Eléments de physiologie pulmonaire

La fonction principale du poumon est l'échange de gaz entre l'air ambiant et le reste de l'organisme, par l'intermédiaire du sang. Il permet l’approvisionnement en oxygène de l’organisme, et l’élimination du dioxyde de carbone. Cet échange, facilité par la grande surface constituée par l'ensemble des alvéoles, se fait donc entre les deux réseaux : le réseau aérien (arbre trachéo-bronchique) et les vaisseaux sanguins, au niveau alvéolo-capillaire.

II.2.1.2.1. Volumes pulmonaires

Le poumon a un volume variable. Les variations de volume sont importantes, d'un sujet à l'autre et, pour un même sujet, d'un cycle respiratoire à l'autre. L'inspiration est active et met en jeu une pression sous-atmosphérique dans le thorax grâce au travail des muscles respiratoires ; l'expiration est normalement passive et liée à l'élasticité du poumon et du thorax qui revient à l’équilibre des forces. Schématiquement, on peut considérer, pour un sujet donné, un cycle respiratoire moyen au repos et des mouvements respiratoires plus amples avec possibilité d'une inspiration maximale et d'une expiration maximale. Ceci permet de définir différents volumes spirométriques (cf. Figure II-4) pour lesquels il existe des normes tabulées selon les paramètres morphologiques, l'âge et le sexe.

La fréquence respiratoire est variable mais voisine de 15 min-1 au repos. Par ailleurs, un autre volume rentre en jeu au cours de la respiration ; il s'agit du volume mort V_D qui correspond au volume des voies aériennes conductrices. Ce volume est une partie du volume courant qui ne parvient pas aux alvéoles. Il est dû au fait que l'entrée et la sortie de l'air dans le poumon se font par le même réseau et non deux réseaux séparés comme pour le système circulatoire. Ce volume mort est de l'ordre de 150 mL chez l'homme jeune debout ; il est diminué (environ 110 mL) en décubitus (couché), augmenté (de l'ordre de 250 mL) en inspiration profonde [35].

Figure II.4 Volumes spirométriques. VT est le volume courant (de l'ordre de 0,5 L), VR le volume résiduel (1 à 2 L), VRE le volume de réserve expiratoire (1 à 2 L), VRI le volume de réserve inspiratoire (1,5 à 3,5 L), CI la capacité inspiratoire (2 à 4 L), CRF la capacité résiduelle fonctionnelle 2,5 L environ, CV la capacité vitale (3 à 5 L) et CPT la capacité pulmonaire totale (5 à 7 L).

II.2.1.2.2. Distribution de la ventilation pulmonaire

La ventilation n'est pas répartie de manière uniforme dans le poumon. Cette répartition dépend à la fois des forces mises en jeu et des résistances. La force qui meut l'air est la différence de pression entre l'air atmosphérique et la pression pleurale. Le poids du poumon fait que pour un sujet debout ou assis, la pression est plus élevée vers la base du poumon que vers les apex (d'environ 8 cm d'eau) [33]. Les sommets sont davantage en dépression que les bases et leurs alvéoles sont plus gonflées et de ce fait moins compliantes. La ventilation est donc en principe

II.2.1.2.3. Echanges gazeux alvéolo-capillaires

Le point clef de la fonction pulmonaire est l'échange de gaz entre le sang et l'air inspiré. Cet échange se fait au niveau de la barrière alvéolo-capillaire (cf Figure II.5). Cette barrière est composée de trois éléments :

• la paroi de l'alvéole composée d'une couche de cellules (épithélium) • une substance intermédiaire (interstitium)

• la paroi du capillaire sanguin (endothélium).

Cette barrière est très mince (de l'ordre de 0,1 µm [35] à 0,5 µm [36]) ce qui permet une diffusion rapide des gaz. Le volume de sang capillaire contenu dans le poumon est de l'ordre de 70 mL [36]. Considérant un débit sanguin de 5 L.min-1 (le volume sanguin total est de 5 L pour un individu de 70 kg), les globules rouges ont un temps de séjour capillaire moyen d'environ 1 s. Pendant cette durée, ce globule traverse deux à trois alvéoles [36]. Le sang artériel pulmonaire arrivant dans les capillaires a un contenu en oxygène correspondant à une pression partielle d'environ 40 torr alors que l'alvéole a une pression partielle d'environ 100 torr. Au cours de son transit capillaire le sang va équilibrer sa pression partielle en oxygène avec l'alvéole.

Figure II.5 Photographie en microscopie électronique de la membrane alvéolo-capillaire [38] . EP désigne l'épithélium alvéolaire, MB les membranes basales, IN l'interstitium, EN l'endothélium, C la lumière du capillaire et GR le globule rouge. L'épithélium alvéolaire est tapissé d'un tensioactif (le surfactant) non visible sur cette photographie.

L'oxygène dans le sang se trouve sous deux formes : lié à l'hémoglobine ou dissout dans le sang. Pour une concentration d'hémoglobine de 15 g/dL, une saturation de 97% et une fraction d'oxygène de 21% sous pression atmosphérique, il y a 9 mmol.L-1sous forme liée et 22 µmol.L-1 sous forme dissoute.

II.2.1.3. Différence de susceptibilité magnétique à l’interface air/tissu dans différentes conditions d’oxygénation.

paramagnétique. χ_sang dépend de l’oxygénation du sang, l’oxyhémoglobine et la désoxyhémoglobine n’ayant pas la même susceptibilité magnétique. Le tableau II.1 résume les valeurs de ∆χ_air/sang pour différentes conditions d’oxygénation de la cavité pulmonaire et par conséquent du sang. L’influence de O₂ dissout dans le sang a été considéré comme négligeable devant la quantité d’oxygène fixée sur l’hémoglobine quelles que soient les conditions d’oxygénation.

Tableau II.1 : ∆χ_air/sang pour différentes conditions d’oxygénation ; f_O2 est la fraction d’hémoglobine ayant fixé de l’oxygène.

Cas de figure étudié : χ_tissu MKSA χ_air MKSA ∆χ_air/tissu

Air normal (20% d’O₂) Oxygénation normale du sang (f_O2=0,96) -9,05×10-6 +0,381×10-6 +9,43×10-6 Air modifié 100% N₂ (f_O2=0,55) -8,85×10-6 -0,007×10-6 +8,85×10-6 Air modifié 100% O₂ (f_O2=0,96) -9,04×10-6 +1,93×10-6 +10,98×10-6

Les variations de ∆χ_air/tissuobtenues en modifiant les conditions d'oxygénation de l'air inspiré sont non négligeables (± 20 %). Ce type de variation a d’ailleurs déjà été mis à profit par Edelman et son équipe [39] comme nous le verrons plus loin.

Il est important de mentionner enfin que la composition du gaz alvéolaire est différent de celle de l’air qu’on respire. En effet il est saturé en eau, il comporte une quantité importante de CO₂, et moins d’O₂ que dans l’air ambiant.