Le système et la fonction respiratoires

Le système respiratoire est un ensemble d'organes permettant la transformation du sang veineux en sang artériel. Cette transformation implique l'oxygénation du sang et l'élimination des déchets. Les poumons sont les organes principaux où ces échanges ont lieu, mais l'appareil respiratoire inclut également les voies aériennes et les organes de la mécanique respiratoire.

I. Anatomie des Voies Aériennes

1. Les Fosses Nasales

Les fosses nasales sont deux couloirs parallèles, horizontaux, creusés dans la face et protégés par le nez. Leur rôle est le premier filtrage de l'air inspiré.

• Orifice antérieur : La نارine, tapissée de poils qui assurent un premier filtrage de l'air.
• Limites :
  • En dedans : Par une cloison médiane osseuse et cartilagineuse.
    • Le vomer : os situé dans la partie postérieure et inférieure de la cavité nasale.
    • L'ethmoïde : os impair et médian, situé entre les deux orbites.
  • En dehors : Par une paroi osseuse complexe formée par le maxillaire supérieur et l'éthmoïde, sur laquelle sont implantées des lamelles osseuses fines appelées cornets.
    • Les cornets supérieurs.
    • Les cornets moyens.
    • Les cornets inférieurs.
    Ces cornets délimitent entre eux les méats.
  • En bas : Par le palais, qui sépare les fosses nasales de la cavité buccale.
  • En haut : Par le sphénoïde et l'éthmoïde, traversés par les filets du nerf olfactif.
• Revêtement : Les parois des fosses nasales sont tapissées par la muqueuse pituitaire, composée de deux parties :
  • La muqueuse olfactive (partie supérieure) : contient les cellules d'origine du nerf olfactif.
  • La muqueuse respiratoire (partie inférieure) : richement vascularisée, avec des cellules à mucus et à cils vibratiles. Ses fonctions sont de réchauffer, humidifier l'air et le débarrasser des impuretés.
• Structures débouchant dans les fosses nasales :
  • Les sinus (frontal, sphénoïdal, éthmoïdal, maxillaire).
  • Les conduits lacrymaux.

2. Le Pharynx

Le pharynx est une structure qui correspond au croisement des voies digestives et aériennes. Il fait communiquer la bouche et l'œsophage, ainsi que les fosses nasales et le larynx.

• Composition en trois étages :
  1. Le nasopharynx (ou rhinopharynx) : où s'ouvrent les choanes et la trompe d'Eustache (communication avec l'oreille interne).
  2. L'oropharynx (ou buccopharynx) : où s'ouvre la cavité buccale.
  3. Le laryngopharynx (ou hypopharynx) : communiquant avec l'œsophage et le larynx.

3. Le Larynx

Le larynx est un tube creux, intercalé entre le pharynx et la trachée.

• Squelette ostéo-cartilagineux :
  • En haut : l'os hyoïde.
  • Cartilages épais et résistants : le cartilage thyroïde (pomme d'Adam), le cricoïde et l'épiglotte.
• Éléments de liaison :
  • Les ligaments : unissent les cartilages et soulèvent la muqueuse, formant les cordes vocales supérieures et inférieures.
  • Les muscles : mettent en tension les cordes vocales, dilatent l'orifice de la glotte et réalisent sa constriction.
• Structure interne : Tapissé d'une muqueuse laryngée.
• Étages :
  • Un orifice supérieur communiquant avec le pharynx et fermé par l'épiglotte lors de la déglutition.
  • Un étage supérieur entre l'épiglotte et les cordes vocales supérieures.
  • Un étage moyen comprenant les cordes vocales.
  • Un étage inférieur entre les cordes vocales et la trachée.
• Fonction essentielle : La phonation (parole).
  • Le passage de l'air expiré à travers la cavité laryngée provoque la vibration des cordes vocales, produisant un son.
  • Ce son est modulé dans les cavités aériennes supérieures (caisse de résonance) et par les mouvements de la langue, du voile du palais et des lèvres.
  • La différence de tonalité entre hommes et femmes est liée à l'agrandissement du larynx à l'adolescence sous l'effet hormonal.

4. La Trachée

La trachée est un conduit fibrocartilagineux qui fait suite au larynx et donne naissance aux bronches.

• Caractéristiques :
  • Forme cylindrique aplatie.
  • Diamètre : $12\mathrm{mm}$.
  • Longueur : $12\mathrm{cm}$.
  • Traverse le bas du cou et le haut du thorax, puis se bifurque à la hauteur de la 4^e vertèbre dorsale.
• Structure :
  • Formée de 16 à 20 anneaux cartilagineux incomplets, empilés et unis par un tissu fibro-élastique.
  • Ces anneaux sont ouverts en arrière, leurs extrémités étant unies par une membrane transversale de tissu fibreux et de fibres musculaires lisses, qui complète le cylindre.
• Revêtement interne : Une muqueuse composée d'un épithélium prismatique stratifié contenant :
  • Des cellules à mucus : agglomèrent les impuretés de l'air.
  • Des cellules à cils vibratiles : repoussent les poussières vers le haut pour protéger les poumons.

5. Les Bronches

Les bronches sont deux conduits nés de la bifurcation de la trachée et qui atteignent les poumons au niveau du hile.

• Caractéristiques :
  • Pénètrent dans les poumons en même temps que les artères et veines pulmonaires.
  • La bronche droite est plus verticale, plus courte et plus grosse que la gauche.
• Ramification :
  • Au niveau du hile, chaque bronche se divise en bronches secondaires. Il y a autant de bronches secondaires que de lobes pulmonaires (3 à droite, 2 à gauche).
  • Les bronches secondaires se divisent à leur tour en rameaux bronchiques, appelés bronchioles.
• Évolution de la structure :
  • La structure initiale des bronches est similaire à celle de la trachée.
  • Les anneaux cartilagineux deviennent irréguliers, puis disparaissent au niveau des bronchioles.
  • La paroi des bronchioles n'est plus formée que par une tunique externe fibromusculaire et par une muqueuse.

II. Les Poumons

Les poumons sont les organes principaux de la respiration, occupant la quasi-totalité de la cage thoracique.

1. Caractéristiques Générales

• Séparés l'un de l'autre par le médiastin.
• Couleur : gris rosé.
• Poids : $700\mathrm{g}$ pour le poumon droit, $600\mathrm{g}$ pour le poumon gauche.
• Propriété : flottent à la surface de l'eau.

2. Morphologie

• Forme pyramidale.
• La face externe se moule sur la paroi thoracique.
• La face interne présente une dépression, le hile, permettant l'entrée des bronches et des vaisseaux.
• La base repose sur la coupole diaphragmatique.
• Le sommet culmine à 2 ou $3\mathrm{cm}$ au-dessus de la clavicule.

3. Lobes Pulmonaires

Les poumons sont divisés par des sillons profonds appelés scissures en lobes :

• Le poumon droit a 2 scissures et 3 lobes.
• Le poumon gauche a 1 scissure et 2 lobes.

4. Structure Interne : Les Lobules Pulmonaires

Le poumon est formé par la juxtaposition des lobules pulmonaires.

• Chaque lobule reçoit une bronchiole, une artériole pulmonaire et donne naissance à des veinules pulmonaires.
  • La bronchiole se ramifie dans le lobule en de nombreuses branches, dont les dernières divisions sont les bronchioles terminales.
  • Chaque bronchiole terminale aboutit à un petit sac à paroi très mince, l'acinus.
  • La paroi des acini est bosselée, chaque bosselure constituant une alvéole pulmonaire.

5. Les Alvéoles Pulmonaires

Les alvéoles sont le siège des échanges gazeux.

• La paroi externe des alvéoles est tapissée de capillaires.
• La paroi interne, en contact avec l'air, est revêtue d'un film liquidien très mince, le surfactant pulmonaire, qui empêche une trop forte rétraction des alvéoles pendant l'expiration, facilitant les échanges.
• Le sang n'est séparé de l'air que par une couche très mince (cellules alvéolaires et film liquidien).
• L'artériole pulmonaire se divise en un réseau dense de capillaires tapissant la paroi externe des alvéoles.
• De ce réseau capillaire naissent des veinules, branches d'origine de la veine pulmonaire.
• La surface totale des alvéoles permettant les échanges est d'environ $100\mathrm{m}^2$.
• Il y a environ 300 millions d'alvéoles dans les deux poumons.

6. Vascularisation Pulmonaire

La vascularisation pulmonaire est double et indépendante : la circulation nutritive et la circulation fonctionnelle.

a. Circulation Nutritive

Elle assure l'apport de nutriments et l'élimination des déchets des tissus pulmonaires eux-mêmes.

• Artères bronchiques :
  • Une pour chaque poumon.
  • Naissent de l'aorte.
  • Suivent le trajet des bronches et se ramifient dans le poumon.
  • Irriguent l'arbre bronchique et les éléments intrapulmonaires.
• Veines bronchiques :
  • Satellites des artères.
  • Se jettent dans les veines azygos, tributaires de la veine cave supérieure.

b. Circulation Fonctionnelle

Elle est dédiée aux échanges gazeux.

• L'artère pulmonaire :
  • Pénètre dans le poumon au niveau du hile.
  • Se ramifie en rameaux, puis en vaisseaux capillaires qui tapissent les alvéoles pulmonaires.
• Les veines pulmonaires :
  • Naissent du réseau capillaire alvéolaire.
  • Deux grosses veines par poumon.

III. Organes de la Mécanique Respiratoire

1. La Cage Thoracique

La cage thoracique protège les poumons et participe aux mouvements respiratoires.

• Composition :
  • Latéralement : les côtes.
  • En arrière : le rachis.
  • En avant : le sternum.
• Elle n'est pas rigide et peut se déformer grâce aux côtes fixées au sternum par du cartilage costal. Cette déformation est essentielle à chaque mouvement respiratoire.

2. Les Muscles Respiratoires

Les muscles respiratoires sont responsables de l'expansion et de la rétraction de la cage thoracique.

a. Muscles Inspirateurs

• Muscles scalènes, certains intercostaux, petit dentelé postérieur et supérieur.
• Le muscle fondamental est le diaphragme.
• La contraction de ces muscles entraîne l'abaissement des viscères abdominaux et l'élargissement de la cage thoracique.

b. Muscles Expirateurs

• N'interviennent que lors d'une expiration forcée.

3. Le Diaphragme

Le diaphragme est le muscle inspiratoire principal, situé sous les poumons.

• Sépare la cavité thoracique de la cavité abdominale.
• En forme de parachute, avec deux coupoles (droite et gauche).
• Composé d'un tendon central, le centre tendineux du diaphragme (ou centre phrénique).
• En périphérie, les fibres musculaires se connectent au sternum, aux côtes et aux vertèbres.
• Possède des orifices naturels pour le passage d'organes ou de vaisseaux (œsophagien, aortique, cave inférieur).
• Innervé par le nerf phrénique, qui provoque sa contraction.

4. La Plèvre

La plèvre est une enveloppe séreuse qui entoure chaque poumon.

• Une plèvre par poumon, indépendantes l'une de l'autre.
• Composée de deux feuillets :
  • Le feuillet viscéral : collé au poumon.
  • Le feuillet pariétal : collé à la paroi thoracique.
• Entre les deux feuillets se trouve la cavité pleurale (virtuelle), remplie d'une infime quantité de liquide qui facilite le glissement.
• La solidarité entre le feuillet pariétal et la cage thoracique, ainsi qu'entre le feuillet viscéral et le poumon, assure que tout mouvement de la cage thoracique est transmis au tissu pulmonaire.

IV. Physiologie de la Respiration

1. Mécanisme de la Respiration

La respiration est un processus totalement automatique et involontaire, maintenu même pendant le sommeil.

• L'automatisme est assuré par les centres respiratoires, qui envoient des incitations motrices régulières aux nerfs moteurs des muscles inspirateurs.
• La respiration se déroule en deux temps :
  • L'inspiration : phénomène actif, dû à l'action des muscles inspirateurs, entraînant un agrandissement de la cage thoracique.
  • L'expiration : phénomène normalement passif, résultant du retour élastique de la cage thoracique. Les muscles expirateurs n'interviennent que pour une expiration forcée.

2. Régulation de la Respiration

La respiration est influencée par divers facteurs, mais son automatisme est maintenu.

• Arrêt respiratoire transitoire : Activé par les centres de la déglutition et du vomissement.
• Modification du rythme : Fièvre, activité sportive.
• Chimiorécepteurs :
  • Une diminution du taux sanguin d'O$_2$ ou une augmentation du taux de CO$_2$ entraîne une hyperventilation.
  • L'inverse provoque une hypoventilation.
• Barorécepteurs :
  • Chute de la pression artérielle : hyperventilation.
  • Augmentation de la pression artérielle : hypoventilation.
• Hormones : L'adrénaline entraîne une hyperventilation.
• Bronchomotricité : Modification du calibre des bronches.
  • Le système sympathique a un effet bronchodilatateur.
  • Le système parasympathique a un effet bronchoconstricteur (cause des crises d'asthme).

3. Échanges Gazeux

Les échanges gazeux se font par diffusion simple des gaz à travers la paroi alvéolaire.

• La diffusion s'effectue du milieu où la pression partielle est la plus élevée vers le milieu où elle est la plus basse, tendant à égaliser les pressions.
• La pression du gaz carbonique est plus forte dans le sang veineux.
• La pression d'oxygène est plus forte dans l'air alvéolaire.

4. Composition de l'Air Alvéolaire

L'air alvéolaire a une composition chimique stable. Bien qu'il ne circule pas directement dans les voies aériennes, il stagne au niveau des alvéoles et est renouvelé à chaque mouvement respiratoire. Même après une expiration forcée, il reste de l'air alvéolaire.

• Azote (N$_2$) : 80%
• Dioxygène (O$_2$) : 14,5%
• Dioxyde de carbone (CO$_2$) : 5,5%

5. Composition du Sang Veineux

Le sang veineux est amené par les artérioles pulmonaires et circule dans les capillaires.

• Oxygène : 10%
• Gaz carbonique : 58%

6. Transformation du Sang Veineux en Sang Artériel

Les échanges gazeux aboutissent à la transformation du sang veineux en sang artériel.

• Composition du sang artériel :
  • Oxygène : 20% (Pression partielle : $95\mathrm{mmHg}$) contre 10% (Pression partielle : $40\mathrm{mmHg}$) dans le sang veineux.
  • Gaz carbonique : 50% (Pression partielle : $40\mathrm{mmHg}$) contre 58% (Pression partielle : $46\mathrm{mmHg}$) dans le sang veineux.
• Différence de composition entre air inspiré et expiré :
  • Air inspiré : 80% N$_2$, 20% O$_2$, traces de CO$_2$.
  • Air expiré : 80% N$_2$, 16% O$_2$, 4% CO$_2$.

7. Conditions Indispensables à la Diffusion

• Surface de diffusion : environ $100\mathrm{m}^2$.
• La membrane alvéolo-capillaire doit être intègre et offrir une résistance minimale. Certaines pathologies peuvent rendre cette membrane moins perméable, créant un "bloc alvéolo-capillaire".

8. Équilibre Ventilation-Perfusion

Pour une bonne artérialisation du sang, il est nécessaire que la circulation sanguine capillaire (perfusion) et la ventilation soient équilibrées. Tout déséquilibre affectera l'oxygénation.

• Espace mort : Ventilation correcte mais diffusion nulle.
• Effet shunt : Circulation correcte mais ventilation nulle.

9. Transport des Gaz Respiratoires

Le transport de l'oxygène et du dioxyde de carbone se fait principalement via le sang.

a. Transport de l'Oxygène

• Majoritairement par les hématies, grâce à l'hémoglobine qui contient du fer.
• L'hémoglobine fixe l'O$_2$ pour former l'oxyhémoglobine.
• La liaison est peu stable, ce qui permet les échanges.
• Une infime partie de l'O$_2$ est dissoute dans le plasma.

b. Transport du Dioxyde de Carbone

Transporté sous trois formes :

1. Forme combinée : Majoritairement en se combinant au sodium et au potassium pour former des bicarbonates.
2. Forme dissoute : Environ 3% du CO$_2$.
3. Liée à l'hémoglobine : Forme la carboxyhémoglobine.

L'affinité de l'hémoglobine pour le monoxyde de carbone (CO) est beaucoup plus grande que pour l'oxygène. Cette liaison est stable et difficile à briser, nécessitant un apport d'O$_2$ à fort débit pour son élimination.

V. Pathologies et Évaluation de la Fonction Respiratoire

1. Troubles de l'Oxygénation et de l'Élimination du CO$_2$

• L'anoxie ou hypoxie : Baisse de la pression partielle d'oxygène dans le sang, entraînant un manque d'oxygène au niveau des cellules.
  • Symptômes : Cyanose (teinte bleue des téguments et muqueuses), accélération du rythme respiratoire (polypnée) et cardiaque (tachycardie), hypertension.
• L'hypercapnie : Élévation de la pression partielle de gaz carbonique dans le sang due à une mauvaise élimination pulmonaire.
  • Symptômes : Polypnée, anxiété, agitation, hypertension artérielle, tachycardie, hypersudation.

2. Évaluation Clinique de la Fonction Respiratoire

• Fréquence respiratoire : Entre 12 et 20 cycles par minute chez l'adulte.
• Coloration des téguments : Indicateur de l'oxygénation.
• Percussion : Recherche de tympanisme ou matité.
• Auscultation : Écoute du murmure vésiculaire (son doux lors de l'inspiration, dû au passage de l'air dans les alvéoles).

3. Paramètres de l'Équilibre Acido-Basique Sanguin

Les gaz du sang artériel donnent des informations cruciales sur la fonction respiratoire.

Analyse	Valeur normale	Unité
pH	7,38–7,42
PaCO$_2$	38–42	mmHg
PaO$_2$	>$90$ (selon l'âge)	mmHg
HCO$_3^-$	23–27	Mmol/L