PHYSIOLOGIE DE LA RESPIRATIONET DES GAZ DU SANG

3 0 6 0 9 0

%

mm Hg

100

50

Janvier 2000

FACULT DE MDECINEDpartement de Physiologie

CMU - Rue Michel Servet 1CH - 1211 Genve 4

Respiration/PH 2000

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Table des matires

Page

Introduction 2

I. Comment se rpartissent les pressions partielles des gaz 4respiratoires (PO2 et PCO2) dans les diffrents milieux

de lorganisme.

II. Comment la ventilation alvolaire (V.A) et les changes 10

gazeux (V.O2 et V

.CO2 ) dterminent la composition du

gaz alvolaire (PAO2 et PACO2).

III. Comment le sang circule dans le poumon et comment le gaz alvolaire squilibre avec le sang capillaire pulmonaire.

IV. Comment loxygne et le gaz carbonique sont 35transports par le sang.

V. Mcanique respiratoire. 47

VI. Rgulation de la ventilation. 70

AvertissementCe polycopi nest pas un livre ni un textbook, mais un abrg de physiologie respiratoire debase susceptible daider les voles dtudiants confronts lenseignement par problmes (APP)de la respiration. Bien quil contienne, au dbut de chaque chapitre, des cas cliniques illustratifsde la matire du chapitre quils prcdent, cet abrg nest pas un enseignement de laphysiopathologie pulmonaire dont les tudiants doivent chercher ailleurs la documentation. Leschanges gazeux y sont prsents sur la base de la cascade des pressions partielles doxygne ,propose par Hermann Rahn, parce que lauteur croit que cette cascade est une approchedidactique utile et semi-quantitative de lensemble des changes gazeux. Les lments demorphologie de lappareil respiratoire se trouvent dans un autre polycopi dit par la Facult deMdecine de Genve. La nomenclature adopte est la nomenclature internationale (anglo-saxon-ne) qui vaut aussi pour le domaine de la circulation.

Fribourg et Genve, janvier 2000, Prof. Pierre E. Haab, MD

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Introduction

L'organisation de la fonction respiratoire comprend les trois lments essentiels suivants :

1) Les centres respiratoires situs dans le tronc crbral et la moelle allonge (bulbe) quicommandent rythmiquement les motoneurones de l'effecteur thoraco-pulmonaire.

2) Leffecteur thoraco-pulmonaire (systme poumon-thorax) qui assure la ventilation etles changes gazeux respiratoires.

3) Les rcepteurs qui renseignent les centres respiratoires sur l'efficacit avec laquelle leursordres ont t excuts par le systme poumon-thorax (rgulation en feed-back ngatif).

1) Les centres respiratoires ont une fonction de pacemaker qui engendre une successionrgulire de mouvements inspiratoires et expiratoires ayant une certaine frquence et une certaineamplitude. Ces centres sont autonomes et peuvent fonctionner sans affrence aucune; mais lesmuscles respiratoires peuvent aussi recevoir des ordres en provenance du cerveau et gnrer desmouvements inspiratoires et expiratoires volontaires.

2) Le systme poumon-thorax assure la ventilation et les changes gazeux pulmonaires,prise d'oxygne (V

.O2) et limination de gaz carboniques (V

.CO2). Il adapte la ventilation et les

changes gazeux pulmonaires aux besoins du mtabolisme cellulaire, consommationd'oxygne(V

.O2) et production de gaz carbonique (V

.CO2). En tat stationnaire (steady-state) la

prise pulmonaire d'O2 est gale la consommation tissulaire d'O2, de mme que l'liminationpulmonaire de CO2 est gale la production tissulaire de CO2 .

3) Les rcepteurs fournissent aux centres des informations qui sont analyses et intgresdans le tronc crbral. Les chmorcepteurs renseignent les centres sur l'artrialisation du sangqui a pass par les poumons (PO2, PCO2 et pH). Les mcanorcepteurs et les nocicepteursrenseignent les centres sur l'tat de distension du systme thoraco-pulmonaire et d'irritation desvoies ariennes et des poumons. Les informations parviennent aux centres principalement par lenerf vague affrent.

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Lorganisation de la respiration est prsente ci-dessous sur un schma qui est une formesimplifie de celui qui se trouve au dbut du chapitre VI (fig VI 39) traitant de la rgulation de laventilation.

centres suprieurscerveau

intgrateur

gnrateur central(oscillateur)

mtabolisme nergtique

systme poumon - thorax

mode ventilatoire, f, VT

centres respiratoires

effecteur

rcep-

teurs

tronccrbral

moelleallonge

O2 CO2

Organisation de la respiration : centres respiratoires, systme poumon-thorax, rcepteurs.

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I. Comment se rpartissent les pressionspartielles des gaz respiratoires (PO2 et PCO2)dans les diffrents milieux de l'organisme.

A. Schma des changes respiratoires : les 2 tapes de convection etles 2 tapes de diffusion ; "Cascades" des PO2 et des PCO2

B. Concentrations, fractions et pressions partielles des gazrespiratoires (rappel de chimie et de physique)

C. Volumes et dbits de gaz respiratoires, symboles et units

A. Schma des changes respiratoires : les 2 tapes de convection etles 2 tapes de diffusion

Le transfert de l'O2 de l'air atmosphrique aux cellules et celui du CO2 des cellules l'airatmosphrique comporte quatre tapes :

l) Convection ventilatoire, V.T et V

.A : la ventilation pulmonaire assure un mouvement

d'air entre les poumons et l'atmosphre. Il y a transport conventionnel d'O2 et de CO2 dumilieu atmosphrique au milieu alvolaire et vice-versa. La convection ventilatoire estun mouvement de va-et-vient de gaz dans un systme en cul-de-sac; une partie de laventilation totale, V

.T, celle qui balaie les voies ariennes, n'est pas utile au transfert des

gaz respiratoires dans le sang. La ventilation utile est la ventilation alvolaire, V.A.

2) Diffusion alvolo-capillaire pulmonaire, DL : dans le poumon les gaz diffusentpassivement du milieu alvolaire dans le (et hors du) sang capillaire pulmonaire, qui deveineux devient artriel. La rsistance que la barrire alvolo-capillaire offre au passagedes gaz respiratoires se dfinit par son inverse, la capacit de diffusion pulmonaire, DL.

3) Convection circulatoire, Q.

: la circulation assure le transport des gaz respiratoiresphysiquement dissous et chimiquement lis dans le sang. Dans les tissus le sang passe del'tat artriel l'tat veineux. Le mlange des sangs veineux en provenance de tous lesorganes n'est complet que dans lartre pulmonaire o le sang est dit "sang veineuxml".

4) Diffusion capillaires priphriques - tissus, Dt : dans les capillaires priphriques lesgaz diffusent passivement hors du (et dans le) sang capillaire priphrique, dont lacomposition change progressivement de l'extrmit artrielle l'extrmit veineuse descapillaires. Par le calcul on peut dfinir la composition d'un sang capillaire priphriquemoyen et la capacit de diffusion tissulaire, Dt.

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Ces quatre tapes constituent une chane de transfert pour les changes gazeux. Les milieuxdont les compositions sont importantes pour la description de cette chane sont : l'air inspir, I,l'air alvolaire, A, le sang artriel, a, le sang veineux ml, v- et enfin le milieu tissulaire, t.En steady- state, la consommation d'O2 , V

.O2 , est la quantit de molcules d'O2 qui franchit par

unit de temps chaque tape de cette chane; cette quantit est prise dans l'air inspir etconsomme dans les cellules. La production de CO2, V

.CO2, est la quantit de molcules de CO2

qui, par unit de temps, franchit chaque tape en sens inverse; elle est produite dans les celluleset limine dans l'air inspir.

"Cascades" des PO2 et des PCO2Les paramtres importants de la description de la composition respiratoire des diffrentsmilieux sont les pressions partielles des gaz respiratoires. Les diagrammes prsents la Fig. I, 1montrent l'volution que subissent les pressions partielles d'O2 (PO2 ) et de CO2 (PCO2) enpassant de l'un l'autre des principaux milieux de la chane de transfert. Pour l'O2, qui esttransfr de l'air inspir aux tissus, la pression partielle dcrot progressivement de l'air inspiraux tissus. Pour le CO2, la pression partielle dcrot progressivement des tissus l'air inspir. Lamajeure partie de ce cours de physiologie respiratoire est destine expliquer les mcanismes quidterminent la hauteur des paliers de pression partielle du diagramme de la Fig. I, 1,communment appel "diagramme des cascades".

VCO2.

VA.

kPa mmHg

100

506,6

13,3

20,0

Dt

DL Q.

150

Cascade PCO2

IA a

v-

PCO2Q.

.VO2

I

A a

v-

PO2kPa mmHg

100

506,6

13,3

20,0

Cascade PO2

Dt

DLVA.

Fig I, 1 Cascades des PO2 et des PCO2, valeurs pour l'homme au repos en plaine

I : air inspir, A : air alvolaire, a : sang artriel, v- : sang veineux ml. Pour loxygne (Figurede gauche), on voit que la pression partielle vaut l50 mmHg dans lair inspir et quelle chuteprogressivement en passant dun milieu lautre pour ne valoir plus que 40 mmHg.dans le sangveineux ml. Pour le CO2, (Figure de droite), le palier veineux est 46 mmHg, alors que danslair inspir la pression partielle de CO2 est nulle.

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B. Concentrations, fractions et pressions partielles des gazrespiratoires (rappel de chimie et de physique )

l) Phases gazeuses : air inspir (I), air expir (E) et air alvolaire (A).a) La concentration, Cx, d'un gaz x dans une phase gazeuse est dfinie par le volume de

gaz x par unit de volume de la phase gazeuse : il s'agit donc d'une concentrationvolumtrique, sans dimension (ml/ml) et non pas d'une concentration pondrale (gr/ml);elle s'exprime souvent en vol% : l'air atmosphrique sec contient 20,9% d'O2, 78,1% deN2, 0,03% de CO2 et environ 1% de gaz rares. En physiologie respiratoire, on considreque les phases gazeuses du corps contiennent toutes de la vapeur d'eau dont la pressionpartielle est toujours admise comme saturante pour la temprature de la phase gazeuseconsidre. Ceci s'applique galement l'air inspir qui est considr au moment o ilpntre dans les alvoles, soit lorsqu'il a dj t conditionn 37 et 100% d'humiditpar son passage dans les voies ariennes suprieures. A noter que la pression partiellesaturante de vapeur d'eau ne dpend que de la temprature; 37 elle vaut 47 mm Hg, 20elle vaut 18 mm Hg.

La fraction d'un gaz x est gale au volume de gaz x par unit de volume de la phasegazeuse sche. N.B. Les fractions des gaz dans l'air atmosphrique ne varient pas avecl'altitude.

b) La pression partielle, Px, d'un gaz x dans une phase gazeuse est gale la part de lapression totale exerce par le gaz x. La pression totale (Ptot) d'un mlange de plusieurs gazest gale la somme des pressions partielles des gaz qui constituent le mlange.Lorsque l'on connat, comme cela est gnralement le cas, non pas la concentrationvolumtrique, Cx, mais la fraction, Fx, dun gaz, le calcul de sa pression partielle, Px,requiert de connatre non seulement la pression totale, Ptot, mais aussi la pression devapeur d'eau, PH2O, ce qui est ais si l'on connat la temprature et si l'on admet quePH2O est saturante.

Px = Fx (Ptot-PH2O)PIO2 = FIO2 (PB PH2O)

o PIO2 est la pression partielle doxygne dans lair inspir, FIO2 est la fractiond'oxygne dans l'air inspir, PB la pression baromtrique et PH2O la pression de vapeurd'eau saturante 37. Au bord de la mer, PIO2 = 0,21 (760-47) = env. 150 mm Hg. AuJungfraujoch (PB environ 500 mm Hg), PIO2 = 0,21 (500-47) = env. 95 mm Hg.En physiologie respiratoire, il est encore aujourdhui usuel d'exprimer les pressionspartielles des gaz en mmHg, mais l'unit moderne est le Pascal ou le kilo Pascal. Il suffitde savoir que 1 mmHg = 0,133 kPa.

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2) Phases liquidiennes : sang artriel (a), sang veineux (v) , sang capillaire(c)

a) La concentration, Cx, d'un gaz x dans une phase liquide est dfinie par le volume de gazx aux conditions standard (STPD, cf. infra) par unit de volume de phase liquide.

b) La pression partielle, Px, d'un gaz x dans une phase liquide se dfinit le plus simplementcomme la pression partielle du gaz x dans une phase gazeuse avec laquelle la phase liquideserait en quilibre.

c) Relation entre concentration et pression partielle en phase liquide : lorsqu'un gaz x estuniquement physiquement dissous dans une phase liquide, il existe une relation linaireentre Cx et Px, et la pente de cette relation linaire dfinit le coefficient de solubilit ()du gaz x dans la phase liquide considre :

Cx = Px. Le coefficient de solubilit physique varie avec la temprature, avec la nature dugaz et avec la nature de la phase liquide; par exemple l'azote est cinq fois plus soluble dansl'huile que dans l'eau. Lorsque les gaz sont non seulement dissous physiquement mais aussilis chimiquement dans la phase liquide, comme c'est le cas pour lO2 et le CO2 dans lesang, la relation entre Cx et Px est alinaire et est dcrite sous le terme de courbe dedissociation ou d'quilibre de x (voir chap. IV).

3) Mesures physico-chimiques des pressions partielles des gaz respiratoires utilises enmdecine courante

Phase gazeuse : La PCO2 dun gaz est habituellement mesure par labsorption de rayonsinfrarouges par le CO2 (capnographie). La PO2 est le plus souvent mesure par unemthode mettant profit les proprits paramagntiques de lO2. Tant pour PCO2 que pourPO2 les chantillons de gaz prlever peuvent tre trs petits et les rponses sont trsrapides. (< 1 sec.)

Phases sanguines : La PCO2 du sang peut tre mesure par des lectrodes PCO2 qui sontdes lectrodes de verre pH recouvertes dune membrane de plastique trs permable CO2, lespace sparant la membrane de verre et la membrane de plastique tant rempli avecune solution de bicarbonate dont le pH est fonction de la PCO2 (quation d'Henderson-Hasselbalch).La PO2 du sang est mesure par des lectrodes polarographiques appeles cathodes oxygne car l'O2 y est rduit la surface de la cathode dun circuit lectrique. La rductionde lO2 produit un courant lectrique dont lintensit est proportionnelle la PO2 duliquide dans lequel llectrode est immerge. Les cathodes O2 sont recouvertes dunemembrane tres permable O2.Les lectrodes PCO2 et PO2 modernes ne requirent que quelques microlitres de sang.Leur temps de rponse est infrieur 1 min.

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Schma des lectrodes O2 et CO2

A gauche: Mesure polarographique de la PO2 du sang. L'oxygne du sang diffuse travers unemembrane artificielle et est rduit la surface de la cathode. Cette rduction gnre un courantdont l'intensit (I) est une mesure de la PO2.

A droite : mesure de la PCO2. Le CO2 du sang diffuse travers une membrane artificielle ets'quilibre avec une solution de bicarbonate de Na qui entoure une lectrode pH. Le pH de cettesolution est une fonction de la PCO2, selon l'quation de Henderson-Hasselbalch.

C. Volumes et dbits de gaz respiratoires, symboles et unitsLe volume qu'occupe une certaine quantit de gaz dpend de la pression et de la temprature quirgnent dans ce gaz. Cette dpendance s'exprime dans l'quation des gaz parfaits : V = n RT/Po V est le volume en litres (L), n, le nombre de moles de gaz, R, la constante des gaz parfaits(0,082 L.atm/mole.degr) et P, la pression en atmosphre. La vapeur d'eau n'est pas un gaz parfaitet n'obit pas cette quation. L'expression d'un volume de gaz doit toujours tre accompagnede l'indication des conditions de pression, de temprature et de vapeur dH2O.

Conditions ATPS (anglais : Ambient Temperature Pressure Saturated with water vapor).Conditions BTPS (anglais : Body Temperature Pressure Saturated with water vapor), soit lesconditions des gaz dans le corps. Conditions STPD (anglais : Standard Temperature PressureDry), soit les conditions temprature de 273 absolus ou 0 centigrades, 760 mm Hg ou uneatmosphre de pression et sec (dry).

KCL

cathode

lctrodederfrence

membranede verre

NaHCO3

KCL

membrane

lctrodederfrence

lctrode

diaphragme

sang sang

V

0,6 V

I

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On exprime les volumes pulmonaires et leurs variations par unit de temps (dbitsgazeux) aux conditions BTPS ; en revanche, les volumes et dbits des gazrespiratoires, O2 et CO2, s'expriment aux conditions STPD.

La transformation des valeurs mesures aux conditions ATPS en valeurs aux conditionsBTPS ou STPD se fait par application des lois de Mariotte et de Gay-Lussac, en tenantcompte de la vapeur d'H2O.

Symboles de physiologie respiratoire

fractions etconcentrations

pressionspartielles

volumes dbits fluxmtaboliques

phase gazeuse FI, FE, FA PI, PE, PA VA, VT V.A, V

.T V

.O2, V

.CO2

phase sanguine Ca, Cv, Cc Pa, Pv, Pc Q Q. V

.O2, V

.CO2

Sur un symbole, un trait signifie : valeur moyenne; un point signifie : par unit de temps

Phases gazeuses : A : alvolaire, E : expire, I : inspire, F : fraction.

Phases sanguines : a = artriel, v = veineux (v- = ml), c = capillaire, C = concentration.

Exemples :

VA = volume courant alvolaire, V.A = ventilation alvolaire en L. par min

Q = volume de sang, Q. = dbit de sang en L. par min

V.O2 = consommation ou prise doxygne en ml.par min

PIO2 pression partielle d'oxygne dans l'air inspir

FAO2 fraction d'O2 dans l'air alvolaire

PaCO2 pression partielle de CO2 dans le sang artriel

PcO2 pression partielle d'O2 dans le sang capillaire

Pv-CO2 pression partielle de CO2 dans le sang veineux ml

CaCO2 concentration de CO2 dans le sang artriel

Cv-O2 concentration d'O2 dans le sang veineux ml

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II. Comment la ventilation alvolaire (V.A) et les

changes gazeux (V.O2 et V

.CO2) dterminent la

composition du gaz alvolaire (PAO2 et PACO2)

A. Volumes pulmonairesB. Ventilation totaleC. Echanges gazeux et convection en phase gazeuseD. Ventilation alvolaire, V

.A, et ventilation de l'espace mort, V

.D

E. Quotient respiratoire et quation de la PO2 alvolaire idaleF. Concepts dhyper et dhypoventilationG. Ventilation et changes gazeux lexercice musculaire,

concept dhyperpne

Cas clinique 1 : " trop de somnifres " ?A 11h00 du matin, dans un htel de Marseille, on trouve dans sa chambre un voyageur decommerce, environ 40 ans, qu'il est pratiquement impossible de rveiller, avec sur sa table deuxemballages de phnobarbital neufs mais vides. Il est amen en ambulance l'hpital. La capacitvitale, la capacit pulmonaire totale et le volume expiratoire maximum seconde ne sontvidemment pas mesurables. En revanche, on mesure: volume courant 400 ml BTPS, frquencerespiratoire 7c/min, consommation d'O2 : 250 ml STPD/min, PACO2 80 mm Hg, et productionde CO2 : 200 ml STPD/min.- Connaissez-vous tous les termes employs, leurs abrviations et leurs units ?- Pouvez-vous calculer la ventilation totale, la ventilation alvolaire et la valeur

de l'espace mort ?- Quelles mesures peut-on faire sans la participation du malade ?- Pouvez-vous calculer la ventilation totale et la ventilation alvolaire de ce malade ?- Pouvez-vous calculer sa PAO2 "idale" ?- Quelles valeurs attendez vous pour PaCO2, PaO2 et pHa ?- Pouvez-vous faire un diagnostic simple de l'tat ventilatoire du malade et proposer des

manuvres thrapeutiques simples ?- Connaissez-vous l'action du phnobarbital et des barbituriques en gnral sur le systme

nerveux central et sur les centres respiratoires ?

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Cas clinique 2 : "J'ai paniqu et chou mon examen "

T. Hyp, tudiante mticuleuse et inquite, s'est sentie mal pendant un examen oral, bloque etincapable de rpondre aux questions les plus simples. Elle raconte: j'avais l'impression quej'allais mvanouir et ne pouvais plus rflchir; j'avais de la peine parler cause de contracturesspasmodiques des muscles de mon visage, l'examinateur m'a mme demand si ses questions mefaisaient sourire ! J'avais aussi de la difficult dessiner parce que je ne pouvais pas carter lespouces des doigts et avais des fourmillements dans les mains. Aprs l'examen, un assistant m 'afactieusement demand si je connaissais la renoncule de Sardaigne (herba sardonica), il a voulume mettre la tte dans un cornet de papier, puis m'a impos des mouvements respiratoires lents etcalmes qui ont fait disparatre mes troubles.

- Connaissez-vous les termes employs ?- Pouvez-vous imaginer quelle a t, pendant l'examen, lvolution de V

.A, PACO2, de pHa et

du taux de Ca2+ libre dans le plasma ?- Vous souvenez-vous du rle de (Ca2+) libre sur lexcitabilit neuronale ?- Connaissez-vous la diffrence entre une hyperventilation et une hyperpne ?

A. Volumes pulmonairesLes volumes pulmonaires mobilisables peuvent tre dtermins par les dplacements d'unecloche spiromtrique et tre lus sur l'enregistrement de ces dplacements : le spirogramme (Fig.II, 2).

- le volume courant VT (T pour "tidal"), soit le volume qui, lors de la respiration normale,entre ou sort du poumon chaque cycle respiratoire. Au repos, VT vaut environ 0,5 L chezladulte; l'exercice musculaire, VT augmente aux dpens des volumes de rserveinspiratoire et expiratoire ;

- le volume de rserve inspiratoire VRI, soit le volume que le sujet peut encore inspirer,grce un effort inspiratoire maximum, la fin d'une inspiration normale: chez l'hommejeune VRI = env. 2,5 L ;

- le volume de rserve expiratoire VRE, soit le volume que le sujet peut encore expirer, grce un effort expiratoire maximum, la fin d'une expiration normale : chez l'homme jeune VRE= env. 1,5 L ;

- la capacit vitale, CV, est la somme du volume de rserve inspiratoire, du volume courant etdu volume de rserve expiratoire. Elle se mesure en pratique comme le plus grand volume quele sujet est capable d'expirer aprs une inspiration maximum. La grandeur de la capacit vitaledpend des dimensions corporelles, poids et taille, ainsi que de l'ge et du sexe ; chez l'hommejeune CV = env. 4,5 L .

A la fin d'une expiration maximum le poumon contient encore une quantit d'air, qui pardfinition n'est pas mobilisable et se nomme le volume rsiduel (VR); chez l'homme jeune VR =env. 1,5 L.

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A la fin d'une expiration normale, le systme poumon-thorax est en position expiratoire de repos.Le volume qu'il contient alors est gal la somme du volume de rserve expiratoire et du volumersiduel et se nomme capacit rsiduelle fonctionnelle (CRF).La somme de la capacit vitale et du volume rsiduel se nomme capacit pulmonaire totale(CPT).La mesure du volume rsiduel ou de tout volume ou capacit comprenant le volume rsiduelrequiert l'emploi de mthodes indirectes en raison du caractre non mobilisable du volumersiduel. Ces mthodes indirectes (voir page suivante) sont fondes soit sur le principe dedilution de gaz inertes, soit sur le principe de la compression des gaz contenus dans le systmepoumon-thorax un niveau de remplissage donn (mthode du plthysmographe corporel).

VR

VRE

VRI

VT

CPTCV

CRF1234567

20 30 40 50 60 70Age, annes

CPT

CRF

VR

V l. BTPS

Fig. II 2 A gauche : Volumes pulmonaires mesurs par spiromtrie. A droite : variations desprincipaux volumes en fonction de l'ge. Avec l'ge, CPT diminue, VR augmente et CRFaugmente lgrement.

B. Ventilation totale, V.T

On appelle ventilation totale la somme des volumes courants qui sont inspirs ou expirs pendantl'unit de temps, la minute, ou, ce qui revient au mme, le produit de la frquence respiratoire, f,en cycles par minute, par le volume courant moyen inspir ou expir.

En pratique, on peut considrer que V.T inspire est gale V

.T expire et que la ventilation

totale, dsigne simplement par V.T, reprsente le dbit unidirectionnel dair qui passe par la

bouche par minute. V.T se dtermine soit par mesure continue du dbit arien instantan

(pneumotachographe, cf. chap. V), soit en collectant l'air expir dans un spiromtre auquel lesujet est connect en circuit ouvert. Au repos, la frquence respiratoire vaut environ 15 c/min etle volume courant 0,5 L, V

.T vaut donc environ 7,5 L/min. A l'exercice musculaire, la frquence

respiratoire peut monter 40 c/min, le volume courant 3 L et V.T 120 L/min.

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Schma de la mthode de dilution l'hlium pour la mesure dun volume pulmonairetotalement ou partiellement non mobilisable, par expemple la CRF. La quantit dhlium tantconstante, on peut crire : Vol. spiro. % He Initial = Vol. (spiro + CRF) % He final. (aprsdilution)

CRF = Vol. spiro. (% He. Initial / % He final 1)

P plthysmo- graphe

pneumotacho- graphe

P buccale

obturateur

talonnage

Plthysmographe corporelCette mthode qui est courammentutilise en clinique nest pas explique ici.Dans une cabine aux parois rigides ettransparentes sont mesurs:

1) la pression dans le plethysmographe

2) la pression buccale avec et sansobturation du dbit arien

3) le dbit arien la bouche par pneumo-tachographie (cf.chap.V).

Grce ces mesures, on peut dterminer

a) les volumes pulmonaires et

b) la rsistance lcoulement de lair dans les voies ariennes

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C. Echanges gazeux et convection en phase gazeuse

Les gaz respiratoires, O2 et CO2, sont transports de l'air inspir aux poumons et vice-versa parconvection ventilatoire et la quantit de gaz respiratoire transporte par unit de temps est galeau produit du dbit, V

.T, par la concentration de gaz dans ce dbit. Ainsi, le dbit inspir d'O2

=V.T FIO2 , et le dbit expir d'O2 = V

.T FEO2 . La diffrence entre les dbits inspirs et

expirs d'O2 reprsente le dbit d'O2 qui a t soustrait l'air inspir lors de son passage dans lepoumon, c'est--dire le flux d'O2 qui a t capt par le poumon. Ce flux d'O2 est dsign par leterme de prise pulmonaire d'O2. Par analogie, le flux de CO2 ajout l'air inspir lors de sonpassage par le poumon est dsign sous le terme d'limination pulmonaire de CO2.

V.O2 = V

.T (FIO2 - FEO2 ) V

.CO2 = V

.T (FECO2 - FICO2 )

FEO2 et FECO2 sont les fractions d'O2 et de CO2 dans l'air expir, soit dans l'air collect dansun spiromtre en circuit ouvert (Fig. II, 3). FICO2 est considre comme nulle, et V

.CO2 est

gale V.TFECO2 . FEO2 et FECO2 sont les fractions d'O2 et de CO2 dans l'air expir, soit

dans l'air collect dans un spiromtre en circuit ouvert (Fig. II, 3).

Fig II, 3. Circuit ouvert ( gauche) et ferm ( droite) pour la mesure de la prise d'O2 etl'limination de CO2.La mesure de V

.O2 peut aussi se faire par la mthode en circuit ferm, dans laquelle le sujet

inspire et expire dans un spiromtre rempli doxygne pur et muni dun absorbeur CO2.(Fig II, 3). La V

.O2 se mesure par la diminution de volume du spiromtre par unit de temps.

Les quations dfinissant les flux dO2 et de CO2 comme le produit dun dbit vecteur par unediffrence de concentration avant et aprs le lieu dchange, sont des quations de transfertconvectionnel qui ont la mme forme que les quations de Fick o les flux dO2 et de CO2 sontdfinis partir du dbit cardiaque, (Q

. ) et des diffrences artrio-veineuses dO2 et de CO2.

V.O2 =Q

. (CaO2 Cv-O2) V

.CO2 =Q

. (Cv-CO2 CaCO2)

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D. Ventilation alvolaire V.A et dtermination de l'espace mort VD

Le volume courant, VT, peut tre subdivis en 2parties : le volume de l'espace mort, VD (D pourdead en anglais), et le volume courant alvolaireVA; VT = VA + VD ; de mme, la ventilation totaleV.T est la somme de la ventilation alvolaire, V

.A, et

de la ventilation de l'espace mort, V.D.

V.T=V

.A+ V

.D

Ainsi dfinie, la ventilation alvolaire reprsentele dbit d'air inspir qui pntre dans les alvoleset participe aux changes gazeux. Elle est gale la ventilation totale moins la ventilation del'espace mort. (Fig. II, 4)

Fig. II, 4

La ventilation alvolaire peut aussi tre dfinie comme la part de la ventilation totale quicontient le CO2 limin par minute ou de laquelle est prleve la prise d'O2.

Ces quations font ressortir limportance de la ventilation alvolaire, car elles montrent que lacomposition de l'air alvolaire, FACO2 et FAO2 , dpend 1) de la composition de l'airinspir, FIO2 et FICO2, 2) des flux de gaz respiratoires, V

.CO2 et V

.O2 et 3) de la

ventilation alvolaire, V.A. Pour un air inspir et un tat mtabolique donns, la composition

alvolaire, FACO2 et FAO2 , ne dpend que de V.A et non pas de V

.T.

Effet de la frquence respiratoire

Un calcul simple permet d'illustrer les variations respectives de V.A et de V

.D lorsque la

frquence respiratoire change. Soit, selon les donnes de la Fig. II, 4, une ventilation totale V.T de

7500 ml/min, un volume courant VT de 500 ml et un espace mort VD de 150 ml; comparons lesvaleurs de V

.A et V

.D lorsque la frquence respiratoire passe de l5 25 par min sans que V

.T

change :

f f

L/min. 15/min. 25/min.

V.T 7,500 7,500

V.D 2,250 3,750

V.A 5,250 3,750

VD = 150

VD = 2250VT = 7500VA = 5250...

VT = 500VT = VD + VAVT = VD + VA

FRC = 3000. ..

f. resp. 15 / min

Volumes et dbits en ml BTPS

VA =

VC O 2FACO 2

VA =

VO 2-FIO 2 FAO 2

Respiration/PH 2000

16

On voit qu'avec l'augmentation de la frquence, la ventilation de l'espace mort augmente aussi etque la ventilation alvolaire diminue. Le deuxime mode respiratoire est donc beaucoup moinsavantageux que le premier, puisque le dbit d'air participant aux changes gazeux ne reprsenteplus que la moiti de la ventilation totale. Une mesure de V

.T seule est donc insuffisante pour

caractriser l'efficacit ventilatoire; il faut toujours l'associer une dtermination de V.D pour

connatre la grandeur physiologiquement importante, V.A..

Dtermination de l'espace mort par la mthode instantane

Fig. II, 5 L'espace mort peut tre mesur par la mthode de l'analyse instantane desconcentrations gazeuses la bouche au cours d'une expiration. Par exemple, l'enregistrementsimultan de l'expirogramme et de la PCO2 la bouche (capnogramme) permet de mesurer lapart du volume expir pour laquelle la PCO2 a encore sa valeur inspiratoire.(Fig. II, 5)

Espace mort anatomique et espace mort physiologique

L'espace mort anatomique se dfinit comme le volume de gaz contenu dans les voies ariennes,de la bouche aux alvoles. Mesur par les donnes morphomtriques, il vaut environ 150 ml chezle sujet adulte sain. L'espace mort physiologique se dfinit comme un volume de gaz qui neparticipe pas aux changes gazeux; il peut tre plus grand que l'espace mort anatomique dans lescas o il existe des alvoles qui sont ventiles mais pas perfuses. De telles alvoles font partie,fonctionnellement, de l'espace mort.

Ventilation haute frquence (HFV, high frequency ventilation)

Les anesthsistes ont dmontr que l'on peut maintenir chez des sujets narcotiss des pressionspartielles alvolaires et sanguines normales en ventilant trs haute frquence et trs basvolumes courants (moins de 30 ml). Ces volumes courants sont bien infrieurs l'espace mortanatomique; cela dmontre la possibilit qu'ont les gaz respiratoires d'tre changs par d'autres

Respiration/PH 2000

17

mcanismes que la convection. On pense aujourd'hui que pendant la HFV, la diffusion et ladispersion en phase gazeuse des gaz respiratoires deviennent particulirement efficaces. L'espacemort physiologique peut donc aussi tre plus petit que l'anatomique.

L'espace mort est vivant

L'espace "mort" est constitu par les voies qui conduisent l'air de la bouche aux alvoles et vice-versa. Anatomiquement, de la trache aux alvoles, les bronches se divisent 23 fois et offrent aupassage de l'air une rsistance variable que vous tudierez dans le chapitre de dynamiquerespiratoire, Chap. V.C. Les parois des bronches contiennent des muscles lisses qui sont relaxspar le systme sympathique et contracts par le systme parasympathique. Histologiquement, lesparois des bronches et de l'oropharynx sont recouvertes d'un pithlium cili. Les mouvementsdes cils assurent normalement un mouvement vers la bouche des mucosits et des particulessolides inspires avec l'air ambiant et retenues par le mucus produit par l'pithlium cili. Laclearance broncho-ciliaire confre aux voies ariennes une importante fonction de nettoyage.Enfin, les voies ariennes humidifient et rchauffent l'air inspir qui, ds la carne, se trouve auxconditions BTPS. De nombreuses maladies (bronchite chronique ou aige, mucoviscidose,asthme, etc.) altrent les fonctions des bronches.Voir polycopi de morphologie Fac. Md. GE.

Muqueuse dune petite bronche chez lhomme. A : coupe mince : CC, cellule cilie avec cils,(C). GC : cellule caliciforme avec bouchon muqueux apical (MU). FB : fibroblaste. MP :macrophage. B : scanning de la surface pithliale.

Respiration/PH 2000

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E. Le quotient respiratoire et l'quation de la PAO2 "idale"Le quotient respiratoire mtabolique est le rapport entre la production mtabolique de CO2 et laconsommation d'O2 dans les tissus, QR=V

.CO2/V

.O2. Selon la nature des nutriments participant

aux combustions cellulaires, ce quotient peut valoir entre 0,7 et 1.0. Le quotient respiratoirepulmonaire est le rapport entre l'limination pulmonaire de CO2 et la prise pulmonaire d'O2.En steady-state, l'limination et la production de CO2, comme la prise et la consommation d'O2sont gales; par consquent, les quotients respiratoires mtabolique et pulmonaire sont eux aussigaux. Dans les tats transitoires, les deux QR peuvent tre diffrents (cf infra F).Le quotient respiratoire pulmonaire permet de dfinir la PAO2 alvolaire par un calcul simple.

PAO2 = PIO2 -

PACO2QR

Cette quation est considre comme trs importante en clinique o , souvent, on ne peutpas mesurer PAO2 mais o l'on mesure facilement QR et PaCO2 .

On emploie alors l'quation sous la forme

PAO2 = PIO2 -

PaCO2 QR

Calcule avec cette dernire quation, la PAO2 est nomme PAO2 "idale"

F. Concepts dhyper- et dhypoventilationLes flux de gaz respiratoires, V

.O2 et V

.CO2 ont t dfinis :

V.CO2=V

.A (FACO2) V

.O2 =V

.A (FIO2 FAO2)

Dans ces quations, il y a lieu de faire apparatre les pressions partielles la place des fractions,parce que l'tape suivante du transfert des gaz, soit les changes diffusionnels alvolo-capillaires,est rgie par des diffrences de pression partielles. Ceci est possible en multipliant le membre dedroite des quations ci-dessus par une constante k, (k= 1,16). Les quations deviennent:

V.CO2 = V

.A (PACO2)k V

.O2 = V

.A (PIO2 PAO2)k

Ces quations mettent en vidence le fait que dans les conditions de steady-state o PIO2 d'unepart, V

.O2 et V

.CO2 d'autre part sont constants, il existe une relation rciproque entre V

.A et

PACO2, de mme qu'entre V.A et la diffrence ( PIO2PAO2 ).

Ces relations rciproques ont la forme d'hyperboles qui sont reprsentes la figure II, 6, pour leCO2 gauche et pour l'O2 droite.

=PACO 2

-PIO 2 PAO 2=

FACO 2-FIO 2 FAO 2

VC O 2VO2

QR = d'o l'on tire

Respiration/PH 2000

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Fig. II, 6. Les hyperboles infrieures correspondent aux conditions mtaboliques de l'hommecouch au repos au bord de la mer : V

.CO2 = 250 ml STPD et V

.O2 = 300 ml STPD. A chaque

niveau mtabolique correspondent de telles hyperboles (isopleths). Les hyperboles suprieures dela Fig. II, 6 correspondent aux conditions o le mtabolisme serait doubl : V

.CO2 = 500 ml

STPD et V.O2 = 600 ml STPD.

Pour une V.CO2 et une V

.O2 donnes, PACO2 et PAO2 peuvent se trouver, selon la valeur de

V.A, n'importe o sur les hyperboles correspondantes. Pour la valeur dite normale deV

.A,

ici 5,3 L BTPS/min, la PACO2 vaut 40 mm Hg et la PAO2 100 mm Hg; vous verrez que lesvaleurs de PACO2 et PAO2 sont l'objet de rgulation (cf chap. VI).

Les hyperboles de la Fig. II, 6 montrent que si V.A double, PACO2 tombe de moiti, alors que

PAO2 monte jusqu' ce que la diffrence alvolo-inspire de PO2 soit tombe de moiti. Ondfinit sous le terme d'hyperventilation toute augmentation de la ventilation alvolaire quin'est pas lie une augmentation du mtabolisme, c'est--dire toute augmentation des rapportsV.A/V

.CO2 et V

.A/V

.O2. Les signes caractristiques de l'hyperventilation sont la baisse de la

PACO2 et la hausse de la PAO2.

De faon analogue, on dfinit sous le terme d'hypoventilation toute diminution de laventilation alvolaire qui n'est pas lie une diminution du mtabolisme, c'est--dire toutediminution des rapports V

.A/V

.CO2 et V

.A/V

.O2. Les signes caractristiques de l'hypoventilation

sont la hausse de la PACO2 et la baisse de la PAO2. En pratique, les dviations de la PACO2par rapport sa valeur normale suffisent diagnostiquer des hyper- et des hypoventilations.

VCO2 250

.VCO2 500.

VO2 600

.VO2 300.

PAO2PACO2

mmHgkPa

Respiration/PH 2000

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NB : Les augmentations de la ventilation alvolaire qui sont proportionnelles desaugmentations du mtabolisme et pour lesquelles les rapports V

.A/V

.CO2 et V

.A/V

.O2 restent

constants ne se nomment pas hyperventilation, mais hyperpnes. (cf G)

Les hyperboles de la Fig. II, 6 ne sont valables que pour les tats stationnaires. Dans les tatstransitoires, c'est--dire lors de l'installation d'une hyperventilation ou d'une hypoventilation, ilfaut attendre un certain temps pour que V

.CO2 et V

.O2 soient nouveau constantes et gales

respectivement la production de CO2 et la consommation dO2. Les variations transitoires deV.CO2 et de V

.O2 sont dues aux changements des rserves de ces deux gaz dans l'organisme,

changements qui dpendent eux-mmes des modifications des pressions partielles de ces deuxgaz. Pour lO2, les rserves de l'organisme sont extrmement petites et les changements de V

.O2

lis aux changements de PAO2 sont ngligeables. En revanche, les rserves de gaz carboniquesont grandes et les changements de rserves de CO2 lis des variations de la PACO2 sontimportants. Il s'ensuit que la phase initiale d'une hyperventilation s'accompagne de pertes de CO2(diminution des rserves de CO2 ) et d'une lvation transitoire du quotient respiratoirepulmonaire. A la phase initiale d'une hypoventilation, les phnomnes inverses se produisent :augmentation des rserves de CO2 , abaissement transitoire du quotient respiratoire pulmonaire.

Les hyper et hypoventilations modifient non seulement la composition du gaz alvolaire maisaussi celle de tous les milieux du corps : sang artriel, sang veineux et tissus comme cela estreprsent la fig. II, 7. Au niveau des tissus, l'hypoventilation peut conduire l'anoxie cellulaire(manque total d'oxygne) et la narcose au CO2. L'hyperventilation conduit une alcalose quipeut saccompagner de crampes musculaires se manifestant surtout au niveau de la main (signede Trousseau, main daccoucheur) et du visage, (signe de Chwostek, rire sardonique). Deplus, lhypocapnie saccompagne dune vasoconstriction crbrale qui peut conduire une pertede connaissance.

Fig. II, 7 L'hyper et l'hypoventilation modifient tous les niveaux des cascades de PO2 et dePCO2.

PO2mmHgkPa

20,0

13,0

6,6

100

50

I

Aa

v-hypoventilationhyperventilation

PCO2mmHgkPa

13,0

6,6

100

50

hypoventilationhyperventilation

v-

I

A a

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G. Ventilation alvolaire et changes gazeux l'exercice musculaire : concept dhyperpne

Lexercice musculaire reprsente une augmentation de la dpense dnergie qui, en tatstationnaire, ne peut tre couverte que par une augmentation de la consommation doxygne, laquelle est assure grce une augmentation de la ventilation pulmonaire.

On appelle hyperpnes les augmentations de la ventilation alvolaire qui ne modifient pas lacomposition du gaz alvolaire, c'est--dire les augmentations de la ventilation alvolaire qui sefont dans la mme proportion que les augmentations du mtabolisme, soit qui ne modifient pas lerapport V

.A/V

.CO2 ou V

.A/V

.O2. L'augmentation de la ventilation l'exercice musculaire est un

cas typique d'hyperpne.

Comparaison des changes gazeux et de la ventilation au repos et lexercice musculaire en

steady-state

Repos Exercice

V.CO2 ml STPD/min 250 3000

V.O2 ml STPD/min 300 3000

QR 0,83 1,0f c/min 15 45VD L BTPS/min 0,150 0,150VA L BTPS/min 0,350 1,167VT L BTPS/min 0,500 1,317V.A L BTPS/min 5,250 52,500

V.D L BTPS/min 2,250 6,750

V.T LBTPS/min 7,500 59,250

Cette table compare, pour des rgimes stationnaires, les valeurs d'changes gazeux et deventilation au repos et un exercice musculaire moyen pour le quel la V

.O2 est 10 fois plus

grande qu'au repos. On constate que, dans ces conditions, la ventilation alvolaire est elle aussiaugmente par un facteur de l0, ce qui signifie que la composition des gaz alvolaires estpratiquement identique au repos et l'exercice musculaire en steady-state.

Respiration/PH 2000

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III. Comment le sang circule dans le poumon.Comment le sang capillaire pulmonaires'quilibre avec l'air alvolaire; quelles sont lescauses des diffrences alvolo-artrielles de PO2et de PCO2 (AaD).

A. La circulation pulmonaireB. La diffusion alvolo-capillaireC. Ladmission veineuse et linhomognit du rapport

ventilation/perfusionD. Valeurs normales : respiration et gaz du sang. Rsum des

causes dhypoxmies

Cas clinique 3 : "4000 m. C'est trop haut pour moi !"Arriv avec peine 18.00 h. au refuge Vallot (4350 m) lors d'une ascension du Mont-Blanc, unhomme de 32 ans se sent puis, respire trs difficilement, prouve de l'inconfort rtrosternal,tousse et a des rles bronchiques. Le lendemain matin, il prsente une mousse rose autour de seslvres qui sont cyanoses. Descendu en hlicoptre Chamonix, son tat s'amliore avec unetonnante rapidit.

- Pouvez-vous poser un diagnostic ?

- Cet homme aurait-il bnfici d'une oxygnothrapie au refuge Vallot ?

- A-t-il, en haute altitude, une pression dans l'artre pulmonaire trop basse, normale ou trophaute ? Quelles sont les valeurs normales de cette pression ?

- Lui auriez-vous administr de trs faibles doses de NO dans l'air inspir ?

Cas clinique 4 : "Une pneumonie qualifie de "dtresse respiratoire"A Paris, un bronchiteux chronique emphysmateux devient brusquement dyspnique et satemprature monte 40. La radiographie montre des signes de pneumonie et d'atlectasie. Aprsquelques jours l'hpital, il est mis aux soins intensifs et les mdecins parlent de "dtresserespiratoire aigu de l'adulte". Les pressions partielles des gaz respiratoires sont : PACO2 : 47mmHg, PaCO2 : 60 mmHg PAO2 : 80 mmHg, PaO2 : 30 mmHg. La capacit de diffusionpulmonaire pour le CO (DLCO) est trs infrieure la normale. Malgr un traitement intensif :antibiotiques, cardiotoniques et diurtiques, le malade meurt en quelques jours.

- Connaissez-vous les causes des diffrences alvolo-artrielles de PCO2 et de PO2 ?; cescauses existent-elles chez le sujet normal ?

Pourquoi a-t-on mesur la capacit de diffusion pulmonaire pour le monoxyde de carboneplutt que celle pour l'oxygne ?

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A. La circulation pulmonaire ou petite circulationDans la circulation pulmonaire, le dbit du coeur droit est en moyenne gal celui du coeurgauche, mais les pressions intra-vasculaires sont beaucoup plus petites que dans la grandecirculation. Ainsi, le travail du coeur droit est lui aussi beaucoup plus petit que celui du coeurgauche dont le myocarde est beaucoup plus fort. La rsistance vasculaire pulmonaire (RVP) est,en position expiratoire moyenne, environ 10 fois plus petite que la rsistance priphrique totale(TPR) de la grande circulation. La RVP dpend de la pression transmurale des vaisseauxpulmonaires, soit de la diffrence entre les pressions intra-vasculaires et la pression tissulairepri-vasculaire. Cette dernire est en gnral ngative, comme la pression intra-pleurale, enraison de la tendance au collapse des alvoles pulmonaires (voir chapitre V: mcanique).

La Fig. III, 8 reprsente les pressions moyennes dans le systme pulmonaire, en mmHg; PAP =pression artrielle pulmonaire, PAlv = pression alvolaire moyenne, Part = pression artriellemoyenne dans laorte et P tiss = pression pri-vasculaire. Ces valeurs varient avec l'ge, avec lesmouvements inspiratoires et expiratoires (voir chapitre V) et avec le degr d'inflation dupoumon. Les valeurs de pressions intra-vasculaires montrent que la RVP, que l'on calcule commela TPR de la grande circulation, vaut au repos (15-5)/5 soit 2 mmHg. min/L alors que la TPRvaut (100-2)/5 soit environ 20 mmHg. min/L. D'autre part, les chiffres de la fig. III, 8 montrentque la RVP se distribue peu prs galement dans les 3 secteurs artriel, veineux et capillaire,alors que dans la grande circulation la majeure partie de la rsistance se situe au niveau desartrioles.

12 9

52

PAP=15- PAlv=0-

P tiss = -4-

Part = 100-120

80

2510

aorte

art. pulm.

temps

PmmHg

Fig. III, 8 : Rgime des pressions intra-vasculaires dans la circulation pulmonaireen mmHg.

Fig. III, 9 : Courbes de pression dans l'aorte(en haut) et dans l'artre pulmonaire (enbas). L'chelle de temps est la mme pourles deux courbes.

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La compliance du systme artriel pulmonaire est environ deux fois plus grande que celle dusystme artriel de la grande circulation. Les deux systmes ont un effet de "Windkessel",comme les ventricules droit et gauche jectent quasi simultanment le mme volume d'jection,les courbes de pression aortique et artrielle pulmonaire ont un dcours trs semblable et ladiffrence de pression P syst. moins P diast. est deux fois plus petite dans l'artre pulmonaire quedans l'aorte (fig. III, 9).

Relations pression-dbit dans la circulation pulmonaire. Sur la fig. III, 10, on a port enordonne le dbit cardiaque et en abcisse la pression artrielle pulmonaire moyenne, courbe entrait plein. Pour une PAP de 15 mmHg, le dbit vaut entre 5 et 6 L/min. Les droites en pointillreprsentent des lignes d'isorsistance, dont la pente correspond un rapport dbit/pression, (soit une rsistance), constant (Q

. /P = 1/RVP). On voit premirement que la circulation pulmonaire

ne prsente pas de pression critique de fermeture, la courbe pression-dbit partant de l'origine. Cefait tmoigne du faible rle jou par le systme sympathique pour la rgulation de la RVP.Deuximement, la RVP baisse remarquablement avec l'augmentation du dbit, phnomne quel'on explique non seulement par la distension des vaisseaux, mais aussi par l'ouverture devaisseaux normalement ferms qui sont "recruts" lorsque la PAP augmente. Enfin, la fig. III, 10montre que l'hypoxie augmente la RPV. Cette vasoconstriction hypoxique n'est pas entirementlucide; elle contraste avec la vasodilatation hypoxique caractristique de la grande circulation.

Fig. III, 10 : A gauche : Relations pression-dbit dans la circulation pulmonaire. En trait plein :courbe normale. En pointill : lignes "isorsistance", en trait tir : effet de l'hypoxie . A droite,les deux mcanismes de la baisse de la RVP : recrutement et distention.

Vasoconstriction hypoxique pulmonaireOn sait que c'est l'abaissement de la PAO2 en dessous de 60 mmHg qui dclenche lavasoconstriction hypoxique. Celle-ci est un phnomne local qui se produit aussi sur despoumons dnervs ou transplants. En hypoxie aigu, les muscles lisses des vaisseauxpulmonaires se contractent parce que le manque d'oxygne dpolarise leur membrane en fermantdes canaux K+ spcifiquement sensibles toute baisse de la PO2 (Ce phnomne serait aussi la base de la stimulation hypoxique des glomera carotica, voir chapitre VI).

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En hypoxie chronique, la vasoconstriction hypoxique serait due la production d'endothlinepar les cellules endothliales. La vasoconstriction hypoxique a l'avantage physiologique dediminuer la perfusion des alvoles mal ventiles et ainsi d'amliorer la distribution des rapportsventilation/perfusion et par l l'efficacit des changes gazeux pulmonaires. En pathologie, lavasoconstriction hypoxique augmente le travail du coeur droit qui peut s'hypertrophier ou devenirinsuffisant ("cor pulmonale"). En haute altitude, la vasoconstriction hypoxique peut tre l'origine de l'oedme pulmonaire d'altitude (HAPE, high altitude pulmonary edema, cf. Chap.VI).Le monoxyde d'azote (NO) est un puissant vasodilatateur pour la circulation pulmonaire.Form dans les endothlia vasculaires, le NO augmente la concentration intracellulaire de cGMPet ainsi relche la musculature vasculaire et fait baisser la rsistance l'coulement du sangparticulirement si elle est augmente. Le NO inspir ne quitte gure la circulation pulmonaire enraison de sa trs grande affinit pour l'hmoglobine (5 x celle du CO, 1000 x celle de l'O2 ). L'airambiant normal ne contient pas plus de 1 ppm de NO; en cas de pollution de l'air, desconcentrations de 100 ppm sont dja trs toxiques. Le NO est employ avec succs en cliniquedans le syndrome de la dtresse respiratoire de l'adulte (ARDS), dans le but de faire baisser laRVP pulmonaire et d'amliorer les changes gazeux.

Effet du degr d'inflation thoraco-pulmonaire sur la RVP

La RVP a une valeur minimale au niveau d'inflation thoraco-pulmonaire o l'on respirenormalement, soit autour de la CRF. A petit et haut degr d'inflation, la RVP augmente de 2 3fois. Pour comprendre cet effet, il faut distinguer les vaisseaux extra-alvolaires et les vaisseauxdits alvolaires qui se trouvent dans les septa des alvoles. Les vaisseaux extra-alvolaires sontsoumis aux forces de rtraction du poumon qui augmentent avec le degr d'inflation du poumonet qui tendent augmenter le diamtre des vaisseaux extra-alvolaires. Par consquent, larsistance circulatoire dans ces vaisseaux diminue avec l'augmentation du volume pulmonaire.En revanche, les vaisseaux alvolaires sont comprims par la distension des septa alvolaires quiaccompagne l'augmentation de volume. En consquence, leur rsistance augmente avec le degrd'inflation. La rsultante de ces deux effets fait que la RVP passe par un minimum un volumecorrespondant la CRF.

La figure ci-contre montre comment la RVP(ordonne) varie en fonction du volume pulmo-naire (abcisse) lorsque ce dernier augmente duvolume rsiduel, VR, jusqu' la capacitpulmonaire totale, CPT, en passant par lacapacit rsiduelle fonctionnelle, CRF. La RVPtotale, ligne pleine suprieure, est la somme dela rsistance des vaisseaux se trouvant dans lessepta alvolaires et de la rsistance desvaisseaux extra-alvolaires.

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Distribution de la perfusion pulmonaire en fonction de la hauteur dans le thorax

La pesanteur a pour effet que la pression de perfusion dans les rgions du poumon situes en hautdu poumon est plus petite que dans les rgions dclives. Dans les rgions haut situes :Pcap 0 (Zone I). En revanche, dans les rgions dclives situes en dessous de

l'origine de l'artre pulmonaire, Pcap>Palv et Q. dpend de la diffrence Pa - Pv (Zone III). Entre

la zone I et la zone III, il y a un domaine o Pcap>Palv>Pv (Zone II). Dans la zone II, laperfusion, Q

. ,dpend de la hauteur laquelle on se trouve dans la zone. Ces diffrences

rgionales influencent l'efficacit des changes gazeux (voir infra : inhomognit des rapportsventilation/perfusion).

Perfusion Q.

Fig. III, 11. Distribution de la perfusion pulmonaire en fonction de la hauteur dans le thorax chezun homme debout. PA=Palv. ; Pa=Part. pulm. ; Pv=Pression dans les veines pulm.

Le poumon comme organe d'asschement

Dans les conditions physiologiques, il n'y a pas de flux net d'ultrafiltration au niveau del'ensemble des capillaires pulmonaires, mais au contraire, une tendance la rabsorption defluide. On peut employer l'quation de Starling pour estimer la tendance la rabsorption enprenant les valeurs suivantes : pression intra-capillaire moyenne, Pcap = 10,5 mmHg, pressiondans le tissu interstitiel, Pi = - 5 mmHg, pression colloidosmotique du plasma capillaire, cap =25 mmHg et pression colloidosmotique dans le liquide interstitiel, i, = 5 mmHg.

Q. uf = Kuf [( Pcap - Pi) - (cap - i)]; [(10,5 + 5) - (25 - 5)] = -4,5 mmHg => Rabsorption

(Q. uf = flux d'ultrafiltration; Kuf = coefficient d'ultrafiltration).

Q. uf, le flux d'ultrafiltration travers la paroi des capillaires pulmonaires, est mal connu parce

que les valeurs du coefficient de permabilit, Kuf, de Pi et de i sont incertaines et que, de plus,elles varient toutes trois selon les rgions pulmonaires. On sait toutefois que chez des sujets quiont failli se noyer, l'eau qui a atteint les alvoles est assez rapidement rabsorbe.

Respiration/PH 2000

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Dans des conditions pathologiques, il se peut que Pcap augmente fortement, il y a alorsultrafiltration nette dans le liquide interstitiel et mme dans les alvoles. On a alors une situationd'oedme pulmonaire; ds que les alvoles contiennent du liquide, leur volume devient pluspetit, leur tendance au collapse augmente et la pression interstitielle devient plus ngative. Il y adonc un cercle vicieux qui fait qu'un oedme pulmonaire tend augmenter spontanment etatlectasier de plus en plus d'alvoles.

Oedme pulmonaire de haute altitude. On pense que la vasoconstriction hypoxique ne seproduit pas dans tous les vaisseaux en mme temps et que les vaisseaux qui restent perfuss lesont alors sous haute pression. Cette haute pression se transmet aux capillaires qui deviennent lesige d'une ultrafiltration nette et cause d'un oedme. Le traitement consiste ramener le maladeen plaine ou lui administrer de l'oxygne pour supprimer la vasoconstriction hypoxique.L'administration d'oxygne ou la redescente en plaine appelle une analogie avec ce qui se passeau moment de la naissance. Pendant la vie foetale, la rsistance pulmonaire vasculaire est trshaute, en partie au moins cause de la vasoconstriction hypoxique, puisque le foetus vit avec despressions partielles d'oxygne qui correspondent dans le sang artriel (PaO2 env. 27 mmHg)celles trouves chez des alpinistes 8000 m. (Everest in utero). Au moment de la premireinspiration d'air, il y a oxygnation des alvoles et la rsistance vasculaire baisse cause de larelaxation des muscles lisses des vaisseaux pulmonaires, ce qui permet au dbit pulmonaired'augmenter normment. Avant la naissance, le dbit pulmonaire ne reprsente que 15 % dudbit cardiaque, alors qu'aprs la naissance, il approche rapidement 100 % du dbit cardiaque!

B. La diffusion alvolo-capillaireTous les gaz passent la barrire alvolo-capillaire par diffusion simple, soit passivement. Le fluxdiffusionnel d'un gaz, V

., est proportionnel un facteur, D, multipli par la diffrence de pression

partielle, P, de part et d'autre de la membrane que le gaz traverse : V. = D P. Cette quation,

qui exprime le fait quun flux est gal une conductance multiplie par une diffrence depression, a exactement la mme forme que lquation que la loi dOhm en lectricit.D est une conductance qui, pour l'ensemble du poumon, s'crit DL. P est la diffrence entre lapression partielle du gaz dans l'air alvolaire, PA, et la pression partielle moyenne de ce mmegaz dans le sang capillaire, Pc-. Pour l'O2 , on peut donc crire :

V.O2 = DLO2 (PAO2 - Pc-O2)

o DLO2 est la capacit de diffusion pulmonaire pour l'O2. Chez l'homme normal au repos enplaine, V

.O2 = 300 ml/min, PAO2 = 100 mmHg, Pc-O2 = 90 mmHg, DLO2 vaut donc 30 ml O2

/min.. mmHg. Chez l'homme sain au repos en plaine, cette valeur est suffisamment moins grandepour assurer une quilibration totale entre PAO2 et la pression partielle d'O2 la fin ducapillaire, Pc'O2. DL est proportionnel la surface, S, de la membrane alvolo-capillaire,inversement proportionnel lpaisseur, x, de cette membrane, proportionnel au coefficient desolubilit, , du gaz dans la membrane et inversement proportionnel au poids molculaire du gaz.

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Comme CO2 est 20 fois plus grand que O2, DLCO2 sera toujours environ 20 fois plus grandque DLO2 et ne sera jamais une grandeur limitante pour le passage du CO2 du sang capillaire l'air alvolaire.La barrire alvolo-capillaire a une trs grande surface, 60 100 m2 et une paisseur trs petite,quelques m, et trs variable d'un endroit l'autre du lit capillaire. Pour passer du milieualvolaire jusque dans l'rythrocyte, l'O2 doit traverser : un pithlium alvolaire, une membranebasale, un endothelium, une couche de plasma et une membrane rythrocytaire, avant de pouvoirse lier l'hmoglobine (voir image histologique Fig III, 12). Cette liaison est trs rapide et nefreine pas le transfert alvolo-capillaire d'O2 . La longueur moyenne des capillaires est de l'ordredu mm et le temps que le sang passe dans les capillaires est trs court : environ 1 seconde aurepos et moins l'exercice musculaire, quand le dbit cardiaque est accru. Ce temps, appeltemps de contact alvolo-capillaire, est gal au volume de sang capillaire, environ 100 ml,divis par le dbit du sang, environ 100 ml/sec. Pendant ce temps de contact, le sang passe del'tat veineux l'tat capillaire terminal et la pression partielle d'O2 augmente de Pv-O2 Pc'O2 .

BM

AIR ALVEOLAIRE

AIR ALVEOLAIRE

Fig. III, 12 : capillaire pulmonaire contenant un rythrocyte (EC) et spar du gaz alvolaire parlpithlium alvolaire (EP), la membrane basale (BM), lendothlium capillaire et une couchede plasma. F = Fibroblaste. La distance que lO2 doit franchir pour passer de lair alvolairejusqu lhmoglobine est trs variable.

Respiration/PH 2000

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Dtermination de la pression capillaire moyenne d'O2, Pc-O2. Si le profil de la variation dePcO2 au cours de l'artrialisation est connu, la Pc-O2 peut tre calcule par intgrationmathmatique. Ce profil est schmatis la Fig. III, 13, B en fonction du temps de contactalvolo-capillaire. Chez le sujet normal au repos, ce profil a une forme exponentielle, dbutrapide, puis tendance s'galiser avec la PAO2 la fin du temps de contact. La forme exacte dece profil et la valeur de Pc-O2 sont difficiles tablir, c'est pourquoi, en clinique, on abandonnesouvent la mesure de la DLO2. Il faut savoir que la forme du profil de PcO2 ne dpend pas quede DLO2, mais aussi du flux sanguin, Q

. , et de la pente de la courbe de dissociation de l'O2 dans

le sang.

Effet de Q.

: Les molcules d'O2 diffusent dans du sang en mouvement qui les emporte vers lesveines pulmonaires. Plus cette convection circulatoire sera grande, plus le profil de PcO2 serahorizontal et plus la possibilit d'une quilibration alvolo-capillaire complte sera compromise.Le rapport DLO2 /Q

. a donc un effet important sur le profil de PcO2. Cet effet joue un rle

important l'exercice musculaire o DLO2 augmente beaucoup moins que Q. c'est--dire o le

rapport DLO2/Q. baisse (Fig.III, 13, C).Effet de la pente de la courbe de dissociation de l'O2

dans le sang : Aprs avoir diffus travers la membrane alvolo-capillaire, les molcules d'O2sont extrmement rapidement lies l'hmoglobine. Cette liaison correspond une augmentationde PcO2 qui est faible si la courbe de dissociation est raide et grande si cette courbe tend s'aplatir. La pente de la courbe de dissociation a donc une influence importante sur le profil de lamonte de PcO2 au cours du temps de contact alvolo-capillaire.Cette pente est plus grande enhypoxie quen normoxie (voir chapitre IV).

Des effets dcrits ci-dessus dcoulent deux consquences pratiques. Premirement, l'exercicemusculaire intense en hypoxie (altitude), la pression capillaire terminale d'O2, Pc'O2, resteinfrieure la PAO2 et l'on peut en dduire que la diffusion alvolo-capillaire est limitante.Deuximement, pour un gaz comme le monoxyde de carbone, CO, dont la pente de la courbe dedissociation dans le sang est prs de deux cent fois plus grande que celle de l'O2, l'augmentationde la PcCO au cours du temps de contact alvolo-capillaire sera quasiment nulle. Cette propritest mise profit pour mesurer la capacit de diffusion pulmonaire pour le CO, DLCO, beaucoupplus aisment que la DLO2, soit en ngligeant la Pc-CO.

En pratique, si l'on ajoute l'air inspir de trs faibles quantits de CO, la prise de CO, V.CO, est

elle aussi trs petite et sans danger pour la vie V.CO = V

.A (FICO - FACO). La DLCO se calcule

par la formule simplifie :

DLCO = V.CO/PACO

soit en considrant que Pc-CO est zro. Comme les solubilits et les poids molculaires de l'O2 etdu CO sont voisins, les valeurs normales de DLCO et de DLO2 sont trs voisines.

Respiration/PH 2000

30

Fig. III, 13. A. : Schma des changes alvolo-capillaires par diffusion : PA, pression alvolaire,Pv- , pression dans le sang veineux ml, Pc-, pression dans le sang capillaire moyen, Pc', pressiondans le sang capillaire terminal. B : Profil d'quilibration de la PcO2 avec la PAO2, de Pv-O2 Pc'O2 au cours du temps de contact alvolo-capillaire, t. La Pc-O2, obtenue par intgrationgraphique. C : Effet du rapport DL/Q

. sur le profil d'quilibration de PcO2: plus le rapport DL/Q

.

est petit, plus le profil est aplati et plus il subsiste une diffrence entre PAO2 et Pc'O2.

C. Ladmission veineuse et l'inhomognit du rapport ventilation-perfusion V

.A/Q

.

Chez l'homme normal au repos en plaine, la pression partielle d'O2 dansle sang artriel, PaO2, est de 10-15 mmHg infrieure la PAO2; cette diffrence de PO2, appeleAaDO2, n'a pas pour origine une limitation de la diffusion, puisque, comme on l'a vu auparagraphe prcdent, Pc'O2 est quasiment gale PAO2. Deux autres causes, l'admissionveineuse et l'inhomognit V

.A/Q

. expliquent chacune environ la moiti de l'AaDO2 au repos

en plaine. Chez les malades pulmonaires, en revanche, l'AaDO2 peut devenir nettementplus grande que 15 mmHg et avoir pour origine, dans des proportions variables, lalimitation de la diffusion, l'admission veineuse et l'inhomognit V

.A/Q

. .

A

t. contact

Respiration/PH 2000

31

Respiration/PH 2000

32

Distribution du rapport V.A/Q

. . La distribution pulmonaire de Q

. a t tudie avec la

circulation pulmonaire au chapitre III A, Fig. III, 11. La Fig. III, 11bis ci-dessous montre la foisla distribution de Q

. et celle de V

.A. Cette figure fait apparatre que non seulement V

.A et Q

. sont

inhomognement distribus dans le poumon, mais que leur rapport l'est aussi. Ainsi, le rapportV.A/Q

. est lev aux sommets du poumon et bas aux bases du poumon.

VA/Q..

Perfusion Q.

Ventilation VA.

VA/Q..

VA/Q..

Fig. III, 11bis. Adjonction la Fig. III, 11 de la distribution de la ventilation alvolaire, V.A, en

traits tirs. On voit que des zones haut situes aux zones bas situes V.A augmente. En revanche,

le rapport V.A/Q

. diminue des zones haut situes (zone I) aux zones bas situes (zone III).

L'inhomognit du rapport V.A/Q

. cre des diffrences alvolo-artrielles de PO2 et de

PCO2 , AaDO2 et aADCO2 .Chez l'homme au repos, le rapport entre ventilation alvolaire totale et perfusion totale estd'environ 4/5 = 0,8. Si le poumon tait un organe parfait pour les changes gazeux, chaque unitd'change gazeux aurait le mme rapport V

.A/Q

. de 0,8; dans ce cas on dirait quil est

fonctionellement homogne. En ralit, le poumon est un organe normalement inhomogne, carles rapports V

.A/Q

. ne sont pas partout les mmes. Du point de vue des changes gazeux, il faut

considrer que certaines units d'change reoivent peu d'air et beaucoup de sang (rapportV.A/Q

. bas), alors que d'autres units reoivent beaucoup d'air et peu de sang (rapport V

.A/Q

.

lev). Les units d'change dont le rapport V.A/Q

. est bas sont hypoventiles relativement

leur perfusion, elles auront donc une PO2 basse et une PCO2 leve; les units dont le rapportV.A/Q

. est lev sont hyperventiles relativement leur perfusion, elles auront donc une PO2

leve et une PCO2 basse. Certaines units d'change constituent des cas particuliers demaldistribution de la ventilation la perfusion. Ainsi, les units qui sont ventiles et nonperfuses (rapport V

.A/Q

. = infini) reprsentent un espace alvolaire o il n'y a pas d'changes

gazeux (espace mort alvolaire). En revanche, les units d'change perfuses et non ventiles(rapport V

.A/Q

. = 0) contribuent l'admission veineuse.

Respiration/PH 2000

33

L'air alvolaire et le sang artriel sont en ralit un air alvolaire moyen et un sang artrielmoyen, dont les compositions sont des rsultantes des contributions relatives de chacune desunits dchange. Il en rsulte que l'air alvolaire moyen a une PO2 plus grande que le sangartriel moyen. Chez l'homme sain au repos en plaine, l'effet de la maldistribution de laventilation la perfusion explique la totalit de l'aADCO2 et plus de la moiti de l'AaDO2 .

Fig. III, 16. A gauche, rsum des 4 facteurs qui dterminent l'artrialisation du sang, ventilation,perfusion, diffusion et distribution. A droite, exemple d'une AaDO2 de 10 mmHg, 102-92mmHg, cre pour la moiti par l'admission veineuse, 97-92 mmHg et pour l'autre moiti par lamaldistribution V

.A/Q

. , 102-97 mmHg. Figure emprunte S & T.

Distinction entre admission veineuse et inhomognit V.A/Q

. : test l'O2 pur.

En clinique, on a souvent le problme de distinguer l'admission veineuse de la maldistribution durapport V

.A/Q

. . Pour cette distinction, on peut s'aider en faisant un test d'hyperoxie (FIO2 =

1.00) aux sujets atteints d'hypoxmie. Si l'hypoxmie est due une admission veineuse,l'inspiration d'O2 ne fera pas augmenter la saturation en O2 du sang artriel. En revanche, si elleest due la maldistribution V

.A/Q

. , l'inspiration d'O2 pur fera augmenter la saturation en O2 du

sang artriel. Ceci est d au fait que l'oxygne pur pntrera dans toutes les alvoles, mme danscelles qui sont mal ventiles; en revanche, il ne pntrera pas dans les alvoles atlectasies etn'entrera pas en contact avec les autres sources d'admission veineuse.

Respiration/PH 2000

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D. 1) Valeurs normales : respiration et gaz du sang.2) Rsum des causes dhypoxmies

1) Valeurs normales pour les changes gazeux, la respiration et les gaz du sang chez dessujets sains et jeunes au repos au niveau de la mer (PB = 760 mmHg)

Respiration Gaz du sang

V.O2 0.31 L.STPD/min. artriel

V.CO2 0.26 L.STPD/min. PaO2 85-90 mmHg

RQ 0.84 PaCO2 41 mmHgVT 0.5 L.BTPS AaDO2 10-15 mmHgVD 0.15 L.BTPS AaDCO2 1 mmHgf resp. 16 CaO2 200 ml STPD/L.V.T 8 L.BTPS/min SaO2 97 %

V.A 5.6 L.BTPS/min CaCO2 490 ml STPD/L.

V.D 2.4 L.BTPS/min pHa 7.4

Q. 6 L./min veineux ml

PAO2 100 mmHg Pv-O2 40 mmHgPACO2 40 mmHg Pv-CO2 46 mmHg

Cv-O2 150 ml STPD/L.Sv-O2 75 %Cv-CO2 532 ml STPD/L.

2) Rsum des causes dhypoxmies

1) baisse de la PIO2 : altitude ou inspiration de mlanges gazeux appauvris en O22) baisse de la ventilation alvolaire : hypoventilation dorigine centrale, augmentation

de lespace mort3) trouble de la diffusion alvolo-capillaire: paississement de la membrane alvolo-

capillaire, diminution de la surface alvolo-capillaire4) augmentation de ladmission veineuse : shunts droit-gauche, troubles de la

circulation bronchique et pleurale, atlectasies pulmonaires

5) augmentation de linhomognit fonctionnelle : maldistribution du rapport V.A/Q

.

Respiration/PH 2000

35

IV. Comment l'oxygne et le gaz carbonique sonttransports par le sang

A. Transport de l'O21) Courbe de dissociation de l'O2 du sang2) Facteurs affectant la position ou la forme de cette courbe

B. Transport du CO21) Courbe de dissociation du CO2 du sang2 ) Facteurs affectant la position ou la forme de cette courbe

C. Importance physiologique des effets Bohr et Haldane

D. Comparaison des courbes de dissociation de l'O2 et du CO2E. Oxygnation des tissus

Cas clinique 5 : "Nous sommes frigorifis, puiss et intoxiqus". Deux alpinistes bienentrans par deux mois passs en haute montagne sont bloqus dans un refuge par le froid et latempte. Ils tentent vainement de chauffer le refuge, mais ne font qu'enfumer le local, le tuyau dufourneau tant obstru par un bouchon de neige. Ils se sentent puiss et incapables de faire desefforts vigoureux. Ils sont finalement sauvs par des alpinistes mdecins, quips pour faire lesobservations et mesures suivantes :- pas d'anmie - FIO2 0.21- pas de cyanose - SaO2 90 %- temprature rectale 34.2 - CaO2 125ml O2 /L sang- bradycardie - [Hb] 180 gr/L sang- polycythmie - pHa 7,30

- PaO2 70 mmHg (9,33 kPa)- PaCO2 35 mmHg (4.67 kPa)

Connaissez-vous :1) les mots utiliss ?2) les abrviations, les symboles et les units ?3) Savez-vous comment le sang transporte l'O2 et le CO2 et quelles sont les valeurs normales ?4) Pouvez-vous diagnostiquer l'tat des deux hommes et savoir pourquoi ils sont incapables

d'efforts vigoureux ?

Cas clinique 6 : "Docteur, depuis que jai ce rhume, jentends moins bien" : Monsieur Taub,28 ans, consulte un oto-rhino-laryngologue pour des maux de gorge. Le mdecin lui trouve unerhinopharyngite et une inflammation des amygdales, pas d'otite, mais un tympan enfonc versl'intrieur. A l'audiogramme, le patient a une courbe de Wegel (seuils d'audition en fonction de lafrquence sonore) abaisse toutes les frquences. Suite aux explications du mdecin, maiscontre son avis, le patient fait une manoeuvre de surpression oro-pharynge suite laquelle ilentend mieux, mais le lendemain il a une otite !

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Quel rapport voyez-vous entre les symptmes initiaux et la physiologie du transport des gaz parle sang ?

IntroductionDans le systme circulatoire, les gaz respiratoires sont transports par convection, cest--direquils sont charris par un dbit vecteur, Q

. , et que la quantit de gaz transporte par unit de

temps est gale au produit du dbit vecteur par la concentration du gaz dans le liquide vecteur.Ainsi la quantit de gaz carbonique ou doxygne arrivant au poumon par minute est gale audbit cardiaque, Q

. , multipli par la concentration de CO2 ou dO2 dans le sang veineux ml,

soit : Q.

Cv-CO2 etQ.

Cv-O2. De mme, les quantits de CO2 et dO2 arrivant dans le sangartriel par minute sont : Q

. CaCO2 et Q

. CaO2 . La diffrence entre les quantits entrant et

sortant reprsente llimination pulmonaire de CO2 et la prise pulmonaire dO2 :

V.CO2 =Q

. (Cv-CO2-CaCO2) V

.O2 = Q

. (CaO2 - Cv-O2) ( q. de Fick).

Etant donn que les mouvements des gaz respiratoires au niveau des tapes air alvolaire-sang etsang-tissus, se font par diffusion et que les changes diffusionnels de gaz dpendent dediffrences de pressions partielles et non de diffrences de concentrations, il est important deconnatre les relations quantitatives qui existent entre les pressions partielles et lesconcentrations des gaz respiratoires dans le sang. Ces relations prsentent un intrtparticulier dans la phase sanguine, o elles se nomment courbes de dissociation de lO2 et duCO2. Elles se dterminent exprimentalement in vitro de la manire suivante : une sried'chantillons (quelques ml) d'un sang sont tonomtrs (quilibrs) avec des mlanges gazeuxdont les fractions en O2 et en CO2, et par consquent les pressions partielles en O2 et CO2, sontconnues. Aprs un temps de tonomtrie suffisamment long, il y a quilibre entre la phase gazeuseet la phase sanguine et les pressions partielles sont gales dans les phases gazeuses et sanguines.Ensuite, on dtermine les concentrations en O2 et en CO2 de chaque chantillon de sang. Ontablit alors les courbes de dissociation en portant en ordonne les concentrations en ml de gazSTPD par litre de sang et en abscisse les pressions partielles correspondantes. On peut aussiexprimer les concentrations en millimoles de gaz par litre de sang en se souvenant que unemillimole = 22.4 ml STPD. Vous verrez dans le chapitre de la circulation que les quations deFick sont communment employes pour la dtermination du dbit cardiaque, Q

. .

A. Transport de l 'O2

1) Relation concentration - pression partielle : courbe de dissociation de 1'O2 du sangLa Fig. IV, 17 prsente une courbe de dissociation de l'O2 dans le sang et la compare avec celleobtenue dans le plasma. Dans le plasma, la relation est une droite dont la pente (coefficient desolubilit physique) est trs faible; pour 100 mm Hg de PO2 il n'y a que 3 ml d'O2 dissous parlitre de plasma. C'est donc dans les globules rouges et chimiquement li l'hmoglobine Hb quela quasi totalit de l'O2 est transporte.

Respiration/PH 2000

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La concentration en O2 li chimiquement une pression partielle donne se calcule ensoustrayant la concentration en O2 dissous physiquement de la concentration totale en O2.Pour une PO2 de 100 mm Hg, le contenu total en O2 d'un sang normal est de 210 ml/L environ,dont 207 sont lis Hb et 3 dissous physiquement. La quantit maximum d'O2 li Hb s'appellela capacit en O2; elle est de 1,39 ml O2 /gr Hb. Lhmoglobine est une chromoprotine (PMenviron 64'500 Dalton) constitue de 4 monomres (PM environ 16'100) contenant chacun unatome de Fe2+. Chaque mole de Fe2+ est capable de lier une mole dO2 (22.4 L STPD). Laliaison de lO2 l'hmoglobine est rversible et correspond une oxygnation. Si Fe

2+ estoxyd en Fe3+, la liaison rversible de lO2 nest plus possible.

Le rapport entre la quantit d'O2 li l'hmoglobine et la capacit en O2 reprsente le degr desaturation ; il s'exprime en % :

2

222

2

2

HbOHbHbOS(%)OenSaturation100

OenCapacitHbliOQuantit

O+

===

La relation SO2 = f (PO2) est prsente la Fig. IV, 18.

Les relations CO2 = f (PO2) et SO2 = f (PO2) ont une forme sigmode caractristique. Avecl'augmentation de PO2 , la quantit d'O2 lie Hb augmente de plus en plus rapidement jusqu'une PO2 de 27 mm Hg environ, puis, aux PO2 plus hautes, la pente de la courbe

200

150

100

50

00

0

10

75

20 30 40

150 225 300

O2 li chimiq uement1,39 ml O2 / gr.Hb

[ Hb ] . 1,39 = capacit O 2

O2 dissous= O2 PO2.

kPa PO 2

mmHg

ml STPD/LCO2

P50

SO2%

100

50

80

20

00 3,6 10 15PO2 kPa

Myoglobine(1 hme)

Hb(4 hmes)

Fig. IV, 17. Concentration d'O2, CO2, enfonction de la PO2 pour un sang contenant150 g Hb/L. Zone hachure = concen-tration de l'O2 dissous physiquement dansle plasma.

Fig. IV, 18. Saturation en oxygne, SO2, enfonction de PO2 La courbe de saturation dela myoglobine a une forme hyperboliqueparce que la myoglobine n'a qu'1 hme.

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diminue progressivement. La saturation de l'hmoglobine est de 50% une PO2 nomme P50dont la valeur normale est de 27 mm Hg. La rciproque de la P50, est une mesure de l'affinitdu sang pour l'O2 .

Chez un sujet normal au repos, respirant de l'air en plaine, la PaO2 est de 85 90 mmHg et laPv-O2 de 40 mmHg environ; ces valeurs correspondent des SaO2 de 95 - 97 % et des Sv-O2 de75 %. La forme de la relation SO2 = f (PO2) ne dpend pas de la concentration du sang enhmoglobine; en revanche la relation CO2 = f (PO2) dpend de la concentration en hmoglobinepuisque la capacit en O2 est directement proportionnelle la concentration de lhmoglobine.Un anmique aura pour une mme PO2 la mme SO2 mais une CO2 plus petite.

La forme sigmode de la courbe de dissociation de l'O2 prsente des avantages physiologiquesimportants :

a) Partie suprieure plate de la courbe : une chute de PaO2 (due p. ex. une chute de PAO2)n'affecte que trs peu la quantit d'O2 transporte par le sang artriel.

b) Partie moyenne raide de la courbe :

- La diffusion d'O2 dans les tissus s'accompagne d'une faible chute de PO2 dans le sangcapillaire priphrique; le gradient de diffusion sang-tissus est ainsi prserv.

- En outre, au dbut du processus d'quilibration alvolo-capillaire, l'lvation de la PO2 lie la saturation progressive du sang en O2 reste faible tant que la saturation n'a pas atteint desvaleurs leves ; ainsi, la raideur de la partie moyenne de la courbe de dissociation de l'O2favorise le maintien d'un gradient alvolo-capillaire de PO2 et par l, le transfert diffusionnelde ce gaz de l'air alvolaire vers le sang.

2) Facteurs affectant la position ou la forme de la courbe de dissociation de l'O2

a) Effet Bohr : La position de la courbe SO2-PO2 est fonction du pH et de la PCO2; cesparamtres entranent un dplacement horizontal de la courbe dont l'importance peut trechiffre l'aide de la P50 (Fig. IV, 19) :

- la P50 augmente (dplacement droite) lorsque : pH PCO2 - la P50 diminue (dplacement gauche) lorsque : pH PCO2

Un dplacement vers la droite signifie que pour une mme PO2, l'Hb est moins sature ; elleest au contraire davantage sature lors d'un dplacement vers la gauche. Autrement dit, undplacement droite facilite la libration de l'O2 par l'Hb, un dplacement gauchel'association de l'O2 l'Hb.

Au niveau des poumons, la perte de CO2 par le sang et l'alcalinisation du sang qui lui est liefavorisent, grce un dplacement vers la gauche de la courbe de dissociation, la captation del'O2 . Rciproquement, au niveau des tissus, la captation de CO2 et l'acidification sanguinequi lui est lie, favorisent la libration de l'O2 grce un dplacement vers la droite de lacourbe de dissociation.

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Fig. IV, 19. Influence desfacteurs CO2,H+, tempratureet 2,3 DPG sur l'affinit del'hmoglobine pour l'O2

In vivo, au niveau des tissus, la PCO2 augmente progressivement avec la dsaturation en O2Il s'ensuit un dplacement toujours plus marqu de la courbe vers la droite au fur et mesurede la diminution de SO2 . Par consquent, la courbe de dissociation de l'O2 in vivoprsente une pente plus raide qu'in vitro, c'est--dire que dans des conditions o laPCO2 est maintenue constante pour tous les degrs de saturation.

b) Influence de la temprature : Un abaissement de la T` dplace la courbe vers la gauche, unelvation vers la droite ; ainsi par exemple, un muscle en activit lve sa temprature : lacourbe est alors dplace vers la droite, ce qui favorise la libration de l'O2 .

c) Effet du DPG : La position de la courbe de dissociation de 1'O2 est aussi fonction de laconcentration intrarythrocytaire de DPG (2,3,diphosphoglycrate). La P50 augmente avec laconcentration de DPG. Lors de l'adaptation l'hypoxie, la concentration de ce constituantaugmente dans les rythrocytes, ce qui a pour effet de dplacer la courbe vers la droite; grce cela, l'oxygnation tissulaire est amliore.

d) Dformation de la courbe par des agents hyperbolisants1) En prsence de monoxyde de carbone (CO), la courbe de dissociation de l'O2s'hyperbolise, ce qui perturbe les fonctions de transport de l'hmoglobine pour l'oxygne.L'affinit de l'hmoglobine pour le CO est plus de 200 fois plus grande que pour l'O2; parconsquent, le CO prend sur l'Hb la place de l'O2. Mme en prsence de pressions partiellesde CO infimes, la capacit en O2 du sang peut tre trs diminue. L'intoxication au COperturbe le transport de l'O2 la fois en augmentant l'affinit de l'Hb pour l'O2(hyperbolisation) et en diminuant la quantit d'Hb disponible pour le transport d'O2. Il enrsulte qu'une intoxication au CO, correspondant 30 % HbCO a des effets plus nuisiblespour l'oxygnation tissulaire qu'une anmie correspondant une baisse de 30 % de laconcentration d'Hb dans le sang. (Fig. IV, 20)

100

50

000

3,627

10 1575 113

kPa PO2mmHg

SO2 %

Aff. P50

P50 O2

[ CO2 ]]]][ H+ ]Temp.[ 2,3 DPG ]

Affinit par :

}}}}Effet Bohr

Respiration/PH 2000

40

Fig.IV,20. Courbes de dissociationde l'O2 dans le sang (courbespleines) pour une concentrationd'Hb normale et rduite de 30 %.Ces deux courbes ont la mme P50.En traits-tirs, courbe pour un sangayant une concentration normaled'hmoglobine mais dont 30 % estoccup par du CO. La prsence deCO fait diminuer la P50 mais pasl'anmie.

2) En prsence de quantits notables de methmoglobine, la courbe de dissociation de l'Hbpour l'O2 tend s'hyperboliser. Normalement, les quantits de methmoglobine (Fe

3+)restent extrmement faibles, en dpit du fait que la methmoglobine est un composthermodynamiquement plus stable que l'hmoglobine (Fe2+). En effet, un enzymerythrocytaire, la methmoglobinerductase, retransforme en hmoglobine lamethmoglobine qui se forme spontanment dans les globules rouges. Il existe desinsuffisances gntiques en methmoglobinerductase, dans lesquelles jusqu' 50% del'hmoglobine totale se trouve sous forme de methmoglobine (methmoglobinhmiecongnitale). Par ailleurs, diverses substances toxiques, parmi lesquelles les nitrites et lessulfamids favorisent la formation de methmoglobine en intoxiquant les rductases.

B. Transport du CO21) Relation concentration - pression partielle : courbe de dissociation du CO2 du sang

Les contenus en CO2 dissous physiquement en fonction des pressions partielles se dterminentpar analyses d'chantillons de plasma tonomtre diffrentes PCO2 (Fig. IV, 21). On voit que lasolubilit du CO2 est beaucoup plus grande (environ 20 fois) que celle de l'O2. De ce fait,contrairement ce qui se passe pour l'O2, la quantit de CO2 dissoute joue un rle significatifdans le transport de ce gaz par le sang.

Le CO2 est chimiquement li dans le sang de deux faons :a) sous forme de bicarbonatesb) sous forme de carbamates

Respiration/PH 2000

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Fig. IV, 21. Concentration de CO2, CCO2, en fonction de la PCO2. Les CCO2 sont aussi donnesen mmoles/L car cette unit est ncessaire dans le cadre du cours sur l'quilibre acide-base . Lacourbe de dissociation du CO2 n'a pas de maximum.

a) La formation des bicarbonates obit la raction : A.C.

CO2 + H2O H2CO3 HCO3 + H+

1 2

La premire raction, lente dans le plasma, est rapide dans les rythrocytes en raison de laprsence d'anhydrase carbonique (A.C.), alors que la seconde raction est spontanmentrapide dans les deux compartiments. Lorsque la PCO2 augmente, l'quilibre est dplac versla droite, ce qui entrane la formation de HCO3 et de H

+. Les ions bicarbonate, forms enmajeure partie dans les rythrocytes, diffusent dans le plasma en change contre des ionschlore (chloride shift).

Les ions H+ forms en mme temps que les bicarbonates sont presque tous tamponnslocalement, c'est--dire dans les rythrocytes et principalement par l'Hb selon la raction :

Hb- + H+ HHb

b) Les carbamates rsultent de la liaison du CO2 avec les radicaux amins des protines. Ilssont prsents en petite quantit dans le plasma et la quasi totalit des carbamates se formentdans les rythrocytes, sur les groupes amins de la globine :

Hb NH2 + CO2 Hb-NH-COO- + H+

0 2 4 6 8400

0

200

400

600

20

30

10

PCO2 kPammHg

a

v-

CCO2ml STPD/L mmol/L

CO2 dissous =CO2 . PCO2

CO2 = 0,03 mmol/mmHg

CO2 lichimiquement

HCO3--carbamates-

[HbO2] = 0%

[HbO2] = 100%

Respiration/PH 2000

42

2) Facteurs affectant la forme ou la position de la courbe de dissociation du CO2

Influence de la saturation en O2 , effet Haldane :

La forme de la courbe de dissociation du CO2 dpend du degr de saturation en O2 del'hmoglobine. En effet, une mme PCO2 , un sang dsoxygn lie chimiquement plus deCO2 qu'un sang compltement satur en O2 et inversement; on parle de l'effet Haldane.

La Fig. IV, 21 illustre l'effet Haldane et montre que la pente de la courbe de dissociation duCO2 in vivo est plus raide qu'in vitro (saturation de Hb en O2 constante), parce qu'in vivo legain en CO2 est simultan la perte d'O2 , c'est--dire la baisse de SO2.

Influence de la concentration en bases tampons :

Lorsque les bases tampons du sang (protines, hmoglobine, bicarbonates, cf chapitre acide-base) augmentent, la courbe de dissociation du CO2 se situe plus haut, lorsqu'elles diminuentelle se situe plus bas. Ainsi l'acidose mtabolique (perte de bicarbonates) abaisse la courbe,l'alcalose mtabolique (gain de bicarbonates) l'lve.

C. Importance physiologique des effets Bohr et HaldaneLes consquences fonctionnelles des effets Bohr et Haldane sont :

1) Au niveau des tissus, l'lvation de la PCO2 dans les capillaires tissulaires facilite ladissociation de l'oxyhmoglobine en hmoglobine rduite et en oxygne qui va pouvoirdiffuser dans les tissus (effet Bohr); la chute de PO2 sanguine associe cette diffusionfavorise la liaison chimique du CO2 sous forme de carbamate et bicarbonate (effet Haldane).

2) Au niveau des poumons, l'lvation de la PO2 sanguine facilite la libration de CO partirde ses formes carbamate et bicarbonate, qui va pouvoir diffuser vers la phase gazeusealvolaire (effet Haldane); la chute de PCO2 sanguine que cette diffusion entrane facilitel'association de l'oxygne avec l'hmoglobine (effet Bohr).

Respiration/PH 2000

43

D. Comparaison entre les courbes de dissociation de l'O2 et du CO2

La comparaison des deux courbes de la Fig. IV, 22 met en vidence les points suivants :

1) Les diffrences artrio-veineuses de concentration d'O2 et de CO2 sont peu prs de mmegrandeur; leur rapport, (Cv-CO2-CaCO2)/(CaO2-Cv-O2), est gal au quotient respiratoire. Sur laFig IV, 22 un QR de 0.8 est pris en considration.

2) Les diffrences artrio-veineuses de pression partielle d'O2 et de CO2 sont trs diffrentes, 6mmHg pour le CO2 et 45 mmHg pour l'O2; autrement dit, le passage de l'tat artriel l'tatveineux au niveau des tissus fait baisser la PO2 beaucoup plus qu'il ne fait augmenter laPCO2. Cette diffrence cre une sorte de "vide" qui explique que toute bulle de gaz perfusese trouvant dans l'organisme est rsorbe par le sang et tend disparatre (par exemple : bulled'air sous-cutane, pneumothorax, etc.). Dans le cas particulier o les parois de la bulle sontrigides, il se crera un vide dans la cavit. C'est ce qui peut se passer dans la caisse du tympan(dont la seule paroi lastique est le tympan) si la trompe d'Eustache est obstrue et ne remplitplus sa fonction d'quilibration avec la pression baromtrique. Le tympan est alors tendu versl'intrieur et les sons sont moins bien transmis l'oreille interne.

3) A toutes les pressions partielles, les rserves sanguines de CO2 sont plus grandes que cellesd'O2. Par consquent, les changements de PCO2 et PO2 qui sont associs aux hyper ethypoventilations entraneront des changements des rserves beaucoup plus grands pour leCO2 que pour l'O2. On comprend donc que les phases initiales d'hyper et d'hypoventilationsseront accompagnes d'augmentations respectivement de diminutions transitoires du QRpulmonaire. (En steady-state, QR pulmonaire = QR mtabolique!)

CO2ou

CCO2ml STPD/L

600

400

300

100

20 40 60 80

a

a

B

A