Espace mort et volume résiduel

Les échanges gazeux dans l'appareil respiratoire se font uniquement au niveau des alvéoles. Ainsi, le volume courant (V_T) comprend deux parties, l'une (V_A) venant de l'espace alvéolaire, l'autre (V_D) de l'espace mort.

L'espace mort représente le volume total de toutes les voies anatomiques conduisant l'air inspiré jusqu'aux alvéoles ; il ne participe pas aux échanges gazeux. La cavité buccale, les fosses nasales, le pharynx, la trachée et les bronches forment l'espace mort anatomique (EMA), dont le volume en ml est équivalent à deux fois le poids de l'individu (environ 150 ml). L'EMA fonctionne comme un conduit d'air dans lequel l'air est simultanément débarrassé (purifié) des particules de poussières, humidifié et réchauffé avant d'atteindre les alvéoles. Il contribue également à la parole, un peu comme une caisse de résonance qui détermine les caractéristiques de la voix. L'EMA est normalement grossièrement égal à l'espace mort fonctionnel; cependant quand les échanges gazeux sont diminués dans une partie des alvéoles, l'espace mort fonctionnel excède l'EMA. Le V_D peut être calculé à partir du contenu en CO₂ du gaz alvéolaire et du volume courant (V_T) au moyen de l'équation de Bohr.

Le volume courant V_T se compose du volume provenant de l'espace mort (V_D) et du volume alvéolaire (V_A). Dans chacun de ces trois volumes règne une certaine « concentration » fractionnaire de CO₂, à savoir F_ECO2 dans V_T, F_ACO2,dans V_A et la concentration fractionnaire de CO₂ dans l'air ambiant (F_ACO2 qui reste identique dans V_D. Le produit des volumes totaux et de la concentration fractionnaire de CO₂ correspondante donne la quantité de CO₂. La quantité de CO₂ dans le volume expiré est en outre égale à la somme des quantités de CO₂ dans les deux espaces V_A et V_D. Cependant le facteur F_ACO2, est faible et peut être négligé.

Pour calculer V_D, trois grandeurs doivent être mesurées :

1. V_T déterminé à l'aide d'un spiromètre.
2. F_ACO2, déterminé à partir de la fraction terminale du gaz expiré qui correspond au gaz alvéolaire, et
3. F_DECO2.

Quand VT = 0,5 I, F_ACO2, = 0,06 l/l (6 vol %) et F_ECO2 = 0,045 l/l (4,5 vol %), VD est de 0.15 I. Le rapport V_D/V_T est un index de « défaillance » ventilatoire (au repos il est de l'ordre de 0,2 à 0.3).

Le volume résiduel ou la capacité résiduelle fonctionnelle par exemple ne peuvent être mesurés à l'aide du spiromètre et doivent être déterminés indirectement.

On peut par exemple utiliser, comme traceur gazeux, de l'azote (N₂). La concentration fractionnaire de l'azote dans les poumons (F_LN2 ) est constante (≈ 0,80 = 80% du volume alvéolaire). On fait inhaler à un sujet un volume déterminé (V_B) d'un gaz qui ne contient pas d'azote et qui provient d'un récipient ; on fait ensuite expirer le sujet : l'azote se répartit dé façon homogène dans les poumons et dans le récipient. Comme l'ensemble du volume de N₂ n'a pas varié, on peut considérer que le volume de N₂ au début de l'épreuve (N uniquement dans les poumons) est égal au volume de N₂ à la fin de l'épreuve (N₂ dans les poumons et dans le récipient). V_L peut ensuite être calculé. Les grandeurs V_B et F_LN2 sont déjà connues et il reste donc à déterminer la concentration fractionnaire de N₂ à la fin de l'épreuve (F_XN2). Pour cela, on analyse le contenu du récipient une fois l'épreuve terminée. V_L est égal au volume résiduel (≈ 1,5 l), lorsqu'on débute à partir de la position d'expiration extrême, ou à la capacité résiduelle fonctionnelle (≈ 3 l) lorsque le thorax se trouvait initialement en position de relaxation.

Pour mesurer le volume résiduel ou la capacité résiduelle fonctionnelle, on peut aussi utiliser un mélange hélium-O₂ provenant du spiromètre. Au moment de l'inspiration ou de l'expiration, l'hélium se répartit dans les poumons. La dilution de l'hélium dans le spiromètre permet, de la même façon que dans la méthode avec l'azote, de déterminer le volume résiduel ou la capacité résiduelle fonctionnelle.

Ces techniques ne permettent d'enregistrer que les espaces pulmonaires qui sont ventilés, alors que la pléthysmographie permet le calcul du volume résiduel d'espaces pulmonaires remplis d'air et n'ayant pas de communication avec l'extérieur. La valeur du rapport du volume résiduel à la capacité pulmonaire totale revêt une importance clinique. Ce rapport est normalement de 0,25 au maximum. Dans l'emphysème, qui est une dilatation pathologique des alvéoles, ce rapport est supérieur à 0,55 et peut donc être considéré comme un reflet approximatif du degré de gravité de cette affection.