Cours de physiologie respiratoire

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Cours de physiologie respiratoire
UNIVERSITE HASSAN II MOHAMMEDIA FACULTE DES
SCIENCES ET TECHNIQUES DEPARTEMENT
DE BIOLOGIE MST TBA

• Professeur Taoufiq FECHTALI

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Plan

• Anatomie du système respiratoire
• Comment larchitecture du poumon contribue à sa
  fonction
• Ventilation
• Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
• Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
• Comment sorganise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
• Comment une combinaison harmonieuse entre débit
  gazeux et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
• Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
  périphériques
• Contrôle de la ventilation
• Comment les échanges gazeux sont réglés

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Anatomie du système respiratoire

• Inspiration
• Phénomène actif
• Mise en jeu de muscles
• Air aspiré dans les poumons dépression
  intrathoracique
• Ti/Te 0,8
• Expiration
• Phénomène passif
• Forces élastiques
• Forcée muscles abdominaux

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Anatomie du système respiratoire
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Voies aériennes

• Voies aériennes de conduction
• Trachée aux bronchioles terminales
• Dépourvues dalvéoles
• Amener lair inspiré
• Espace mort anatomique 150ml
• Zones respiratoires
• B. terminales aux B. respiratoires
• Acinus, alvéoles
• Zone déchanges gazeux
• 300 M dalvéoles, 140 m2, 2,5 à 3l

6
(No Transcript)
7
Anatomie du système respiratoire
8

• Barrière alvéolo-capillaire
• 0,3 à 1,5 µm dépaisseur
• Pneumocytes I et II
• Interstitium
• C endothéliale
• Stabilité de lalvéole
• 300 M dalvéoles de 0,3 mm de ?
• Surfactant

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Mécanismes de défense du poumon

• La grande surface de lorganisme exposée à
  lenvironnement extérieur
• Fonctions dépuration processus mécanique
• Particules inhalées filtrées par le nez ou
  piégées sur le film de mucus tapissant les voies
  aériennes
• Épuration mucociliaires et toux
• Défenses immunologiques processus cellulaire
• Action des immunoglobulines locales
• Macrophages alvéolaires
• Lymphocytes alvéolaires

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Vascularisation pulmonaire

• Circulation pulmonaire c. fonctionnelle
• Artères pulmonaires // aux bronches
• Capillaires réseau dense dans les parois
  alvéolaires
• Veines pulmonaires
• Circulation à basse pression
• Circulation bronchique c. nourrissière
• Irrigue les voies aériennes conductrices
  jusquaux bronchioles terminales
• Drainage par les veines pulmonaires
• Anastomoses avec circulation pulmonaire
• Circulation lymphatique

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Plan

• Anatomie du système respiratoire
• Comment larchitecture du poumon contribue à sa
  fonction
• Ventilation
• Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
• Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
• Comment sorganise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
• Comment une combinaison harmonieuse entre débit
  gazeux et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
• Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
  périphériques
• Contrôle de la ventilation
• Comment les échanges gazeux sont réglés

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Volumes pulmonaires et débits aériens
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Volumes pulmonaires statiques
Vt volume dair inspiré et expiré lors dun
cycle respiratoire normal VRI volume dair
supplémentaire inspiré lors dune inspiration
forcée VRE volume dair supplémentaire expiré
après une expiration normale CV volume maximum
dair mobilisable CRF volume dair restant au
décours dune expiration normale VR volume dair
restant au décours dune expiration forcée
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Méthode de dilution à lhélium
15
Pléthysmographe
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Volume expiratoire maximum seconde (VEMS)

• Volume expiré au cours de la 1ère seconde après
  le début dune expiration forcée maximum
• Dépend de leffort fourni (collaboration)
• Grosses voies aériennes
• DEM 25-75 débit aérien moyen entre 25 et 75 de
  la CV explore les petites voies aériennes

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Courbe débit-volume
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Tests pharmacodynamiques

• Mesure des débits aériens à létat basal et après
  inhalation de drogues
• ?-2
• Réversibilité si augmentation du VEMS gt 20 ou gt
  200 ml
• Métacholine
• Test de provocation si chute du VEMS gt 20 pour
  une dose lt à 1600 mcg de métacholine
• PD20 dose minimale de métacholine induisant une
  baisse de 20 du VEMS

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Expression des résultats

• Valeurs normales chez un homme de 40 ans mesurant
  1,75m
• CV (ml) 4900
• VRI (ml) 3000
• Vt (ml) 500
• VRE (ml) 1400
• CRF (ml) 3400
• VR (ml) 3400
• CPT (ml) 6900
• VEMS (ml) 3900
• VEMS/CV () 80
• DEM25-75 (l/s) 4,4

• Mesures en position assise
• Expression en
• valeur absolue (l ou ml)
• Pourcentages / aux valeurs théoriques (sexe, âge,
  taille, race)
• Ecart gt 20 pour affirmer que lépreuve est
  anormale

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Modifications pathologiques

• Syndrome obstructif
• Diminution des débits aériens
• Diminution du VEMS/CV gt 20
• Atteinte précoce du DEM25-75
• Réduction du VEMS tardive mais constituant un
  élément pronostique important
• Augmentation du VR, de la CRF de la CPT
• Syndrome restrictif
• Diminution harmonieuse des volumes (CV, VR, CPT,
  CRF)
• VEMS/CV normal

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Composition de lair atmosphérique et alvéolaire
AIR ATMOSPHERIQUE SEC 21 dO2 79 de N2 PatmO2
0,21 x 760 160 mmHg, PatmN2 600 mmHg
AIR INSPIRE TRACHEAL RECHAUFFE ET SATURE EN
VAPEUR DEAU PtrachO2 0,21 x (760 47) 150
mmHg PtrachN2 563 mmHg
AIR ALVEOLAIRE 14 dO2, 80,4 de N2, 5,6 de
CO2 PAO2 0,14 x (760 47) 100 mmHg PAN2
573 mmHg PACO2 40 mmHg
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Equation de lair alvéolaire

• PAO2 PiO2 PACO2 / R
• En pratique clinique
• PACO2 PaCO2
• R quotient respiratoire VCO2 / VO2 250/300
  0,8
• PiO2 150 mmHg
• PAO2 140 PaCO2

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Espace mort anatomique VD

• Ne participe pas aux échanges gazeux
• Zone de conduction ? 150 ml (2ml/kg)
• Rôle
• Réchauffer et humidifier lair inspiré
• Épurer lair inspiré des grosses particules
• En série entre la bouche et les alvéoles
• Altère lefficacité de la ventilation
• Une fraction de lair inspiré ne parvient pas aux
  alvéoles

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Ventilation alvéolaire et espace mort anatomique
25
Ventilation alvéolaire VA

• Fraction de la ventilation totale (VE) qui
  parvient aux alvéoles
• vt vA vD
• f . vt f . vA f . vD
• VA VE f . vD

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Equation de la Ventilation alvéolaire

• Aucun échange gazeux dans lespace mort
  anatomique
• Tout le CO2 expiré provient donc du gaz
  alvéolaire
• VCO2 VA . FACO2
• PACO2 K . FACO2
• VA 863 . VCO2 / PACO2
• VA 863 . VCO2 / PaCO2

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Plan

• Anatomie du système respiratoire
• Comment larchitecture du poumon contribue à sa
  fonction
• Ventilation
• Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
• Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
• Comment sorganise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
• Comment une combinaison harmonieuse entre débit
  gazeux et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
• Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
  périphériques
• Contrôle de la ventilation
• Comment les échanges gazeux sont réglés

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Loi de Fick
Surface membrane alvéolo-capillaire 140
m2 Epaisseur membrane alvéolo-capillaire 0,3 à
1,5 µm Diffusion passive
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Echanges gazeux le long du capillaire
Vt
PAO2 100 mmHg PACO2 40 mmHg
O2
CO2
PO2 40 mmHg PCO2 47 mmHg
PO2 100 mmHg PCO2 40 mmHg
Temps de transit 0,75 s
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Capacité de transfert du CO

• Coefficient de diffusion du CO voisin de celui de
  lO2
• Quantité de CO traversant la membrane
  alvéolo-capillaire par minute et pour une
  différence de pression partielle de 1 mmHg
• Le patient inspire un mélange gazeux contenant
  une concentration connue de CO (0,1-0,3) et
  dhélium (10)
• Apnée de 10 s puis expiration à la fin de
  laquelle est recueilli un échantillon de gaz
  alvéolaire
• Mesures des concentrations alvéolaires dhélium
  et de CO et de la durée de lapnée pour calculer
  le TCO
• Mesure rapportée à la surface déchange VA

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Echanges gazeux pathologiques

• Fibrose pulmonaire
• Épaississement de la membrane alvéolo-capillaire
• Diminution de la diffusion
• Hypoxémie
• Emphysème, BPCO
• Destruction parenchymateuse, membrane
  alvéolo-capillaire intacte
• Hypoventilation alvéolaire
• Hypoxémie, hypercapnie

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Plan

• Anatomie du système respiratoire
• Comment larchitecture du poumon contribue à sa
  fonction
• Ventilation
• Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
• Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
• Comment sorganise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
• Comment une combinaison harmonieuse entre débit
  gazeux et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
• Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
  périphériques
• Contrôle de la ventilation
• Comment les échanges gazeux sont réglés

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Vascularisation pulmonaire

• Circulation pulmonaire c. fonctionnelle
• Artères pulmonaires // aux bronches
• Capillaires réseau dense dans les parois
  alvéolaires
• Veines pulmonaires
• Circulation à basse pression
• Circulation bronchique c. nourrissière
• Irrigue les voies aériennes conductrices
  jusquaux bronchioles terminales
• Drainage par les veines pulmonaires
• Anastomoses avec circulation pulmonaire
• Circulation lymphatique

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Circulations pulmonaire / systémique
Basse pression 100 du DC Parois fines Travail du
VD faible Chute de pression dans les capillaires
Haute pression Parois épaisses Travail du VG
important Chute de pression en amont des
capillaires
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Organisation de la circulation pulmonaire

• Zone proximale
• Grosses artères élastiques (gt 500µm)
• Volume 150 ml
• Distensible, non résistive
• Chambre de compression énergie restituée pendant
  la diastole
• Rôle unique le transport

• Zone distale
• Petites artères musculaires et artérioles
• Peu distensible, très résistive barrage
• Fonctions multiples et complexes
• Échanges gazeux et de fluides
• Filtrage mécanique et métabolique
• Recrutement des populations cellulaires
  participant à la défense du poumon

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Pressions intravasculaires pulmonaires

• Pression artérielle pulmonaire
• Systole montée rapide jusquà 20 25 mmHg puis
  décroissance jusquà lincisure (fermeture
  valves). Dépend de laccélération du sang et de
  la distensibilité de la paroi
• Diastole ressaut dicrote puis décroissance
  jusquà 8 10 mmHg. Dépend des résistances
  périphériques à lécoulement
• Moyenne varie entre 10 et 17 mmHg, augmente
  avec lâge

37
Modifications pathologiques des pressions
intravasculaires pulmonaires
38
Pressions intravasculaires pulmonaires

• Pression veineuse pulmonaire
• Proche de la POG
• Faible amplitude des oscillations de pression (2
  4 mmHg)

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Pressions intravasculaires pulmonaires

• Pression capillaire pulmonaire
• Non mesurable directement
• Supérieure à la PAPO

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Pressions autour des vaisseaux pulmonaires

• Vaisseaux alvéolaires
• Capillaires
• Soumis à la pression alvéolaire
• Ouverts si Pim gt Palv

• Vaisseaux extra-alvéolaires
• Vaisseaux intraparenchymateux
• Soumis à la pression pleurale
• Calibre déterminé par les tractions du
  parenchyme

41
Distribution du débit sanguin pulmonaire
West JB J Appl Physiol 1964
42
Résistances vasculaires pulmonaires

• Loi de Poiseuille
• R (Pentrée Psortie) / Q 8.l.? / ?.r4
• RVP (PAP POG) / Q
• RVP (15 5) / 6 1,7 mmHg/l/mn

Q
Pentrée
Psortie
P
R
Q
43
Résistances vasculaires pulmonaires
44
2 mécanismes sont responsables de la diminution
des RVP quand les pressions augmentent
45
Résistances vasculaires pulmonaires
46
Equilibre hydrique du poumon
Equation de Starling Qfilt K (Pcap Pint) - ?
(?cap - ?int)
interstitium
alvéole
Pcap 7 ?cap 28
Pint -5 ?int 17
Palv tension de surface (surfactant) -5
1 cmH2O
capillaire
lymphatique
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Oedèmes pulmonaires

• Œdème hydrostatique OAP cardiogénique
• Pcap passage deau petites molécules
• Dilution des protéines interstitielles (?cap -
  ?int)
• Laugmentation du gradient osmotique soppose à
  la fuite liquidienne initialement
• Passage de fluide dans lespace alvéolaire OAP
• Œdème de perméabilité œdème lésionnel
• Modification des propriétés intrinsèques de la mb
• K et ?
• Disparition du gradient osmotique

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Vasoréactivité pulmonaire

• Facteurs passifs
• Pression dans lOG
• DC
• Volume pulmonaire
• Facteurs actifs
• Contrôle nerveux
• Médiateurs moléculaires

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Augmentation de la vasoréactivité pulmonaire

• Système nerveux sympathique
• Endothéline
• Angiotensine
• Leucotriènes
• Thromboxane A2
• Sérotonine
• Hypoxémie

50
Diminution de la vasoréactivité pulmonaire

• Système nerveux para-sympathique
• Prostacycline (PgI2)
• Bradykinine
• Monoxyde dazote (NO)

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Vasoconstriction pulmonaire hypoxique

• Circulation pulmonaire seule circulation dotée
  de vasoconstriction hypoxique
• Contraction du muscle lisse des artérioles
  pulmonaires perfusant la zone hypoxique
• Redistribution du sang vers les zones les mieux
  ventilées
• Préserve les échanges gazeux
• HTAP hypoxiques (BPCO, fibroses...)

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Vasoconstriction pulmonaire hypoxique
HYPOXIE
K
Dépolarisation
Kv
Ca2
CONTRACTION
53
HYPOXIE

• EXPRESSION DE GENES
• Glycolyse anaérobie et néoglucogenèse
• Érythropoïétine
• Angiogenèse (VEGF...)
• NOSi, hème oxygénase...
• Facteur HIF se fixe sur séquence HRE du promoteur

• VASOCONSTRICTION
• Fermeture canaux Kv
• Dépolarisation CML
• Entrée de Ca2

PROLIFERATION CML REMODELAGE VASCULAIRE
PULMONAIRE HTAP
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Plan

• Anatomie du système respiratoire
• Comment larchitecture du poumon contribue à sa
  fonction
• Ventilation
• Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
• Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
• Comment sorganise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
• Comment une combinaison harmonieuse entre débit
  gazeux et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
• Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
  périphériques
• Contrôle de la ventilation
• Comment les échanges gazeux sont réglés

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Rapports ventilation-perfusion
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Rapports ventilation-perfusion
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Plan

• Anatomie du système respiratoire
• Comment larchitecture du poumon contribue à sa
  fonction
• Ventilation
• Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
• Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
• Comment sorganise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
• Comment une combinaison harmonieuse entre débit
  gazeux et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
• Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
  périphériques
• Contrôle de la ventilation
• Comment les échanges gazeux sont réglés

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Oxygène dissout

• Loi de Henry le volume de gaz dissout est
  proportionnel à la pression partielle de ce gaz
• 1 à 2 de lO2 transporté par le sang
• O2 dissout (ml/100ml) 0,003 x PO2 (mmHg)

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Oxygène combiné à lhémoglobine

• Hémoglobine
• Protéine, PM 64500 Da
• 4 chaines polypeptidiques (HbA 2 ß et 2 ?)
• 1 atome de fer Fe 2
• Oxydation en Fe 3 méthémoglobine incapable de
  fixer lO2
• Fixe 4 molécules dO2
• Transition allostérique 1ère molécule dO2
  fixée facilite la fixation de la suivante

60
Oxygène combiné à lhémoglobine

• Combinaison réversible
• Hb O2 HbO2
• PO2 élevée (capillaires pulm) fixation O2 à lHb
• PO2 basse (capillaires tissulaires) libération
  dO2
• P50 PO2 pour laquelle SO2 50
• 27 mmHg

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Oxygène combiné à lhémoglobine

• Effet Bohr
• Hb O2 HbO2 H
• pH modifie laffinité de lHb pour lO2
• Acidose déplace vers la droite la CDO et augmente
  la P50
• Alcalose effet inverse

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Oxygène combiné à lhémoglobine

• Effet du CO2
• Hypercapnie déplace la CDO vers la droite et
  augmente la P50
• Par effet Bohr baisse du pH en cas dhypercapnie
• Effet spécifique synthèse de carbamates
  augmente la stabilité de la désoxy-Hb
• Hypocapnie effet inverse

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Oxygène combiné à lhémoglobine

• Effet du 2,3-DPG
• Métabolite érythrocytaire dune voie de la
  glycolyse
• Réduit laffinité de lHb pour lO2
• Abaissement du pH
• Stabilisation de la désoxyHb
• Déplacement de la CDO vers la droite

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Capacité, contenu et différence artério-veineuse
en O2

• Pouvoir oxyphorique de lHb
• Volume dO2 (ml STPD) que peut fixer 1g dHb
  1,34
• Contenu en oxygène
• CO2 (ml/100ml) PO x Hb x SO2 0,003 x PO2
• Différence artério-veineuse en oxygène
• DAVO2 (ml/100ml) CaO2 CvO2 4 à 5
• Consommation tissulaire doxygène
• VO2 (mlSTPD/min) DAVO2 x Q x 10 250
• STPD Standard,T,P760mmHg,Dry

65
CO2 dissout

• 20 à 25 fois plus soluble que lO2
• 5 du CO2 sanguin total
• CO2 dissout PO2 x 0,03
• CO2 dissout vrai
• Acide carbonique (très faible)

66
CO2 combiné

• Bicarbonates
• Carbamates
• Effet Haldane

67
Respiration cellulaire consommation dO2

• 4 étapes
• Dégradation oxydative du glucose (glycolyse
  anaérobie), ?-oxydation des acides gras, oydation
  des acides aminés 25 de lénergie totale
• Décarboxylation et oxydation des radicaux formés
  dans le cycle de Krebs 75
• Libération de CO2, dions H et délectrons
• Transfert des H et des électrons par la chaine
  respiratoire des transporteurs délectrons
  jusquà lO2 moléculaire
• Stockage de lénergie libérée en ATP ou
  phosphocréatine musculaire
• Au repos VO2 140 ml/m2 chez lhomme 130 ml/m2
  chez la femme
• A lexercice x par 10-15 la valeur basale
• Très variable dun viscère à lautre

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Plan

• Anatomie du système respiratoire
• Comment larchitecture du poumon contribue à sa
  fonction
• Ventilation
• Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
• Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
• Comment sorganise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
• Comment une combinaison harmonieuse entre débit
  gazeux et sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
• Comment les gaz sont acheminés vers les tissus
  périphériques
• Contrôle de la ventilation
• Comment les échanges gazeux sont réglés

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Contrôle de la ventilation
Glosso-pharyngien pneumogastrique
Centres de contrôles

• Bulbe rythme
• Protubérance
• Cortex volonté

Récepteurs
Effecteurs

• Récepteurs bronchopulmonaires
• Distension (baisse de la FR)
• Irritation (augmentation FR, toux,
  bronchoconstriction)
• Récepteurs J cloisons alvéolaires (augm FR,
  bronchoconstr)
• Récepteurs nasaux
• irritation
• Chémorécepteurs centraux
• Bulbe dans des zones différentes des centres
  respiratoires
• Sensibles variations locales de H dans le LCR
  transmises par les variations de PaCO2
  augmentation augm FR
• épuisable
• Chémorécepteurs périphériques
• Bifurcation carotidienne / sous la crosse de
  laorte
• Sensibles variations de PaO2, réponse
  ventilatoire hyperbolique, potentialisée par
  variations de PaCO2
• Épuisable (altitude)

1. Muscles respiratoires