Biophysique de la respiration

Biophysique de la respiration
En l’absence de mouvement d’air, la pression alvéolaire est égale à la pression atmosphérique.
Si nous parlons en terme de pression manométrique ou de jauge, la pression alvéolaire vaut
zéro puisque celle-ci est définie comme la différence de pression avec la pression
atmosphérique.
La pression manométrique intra pleurale qui s’exerce autour du poumon est de -533 Pa
environ.
La ventilation
Elle implique un gradient de pression entre les alvéoles et l’atmosphère.
L’écoulement de l’air dans les voies aériennes se fait selon deux modes
- le mode laminaire
- le mode turbulent
Le mode laminaire
Dans ce cas, l’écoulement obéit à la loi
∆P
P1
− P2
Q
= =
R R
P = pression dans
1
P
∆P
Q = débit
R
2
= pression
les poumons
atmosphérique
est la différence de pression entre les 2 extrémités du
représente la résistance à l'écoulement
conduit

Si les pressions manométriques ou de jauge sont utilisées alors P2 manométrique vaut 0.
- Si l’air entre dans les poumons, la pression à l’intérieur des poumons doit être
inférieure à la pression atmosphérique donc la pression manométrique P1manométrique
doit être négative.
- Si l’air sort des poumons, la pression à l’intérieur des poumons doit être supérieure à
la pression atmosphérique donc la pression manométrique P1manométrique doit être
positive
La loi de Poiseuille
Pπ
r
Q
8lη
4
∆
=
avec l la longueur du conduit, r le rayon du conduit et η la viscosité du gaz.
nous permet d’écrire
8ηl
R = 4
r π
Le mode turbulent
S le nombre de Reynolds est élevé
Mécanique ventilatoire
Le corps change la pression dans les poumons en augmentant ou diminuant leur volume.
La pression alvéolaire est en l’absence de mouvement d’air, égale à la pression atmosphérique
alors que la pression intra-pleurale qui s’exerce autour du poumon est inférieure.
Les alvéoles sont recouvertes par un mince film aqueux. Au niveau de ce film existe un
interface entre une phase liquide (le film aqueux) et une phase gazeuse (le mélange
alvéolaire).
On peut comparer une alvéole, de forme quasi sphérique, à une boule d’air dans un verre
d’eau.
Son rayon varie de 0.05 mm à la fin de l’expiration à 0.1 mm à la fin de l’inspiration. La
tension superficielle qui règne à l’interface air – eau comprime une telle bulle pour réduire sa
surface. La différence de pression entre l’intérieur de l’alvéole et la cavité pleurale doit
respecter la loi de Laplace.
Comme dans le cas de l’alvéole, il y a donc une seule interface air liquide
2γ
∆ P =
r
Si le liquide physiologique qui recouvre nos membranes était purement aqueux (γ= 0.07
N/m), la différence de pression de part et d’autre de chacune des membranes alvéolaires serait
de l’ordre de 2800 Pa. Ce n’est pas le cas puisque cette différence est de 533 Pa. !

En réalité, cette surface entière est recouverte par un liquide physiologique aqueux, un
mélange de 90 pour cent d’eau et de 10 pour cent de sels minéraux et de phospholipides et de
protéines.
Ce surfactant pulmonaire est tensio-actif. Il est capable de modifier la tension superficielle du
liquide.
Calculons la valeur de la tension superficielle réelle à partir de la loi de Laplace,
γ = 533 x 0.05 x10 -3 /2=0.013 N/m.
Cette valeur est nettement inférieure à celle obtenue en l’absence de surfactant.
La quantité de surfactant reste constante à l’intérieur de chaque alvéole durant la respiration.
Lorsque le rayon de l’alvéole est petit, la surface de l’alvéole est petite et donc la
concentration en molécules de surfactant est élevée et la tension superficielle est très basse
puisque c’est la présence des molécules de surfactant qui diminuent la tension superficielle.
L’alvéole pulmonaire va pouvoir s’étendre facilement.
Lors de l’inspiration, l’ensemble poumon/paroi thoraco-abdominale s’agrandit.
L’augmentation de volume (V) est associée à une diminution de pression P puisque le produit
PV est constant (Loi de Boyle).
La pression alvéolaire diminue donc et un gradient de pression s’établit entre l’atmosphère et
les alvéoles permettant à l’air d’entrer dans les poumons.
A la fin de l’inspiration, la pression alvéolaire s’équilibre avec la pression atmosphérique
interrompant l’entrée d’air dans les poumons.
La différence avec la pression intra pleurale est alors de 850 Pa.
Le rayon de l’alvéole a augmenté ainsi que ∆P.
Pour que l’équation de Laplace reste vérifiée, il faut que la tension superficielle change.
γ doit valoir alors 850 x 0.1 x10 -3 /2=0.042N/m.
En effet, lorsque l’interface liquide-air augmente les molécules de surfactant sont moins
concentrées et la tension superficielle augmente.

Lors de l’expiration qui est un phénomène passif, les muscles se relâche et le volume diminue
ce qui a pour effet d’augmenter la pression intra-alvéolaire qui devient plus grande que la
pression atmosphérique et l’air sort des poumons. Le rayon de l’alvéole diminue.
Le nombre de molécules de surfactant par unité de surface devient d’autant plus grand que le
volume (donc la surface) de l’alvéole diminue. Ainsi, la tension superficielle au sein du film
alvéolaire diminue lorsque l’alvéole se contracte.
La carence en surfactant telle que l’on observe au cours de certaines détresses respiratoires du
nouveau né prématuré respiratoire des troubles de la ventilation majeurs.