Fiche de révision : Physiologie respiratoire fondamentale

📋 Plan du Cours

1. Fonctions et homéostasie respiratoires
2. Ventilation et voies aériennes
3. Pressions et échanges gazeux
4. Ventilation-perfusion pulmonaire
5. Hétérogénéité du rapport ventilation-perfusion
6. Effets shunt et espace mort
7. Pressions gazeuses et VO2max
8. Régulation des gaz et hypoxémie
9. Diffusion alvéolo-capillaire et DLCO

📖 1. Fonctions et homéostasie respiratoires

🔑 Notions clés & Définitions

• Respiration : Regroupe les mécanismes qui apportent suffisamment d’oxygène du milieu ambiant aux cellules et rejettent dans l’atmosphère le dioxyde de carbone produit par le métabolisme cellulaire.
• Système homéostasique respiratoire : Maintient une pression artérielle en O₂ suffisante, une pression artérielle en CO₂ contrôlée et un pH sanguin stable.

★ À maîtriser

• 🔄 La respiration suit cinq étapes:

  1. Ventilation
  2. Échanges gazeux
  3. Transport des gaz dans le sang
  4. Échanges tissulaires
  5. Respiration cellulaire

• Les valeurs normales sont un pH de 7,40 ± 0,02, une PaCO₂ de 40 ± 2 mmHg et une PaO₂ d’environ 100 ± 20 mmHg, cette dernière devant généralement être supérieure à 80 mmHg.

📌 L’hypoxémie est une diminution de la PaO₂ dans le sang artériel, tandis que l’hypoxie correspond à un manque d’oxygène au niveau des tissus.

📌 Une PaO₂ inférieure à 80 mmHg définit une hypoxémie, une PaO₂ supérieure à environ 120 mmHg une hyperoxémie, une PaCO₂ inférieure à 38 mmHg une hypocapnie et une PaCO₂ supérieure à 42 mmHg une hypercapnie.

Compléments

• Le poumon contient environ 300 millions d’alvéoles et offre une surface d’échange d’environ 30 m², comparable à celle d’un petit appartement ou d’un court de tennis.

• 🔄 Le contrôle respiratoire suit la séquence:

  1. Grandeurs réglées
  2. Perturbations
  3. Capteurs
  4. Système intégrateur
  5. Système effecteur

• Un gaz du sang artériel mesure notamment:

  • La PaO₂
  • La PaCO₂
  • Le pH
  • Les bicarbonates

💡 Astuce mémo

Ventilation → échanges gazeux → transport → échanges tissulaires → respiration cellulaire

📖 2. Ventilation et voies aériennes

🔑 Notions clés & Définitions

• Ventilation minute : La ventilation minute correspond au produit du volume courant par la fréquence respiratoire : $V_E = V_T \times F_R$.
• Espace mort anatomique : Volume d’air présent dans les voies de conduction où aucun échange gazeux ne se produit.

★ À maîtriser

📐 Formule — La ventilation alvéolaire correspond à $V_A = (V_T - V_D) \times F_R$, avec $V_T = V_D + V_A$.

• Au repos, avec $V_T = 0{,}5\,L$, $V_D = 0{,}15\,L$ et $F_R = 12/min$, la ventilation alvéolaire est de 4,2 L/min.

📌 À volume courant initial identique, doubler le volume courant augmente la ventilation alvéolaire à environ 10,2 L/min, tandis que doubler seulement la fréquence respiratoire l’augmente à 8,4 L/min.

Compléments

• Avec un volume courant de 0,5 L et une fréquence respiratoire de 12 cycles par minute, la ventilation minute est de 6 L/min.

• Les voies aériennes supérieures comprennent:

  • Les fosses nasales
  • La cavité nasale
  • Les sinus
  • Le pharynx
  • Le larynx

• Les pneumocytes de type II synthétisent le surfactant, qui forme un film à l’interface air-liquide et contribue à la stabilité des alvéoles.

💡 Astuce mémo

Espace mort : air conduit sans échange ; alvéoles : air participant aux échanges

📖 3. Pressions et échanges gazeux

★ À maîtriser

📐 Formule — La pression totale d’un mélange gazeux est la somme des pressions partielles : $P_{tot} = \sum P_{gaz}$.

📐 Formule — La pression partielle d’un gaz est égale à sa fraction dans le mélange multipliée par la pression totale : $P_{gaz} = f_{gaz} \times P_{tot}$.

• Dans l’air ambiant à 760 mmHg, l’oxygène représente 21 % et sa pression partielle est d’environ 160 mmHg.

• À 37 °C, la pression de vapeur d’eau est de 47 mmHg et la pression inspirée d’oxygène humidifié est d’environ 150 mmHg.

• Le gaz alvéolaire contient environ:

  • 14 % d’O₂
  • 5,5 % de CO₂
  • 79 % de N₂

• L’O₂ diffuse des alvéoles vers le sang car sa pression est plus élevée dans les alvéoles, tandis que le CO₂ diffuse du sang vers les alvéoles car sa pression est plus élevée dans le sang veineux.

• Les échanges alvéolo-capillaires nécessitent une membrane diffusante, une ventilation suffisante, une perfusion suffisante et une adéquation entre ventilation et perfusion.

📌 Une membrane alvéolo-capillaire épaissie diminue la diffusion en augmentant la distance à franchir, tandis que l’emphysème la diminue en réduisant la surface d’échange.

Compléments

📐 Formule — La relation entre pression, volume, quantité de gaz et température est $PV = nRT$.

• L’équilibre entre les pressions alvéolaires et artérielles est atteint en environ 0,3 seconde, alors que le sang reste environ 0,75 seconde dans le poumon.

• Le CO₂ possède un coefficient de solubilité environ 20 fois supérieur à celui de l’O₂ et diffuse donc beaucoup plus facilement.

💡 Astuce mémo

Gradient de pression → diffusion des gaz vers le compartiment de moindre pression

📖 4. Ventilation-perfusion pulmonaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet shunt : Correspond à une perfusion sans ventilation correspondante, avec un rapport V/Q tendant vers zéro.
• Effet espace mort : Correspond à une ventilation sans perfusion correspondante, avec un rapport V/Q tendant vers l’infini.

★ À maîtriser

📌 En position debout ou assise, la ventilation et la perfusion sont meilleures aux bases qu’aux sommets, mais la perfusion augmente davantage vers les bases que la ventilation.

• Au sommet du poumon, le rapport ventilation/perfusion est élevé, alors qu’aux bases il est faible.

• Un shunt important entraîne une hypoxémie et une hypercapnie, car le sang quitte le poumon sans avoir réalisé les échanges gazeux.

Compléments

📌 Un effet shunt répond très peu à une oxygénothérapie à 100 %, ce qui renforce cette hypothèse devant une hypoxémie persistante après obstruction bronchique.

💡 Astuce mémo

Sommet : V/Q élevé ; base : V/Q faible

📖 5. Hétérogénéité du rapport ventilation-perfusion

★ À maîtriser

📌 Au sommet du poumon, la ventilation est supérieure à la perfusion, tandis qu'aux bases la perfusion est supérieure à la ventilation.

Compléments

• À l'échelle du poumon, les rapports ventilation/perfusion sont hétérogènes, mais leur bilan global permet des échanges gazeux satisfaisants.

💡 Astuce mémo

Sommet : ventilation dominante ; bases : perfusion dominante.

📖 6. Effets shunt et espace mort

★ À maîtriser

📌 Un effet shunt provoque une hypoxémie et une hypercapnie, car le sang quittant une zone perfusée mais non ventilée n'a pas réalisé d'échanges gazeux.

• L'embolie pulmonaire constitue la situation clinique classique d'un effet espace mort, car un caillot obstrue l'artère pulmonaire ou ses branches et laisse ventilée mais non perfusée la zone située en aval.

Compléments

• Un effet shunt répond très peu à l'administration d'oxygène à 100 %, ce qui renforce son diagnostic chez un patient hypoxémique après inhalation d'un corps étranger.

💡 Astuce mémo

Shunt : perfusion sans ventilation ; espace mort : ventilation sans perfusion.

📖 7. Pressions gazeuses et VO2max

★ À maîtriser

• Les pressions normales sont d'environ 100 ± 20 mmHg pour la PO2 et 40 ± 2 mmHg pour la PCO2.

• Les pressions gazeuses sont:

  • 160 mmHg pour la PO2 dans l'air ambiant
  • 150 mmHg pour la PO2 dans l'air inspiré
  • 100 mmHg pour la PO2 alvéolaire
  • 40 mmHg pour la PCO2 alvéolaire
  • 100 mmHg pour la PO2 du sang artériel
  • 40 mmHg pour la PCO2 du sang artériel

📐 Formule — Le quotient respiratoire vérifie $R = \frac{VCO2}{VO2}$ et sa valeur physiologique normale est d'environ 0,8.

• La VO2max correspond à la consommation maximale d'oxygène atteinte au pic de l'effort, tandis que la VMA est la vitesse atteinte à VO2max.

Compléments

• L'épreuve de VO2max consiste à faire pédaler progressivement le patient sur un vélo équipé d'un masque et de capteurs, tout en enregistrant continûment la VO2 et la VCO2.

• La VO2max peut être limitée par une origine cardiaque, vasculaire ou sanguine, respiratoire, ou musculaire.

💡 Astuce mémo

Hausse de VCO2 → élimination accrue du CO2 ; hausse de VO2 → baisse de la PO2 veineuse.

📖 8. Régulation des gaz et hypoxémie

★ À maîtriser

• Au repos, le sang veineux présente une PO2 d'environ 40 mmHg et une PCO2 d'environ 45 mmHg, tandis que l'air expiré présente en moyenne une PO2 de 120 mmHg et une PCO2 de 30 mmHg.

📐 Formule — La ventilation alvéolaire, la production de CO2 et la PaCO2 sont liées par $VCO2 = VA \times \frac{PaCO2}{K}$.

📌 Une hypoventilation alvéolaire provoque une hypoxémie associée à une hypercapnie, tandis qu'une hyperventilation provoque une hypocapnie.

📐 Formule — La pression alvéolaire en oxygène se calcule par $PAO2 = PiO2 - \frac{PaCO2}{R}$, avec $PiO2 = FiO2 \times PATM$.

📌 Une hypoxémie avec différence alvéolo-artérielle normale et PaCO2 normale évoque une diminution de la FiO2 ou de la pression atmosphérique, notamment en altitude.

• Les principales causes d'hypoventilation alvéolaire sont:
  • atteinte de la commande respiratoire
  • défaillance musculaire
  • anomalie de la cage thoracique
  • pathologie parenchymateuse pulmonaire

📌 Une différence alvéolo-artérielle augmentée avec une pression alvéolaire en oxygène normale oriente vers un trouble de la diffusion, une hétérogénéité du rapport ventilation/perfusion ou un effet shunt.

• Devant une hypoxémie, l'amélioration sous oxygène écarte le shunt et conduit à rechercher un trouble de diffusion ou une hétérogénéité ventilation/perfusion, tandis que l'absence de réponse évoque un shunt.

Compléments

• Chez un patient de 20 ans ayant une PaO2 de 95 mmHg, une PaCO2 de 40 mmHg, un R de 0,8 et une pression atmosphérique de 760 mmHg, la PAO2 est de 100 mmHg et la différence alvéolo-artérielle est de 5 mmHg, donc normale car inférieure à 9 mmHg.

• À 3000 mètres d'altitude, la pression d'oxygène dans l'air est de 109 mmHg, tandis qu'au sommet de l'Everest elle est de 46,2 mmHg.

💡 Astuce mémo

Différence alvéolo-artérielle normale : baisse de PAO2 ; augmentée : diffusion, V/Q ou shunt.

📖 9. Diffusion alvéolo-capillaire et DLCO

🔑 Notions clés & Définitions

• DLCO : Capacité de diffusion alvéolo-capillaire évaluée par l'inhalation d'une faible quantité de monoxyde de carbone, une apnée puis l'analyse du CO résiduel dans l'air expiré.

★ À maîtriser

📌 La capacité de diffusion est proportionnelle à la surface d'échange et inversement proportionnelle à l'épaisseur de la membrane alvéolo-capillaire.

• Une diminution de la DLCO traduit une anomalie de la membrane capillaire, de la perfusion capillaire ou de l'hémoglobine.

Compléments

• Les principales causes de trouble de diffusion sont: épaississement de la membrane alvéolo-capillaire, diminution de la surface d'échange, diminution du lit capillaire et de la perfusion pulmonaire, baisse de la disponibilité en hémoglobine

📌 Une DLCO augmentée traduit une élévation du volume sanguin capillaire, observée notamment dans la polyglobulie ou l'hémorragie intra-alvéolaire.

• Lorsque le volume alvéolaire est abaissé à moins de 80 %, un rapport KCO augmenté indique une perte de volume pulmonaire localisée, tandis qu'un KCO normal ou abaissé indique une perte homogène des structures alvéolo-capillaires.

• Une DLCO à 67 % de la valeur théorique avec des volumes pulmonaires spirométriques normaux caractérise une diminution isolée de la capacité de transfert du monoxyde de carbone et un trouble de diffusion alvéolo-capillaire.

💡 Astuce mémo

DLCO basse : membrane, perfusion ou hémoglobine altérée ; DLCO haute : volume capillaire augmenté.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des rapports ventilation-perfusion

Profils d'hypoxémie