au repos, les mouvements d’inspiration et d’expiration se succèdent automatiquement, y compris pendant le sommeil.

La contraction légère du diaphragme permet l'abaissement de 2 cm de son centre tendineux. Le volume pulmonaire augmente et la pression dans les poumons s'abaisse, devenant légèrement inférieure à la pression atmosphérique. Un courant d'air inspiratoire permet l'entrée de 0,5 litre d'air (volume courant VC). Ce courant d'air inspiratoire passe généralement par le nez pour réchauffer l’air, l’humidifier et le "dépoussiérer", afin qu’il ne soit pas irritant pour les voies aériennes. L'air est conduit jusqu’aux alvéoles où l’oxygène est extrait puis passe dans le sang, tandis que dans le même temps, le CO2 se retrouve dans l’air alvéolaire.

L’expiration ventilatoire démarre dès que cesse la contraction diaphragmatique : les forces élastiques de rappel générées par l'abaissement du centre tendineux remontent passivement le diaphragme dans sa position de repos, convexe vers le haut. Le volume pulmonaire diminue, augmentant la pression pulmonaire qui devient légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Un courant d'air expiratoire permet la sortie de 0,5 litre d'air, par le nez ou la bouche. La quantité d'air contenue dans les poumons à la fin d'une expiration ventilatoire porte le nom de capacité résiduelle fonctionnelle (CRF).

L’expiration ventilatoire se fait sans l’intervention de force musculaire, donc sans dépense d’énergie, de manière tout à fait passive. Au cours de la ventilation de repos, l’inspiration a la même durée que l'expiration. Les mouvements respiratoires se font avec un minimum de dépenses d'énergie.

La ventilation “forcée”

Inspiration forcée

Si à la fin d'une inspiration ventilatoire, on prolonge le mouvement inspiratoire au maximum, on réalise une inspiration forcée. Le volume d'air qui pénètre ainsi dans les poumons porte le nom de volume de réserve inspiratoire (VRI), il correspond à environ 3000 ml.

Pour faire entrer rapidement cette quantité d’air correspondant au VRI, il faut dilater au maximum la cage thoracique pour agrandir le sac pulmonaire, diminuer la pression intra pulmonaire et provoquer l’inspiration. Ce mouvement est réalisé par le redressement postural, la contraction du diaphragme et des muscles inspirateurs accessoires.

Expiration forcée

Si à la fin d'une expiration ventilatoire (où il persiste dans les poumons un volume d'air appelé CRF) on prolonge l'expiration autant qu'il est possible de le faire, pour réaliser une expiration forcée, l'air ainsi expulsé porte le nom de volume de réserve expiratoire (VRE), et il représente environ 1500 ml.

Pour faire sortir rapidement cette quantité d’air correspondant au VRE il faut rétracter au maximum la cage thoracique pour rétrécir le sac pulmonaire, augmenter la pression intra pulmonaire et provoquer l’expiration. Ce mouvement est réalisé par l’accentuation de la cyphose et la contraction des muscles expirateurs, en particulier par les muscles abdominaux.

À la fin d'une expiration forcée, les poumons ne sont pas complètement vidés de l'air qu’ils contiennent. Il persiste toujours un certain volume d'air, appelé volume résiduel (VR), d’environ 1200 ml. Cet air non mobilisable permet aux poumons de ne jamais se collaber.

Le volume d’air mobilisé au maximum au cours d’une ventilation comprend le VRI, le VC et le VRE et porte le nom de capacité vitale (CV).

Les différents volumes pulmonaires