Physiologie des APS

Le système ventilatoire Physiologie des APS Le système ventilatoire Didier Reiss

Introduction : Pourquoi respire-t-on ? Physiologie des APS - Le système ventilatoire Introduction : Pourquoi respire-t-on ? Existe-t-il plusieurs façons d'échanger de l'air ?

Physiologie des APS - Le système ventilatoire Introduction: Pourquoi respire-t-on ? Le but de la respiration est de fournir aux cellules l’énergie nécessaire pour vivre et travailler, mais aussi de débarrasser de certains déchets gazeux (CO2, alcool, acide aliacé → ce qui donne son odeur à l’ail) de l’organisme.

Introduction: Existe-t-il plusieurs façons d'échanger de l'air ? Physiologie des APS - Le système ventilatoire Introduction: Existe-t-il plusieurs façons d'échanger de l'air ? - Respiration pulmonaire - Respiration cutanée (ver de terre, grenouille) : la peau fine, richement vascularisée et humide réalise les échanges gazeux, - Respiration trachéenne : celle des insectes chez qui de fins canaux (les trachées) assurent le transport de l'air "inspiré" du milieu extérieur jusqu'aux cellules et de l'air "expiré" en sens inverse (des mouvements respiratoires sont bien visibles sur l'abdomen d'une sauterelle) - Respiration branchiale du poisson, des crustacés : un renouvellement de l'eau doit se faire au niveau de la surface d'échanges (l'équivalent de la ventilation pulmonaire).

Respiration ou ventilation ? Physiologie des APS - Le système ventilatoire Introduction: Si les échanges gazeux ne se faisaient que par la peau, il serait impossible de couvrir les besoins énergétiques de base. Cela serait impensable pour les APS ! (On peut signaler qu'une très faible partie du rejet de dioxyde de carbone se fait chez l'homme par la peau (moins de 1%) tandis que l'absorption de dioxygène par celle-ci est à peine mesurable). L'appareil respiratoire est là pour assumer cette fonction ; complexe si on le détaille, il est compréhensible par une approche globale. Respiration ou ventilation ?

Physiologie des APS - Le système ventilatoire Introduction: La respiration en biologie a 2 significations :    • En biologie cellulaire et en biochimie : c’est l’ensemble des réactions métaboliques de l’oxygène avec les substrats énergétiques dans l’organisme permettant de fournir de l’énergie, chimique et mécanique, ainsi que des déchets.    • En physiologie, c’est l’étude de l’organisme considéré comme un système d’échanges gazeux entre les cellules et le milieu extérieur : Comment l’organisme reçoit l’O2 nécessaire aux oxydations cellulaires et rejette le CO2 produit par les cellules ?

Introduction: La respiration ( une définition simple ? ) : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Introduction: La respiration ( une définition simple ? ) : Phénomène lié à la ventilation qui permet aux cellules d’utiliser l’oxygène (02) avec les différents substrats possibles (glucides, lipides…), afin de libérer l’énergie nécessaire à la vie entraînant chez l’homme un rejet de dioxyde de carbone (CO2) et d’eau. 

Important : 1 - Convection ventilatoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Important : 1 - Convection ventilatoire 2 - Diffusion alvéolo-capillaire 3 - Convection circulatoire 4 – Diffusion capillaro-tissulaire

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire 1 - Convection ventilatoire 2 - Diffusion alvéolo-capillaire 3 - Convection circulatoire 4 – Diffusion capillaro-tissulaire

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Le nez : La muqueuse nasale comporte de nombreux replis qui augmentent la surface (160 cm²) permettant les échanges thermo-hydriques. L’air doit être humidifié afin de ne pas menacer les voies aériennes. L’air des poumons est donc saturé en vapeur d’eau. Le nez présente une résistance non négligeable à l’écoulement de l’air. En cas d’effort important (course) le mouvement d’air est plus important : on respire par la bouche de l’air moins réchauffé (« danger » du sport quand il fait très froid). Le nez sécrète un mucus sur lequel vont se coller les particules inhalées. Il contient une substance, le lysozyme, qui participe à la lutte anti-bactérienne. Environ 1 l / jour sécrété et dégluti.

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Le nez : L'air se sature de vapeur d'eau quand il traverse le nez et la bouche et descend les voies respiratoires. Cette présence d'eau abaisse la pression et dilue l'air inspiré. A 37°, la pression est plus importante mais grâce à l'humidification, elle est abaissée de 10 mm Hg.

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Le pharynx : En arrière du nez, c’est un carrefour aérodigestif où transitent l’air et les aliments. Son squelette est purement musculaire (une vingtaine de muscles). Il se collabe en inspiration (baisse du Ø). Forme d’entonnoir, il relie les cavités nasales et la bouche au larynx et à l’œsophage ; C’est ce que l’on appelle généralement… la gorge (13 cm). Il se divise en trois parties : de haut en bas - nasopharynx ( air) - oropharynx (air et aliments) - laryngopharynx (air et aliments) En pathologie :  • Pendant le sommeil les muscles se relâchent : ronflement, syndrome d’apnée du sommeil.    • Etouffement par mort subite du nouveau-né.

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Le pharynx :

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Larynx : C’est l’organe de la phonation, situé à la partie supérieure de la trachée. Entouré d’un anneau cartilagineux, il est fermé au moment de la déglutition par une membrane dotée d’une lame cartilagineuse : l’épiglotte, qui évite les fausses routes alimentaires. Il se poursuit par la trachée (dont une partie seulement est extra-thoracique). Le larynx est source d’une résistance importante (qui augmente lors de laryngites). Les cordes vocales créent un relief à la partie moyenne, formant un orifice qui se ferme de façon involontaire lors de la toux en même temps que se contractent certains muscles abdominaux. La pression augmente (ce que reproduit la manœuvre de Vasalva).

Musculation et pathologie spécifique : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Musculation et pathologie spécifique : Le blocage respiratoire (coup de bélier) : Le sportif fait une inspiration forcée, bloque sa glotte…

Musculation et pathologie spécifique : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Musculation et pathologie spécifique : Le blocage respiratoire (coup de bélier) : Le sportif fait une inspiration forcée, bloque sa glotte, les muscles expirateurs se contractent statiquement et l'air se trouve comprimé dans la cage thoracique. Celle-ci forme un bloc rigide, les muscles réalisant le mouvement peuvent prendre un appui solide sur la cage thoracique, et leur force s'en trouve accrue. Le blocage respiratoire à répétition est néfaste pour la santé. La circulation pulmonaire s’en trouve réduite car la pression intra thoracique pince ses vaisseaux. Le retour sanguin vers le coeur est ralenti, de même que la circulation cérébrale. A l'arrêt de l'effort, la circulation se rétablit très rapidement entraînant 'un coup de bélier' dangereux pour les personnes ayant des artères (les cérébrales surtout) en mauvais état. (Pas de force isométrique chez les personnes souffrant de troubles vasculaires et cérébrales.)

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Font suite à la trachée successivement :    • 2 bronches souches (droite et gauche)    • bronches lobaires : 3 à droite, 2 à gauche    • bronches segmentaires    • bronchioles (Ø 1 mm) puis bronchioles terminales (Ø 0,5 mm) Ces divisions constituent la zone de conduction, ne comportant pas d’échange gazeux. Les conduits sont maintenus ouverts par un squelette cartilagineux, puis, au sein du poumon le cartilage est remplacé par des muscles lisses. Cette zone s’appelle l’espace mort anatomique : 150 ml chez l’adulte normal.

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Les poumons : /!\ L’expression « elle a de gros poumons » n’a aucun fondement scientifique ! L’extérieur ne reflète pas l’intérieur…

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Les poumons : Ils constituent la surface d'échange entre le sang et le milieu extérieur. Leur rôle est d'assurer les échanges gazeux. L'O2 passe dans le sang veineux qui en échange laisse le CO2 dans les alvéoles avant d'être expulsé. Volume pulmonaire : 5 à 6 litres (jusqu'à 8 dans les extrêmes) Poids : 1 kilo et plus Superficie : si étalé sur le sol : 50 à 100 m2, soit 20 à 50 fois la surface corporelle = la moitié d'un court de tennis (ou un terrain de badminton).

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Les poumons : Superficie si étalé sur le sol : 50 à 100 m2, soit 20 à 50 fois la surface corporelle = la moitié d'un court de tennis (ou un terrain de badminton).

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Les alvéoles : Ce sont des petites cavités ou minuscules renflements ± sphériques densément regroupés sur les conduits alvéolaires. Elles donnent aux sacs alvéolaires l’apparence de grappes de raisins. 2 ou 3 sacs alvéolaires s’ouvrent dans une chambre commune appelée atrium alvéolaire. Il existe 300 millions d’alvéoles qui constituent la majeure partie des poumons et offrent une aire extrêmement étendue aux échanges gazeux.

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Les alvéoles :

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire La membrane alvéolo-capillaire : La paroi des alvéoles est composée d’une couche unique de cellules appelées pneumocytes apposés sur une fine lame basale. Une trame dense de capillaires pulmonaires recouvre les alvéoles. Les parois des alvéoles et des capillaires ainsi que leur lame basale forment la membrane alvéolo-capillaire : c’est la barrière air-sang. On trouve aussi des pneumocytes qui sécrètent le surfactant alvéolaire. Ce liquide tapisse la surface interne de l’alvéole exposée à l’air libre et contribue à la facilitation des échanges gazeux. Les alvéoles abritent aussi des macrophages très performants qui protègent les alvéoles des agressions. Il en meurt 2 millions par heure qui sont reconduits vers le pharynx.

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Épuration - filtration : Les grosses particules se fixent dans les voies aériennes supérieures les plus hautes (nez) : arrêt des bactéries. Les plus fines arrivent aux bronchioles terminales où le débit d’air est très lent. Elles se fixent à un mucus produit par des glandes. Ce mucus est ensuite remonté par des cellules ciliées puis dégluti (tapis mucociliaire). Le mouvement des cils est comparé à celui de palmes dans l’eau. La nicotine supprime le mouvement des cils : le mucus n’est plus évacué, le calibre des bronches diminue => toux du fumeur et augmentation des résistances dans les voies aériennes. Rappel (?) : Le tabagisme passif ; 79 000 morts en Europe, 3 à 5000 rien qu’en France…

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Épuration - filtration :

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Les plèvres : structure et fonction Une même membrane forme la plèvre pariétale (qui adhère à la paroi thoracique ou au médiastin) et la plèvre viscérale (qui adhère au poumon). La plèvre épouse la surface pulmonaire. La plèvre enveloppe les poumons et les protège. Elle est constituée d’un feuillet interne (la plèvre viscérale) et d’un feuillet externe (la plèvre pariétale). Entre les 2 feuillets : espace virtuel comblé de liquide pleural permettant le glissement des 2 feuillets l’un sur l’autre : génère un contact étroit entre le poumon et la paroi thoracique (liquide non extensible).

Structure de l'appareil respiratoire Physiologie des APS - Le système ventilatoire Structure de l'appareil respiratoire Les échanges gazeux : Ils se produisent par diffusion simple à travers la membrane alvéolo-capillaire. L’O2 passant des alvéoles vers le sang et le CO2 du sang vers les alvéoles.

La ventilation L'inspiration : Physiologie des APS - Le système ventilatoire La ventilation L'inspiration : Une diminution de pression fait pénétrer l’air dans les poumons puisque les gaz s’écoulent toujours dans le sens des gradients de pression. En se contractant, le diaphragme (convexe) s’abaisse et s’aplatit => la hauteur de la cavité thoracique augmente ; La contraction des muscles intercostaux externes élève la cage thoracique et pousse le sternum vers l’avant => augmentation du diamètre aussi bien en avant qu’en arrière.

La ventilation L'inspiration : 1. Inspiration calme Physiologie des APS - Le système ventilatoire La ventilation L'inspiration : 1. Inspiration calme Il rentre environ 500 ml d’air C’est l’action du diaphragme qui reste prédominante. 2. Inspiration forcée L’activation des muscles accessoires de la respiration augmente encore la capacité du thorax, à savoir : - les muscles scalènes - les muscle sterno-cleido-occipito-mastoïdien - les muscles pectoraux - les muscles érecteurs du rachis dorsal (qui redressent la courbure thoracique)

La ventilation L'inspiration : Régime laminaire Régime turbulent Physiologie des APS - Le système ventilatoire La ventilation L'inspiration : Régime laminaire Régime turbulent Régime transitionnel

La ventilation L'expiration : 1. Expiration calme Physiologie des APS - Le système ventilatoire La ventilation L'expiration : 1. Expiration calme Phénomène passif qui repose plus sur l’élasticité des poumons que sur la contraction musculaire. Le relâchement des muscles inspiratoires implique le retour de la cage thoracique en position abaissée. 2. Expiration forcée Processus actif provoqué par la contraction des muscles de la paroi abdominale, principalement le transverse et les obliques. Cette contraction augmente la pression intra-abdominale qui tend à faire remonter le diaphragme. D’autres muscles, parallèlement, abaissent la cage thoracique: M intercostaux internes, carré des lombes et grand dorsal.

La ventilation Les volumes : Physiologie des APS - Le système ventilatoire La ventilation Les volumes : L'espace mort, 0,15 L sur le VC n'atteint jamais les alvéoles. Il est déplacé…

La ventilation Les volumes : Physiologie des APS - Le système ventilatoire La ventilation Les volumes : 1 3 5 7 20 40 60 80 Âge en années Capacité vitale Volume résiduel Capacité pulmonaire totale Au repos, le VC représente environ 10% de la CV

Physiologie des APS - Le système ventilatoire La ventilation La cage thoracique comprend le sternum et les côtes et son volume varie grâce à la mise en jeu des muscles élévateurs des côtes, des muscles intercostaux et surtout du diaphragme.

Physiologie des APS - Le système ventilatoire Composition de l'air : Les molécules d'un gaz donné d'un mélange gazeux exercent leur propre pression partielle. L'air inspiré contient (niveau de la mer) : -Oxygène 20,93% -Azote 79,04% -CO2 0,03 % L'air expiré contient : -Oxygène 16 % -Azote 79 % -CO2 4 à 5 % (application en secourisme ?) Et parfois, d’autres odeurs sont nécessaires à la compréhension de l’effort…

Le sportif a parfois besoin de se rassurer… Physiologie des APS - Le système ventilatoire Ai-je bien transpiré ? Composition de l'air : Prépa mentale : Le sportif a parfois besoin de se rassurer…

Ventilation et exercices : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Ventilation et exercices : Dette d'oxygène ; Quelle que soit l'intensité de l'exercice, le métabolisme anaérobie est obligatoirement mis en jeu au tout début de l'exercice pendant le délai de mise en route du système aérobie. Ceci est clairement visualisé par la mesure du VO2max au cours d'un exercice modéré d'intensité constante.

Ventilation et exercices : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Ventilation et exercices : Dette d'oxygène ; Au début de l'exercice, l'O2 n'arrive pas en quantité suffisante pour couvrir les besoins, le tissu doit puiser dans ses réserves d'énergie (métabolisme anaérobie alactique puis lactique). Ceci constitue la dette en O2, obligatoire quelque soit l'exercice. Cette dette devra nécessairement être remboursée plus tard (reconstitution des stocks d'énergie et retransformation du lactate en pyruvate). En pratique, elle est remboursée après l'exercice, la consommation d'O2 se trouvant alors supérieure au besoin de la phase repos. On constate aussi que le remboursement est toujours supérieur à la dette (ce sont les intérêts !), conséquence du mauvais rendement des réactions métaboliques.

Ventilation et exercices : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Ventilation et exercices : Dette d'oxygène

Ventilation et exercices : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Ventilation et exercices : Dette d'oxygène Exercice intense Exercice modéré Consommation d’oxygène Exercice Récupération Exercice Récupération Temps Notion de délais d’adaptation Notion de dette en O2 Notion d’état stable pour les intensités modérées

Ventilation et exercices : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Ventilation et exercices : Dette d'oxygène Elle n’est pas liée à la respiration, mais à l'inertie des mécanismes physiologiques et en particulier l’inertie de la circulation. L’intensité de remboursement dépend de la dette contractée. Dette en L Remboursement en L 1 1.5 4 12 10 50 15 90 20 160

Ventilation et exercices : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Ventilation et exercices :

Ventilation et exercices : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Ventilation et exercices : Pour faciliter la respiration après un effort, les sportifs se penchent souvent en avant. Il est possible qu’ils le fassent pour deux raisons : Faciliter le retour veineux vers le cœur Minimiser l’action de la force de gravité qui s’oppose aux mouvements ascendants de la cage thoracique au cours de l’inspiration

Ventilation et exercices : Physiologie des APS - Le système ventilatoire Ventilation et exercices : . SV1 SV2 VE . . VE/VO2 Paramètres ventilatoires . . VE/VCO2 50 100 150 200 250 300 350 Puissance (watts) Préfaut, L'essentiel en Physiologie, , 1993, p. 150