Plongée et poumons : les contraintes physiologiques

Les activités subaquatiques regroupent l’ensemble des activités humaines qui se déroulent sous la surface de l’eau avec ou sans utilisation d’un équipement complémentaire. Ces activités peuvent se dérouler dans un cadre professionnel, militaire ou sportif et récréatif.

À côté de la plongée subaquatique d’exploration avec appareil respiratoire isolant autonome, de nombreuses autres activités peuvent être pratiquées parmi lesquelles la nage avec palmes, le hockey subaquatique, l’apnée avec différentes formes (en piscine statique ou dynamique, en milieu naturel lors de descentes à poids constant avec ou sans palme, poids variable non reconnu en compétition), le tir sur cible, l’orientation subaquatique, la plongée sportive en piscine, la photo-vidéo subaquatique.

Concernant la plongée subaquatique en scaphandre autonome, la pratique peut faire intervenir plusieurs techniques en fonction du mélange gazeux utilisé (air, nitrox, trimix) et du type d’appareil de plongée (circuit ouvert, recycleurs, etc.) et/ou du type d’activité (recherche archéologique, biologie marine, plongée souterraine) et enfin du caractère exceptionnel et extraordinaire de certaines plongées. Il s’agit le plus souvent de la recherche d’un exploit, physiologique ou/et technologique.

L’eau est par essence même un milieu dense, irrespirable et froid. L’immersion avec la température de l’eau et le séjour en profondeur soumettent l’organisme aux lois physiques qui les régissent. Ces contraintes liées à l’environnement sont les premières à avoir des conséquences physiologiques en particulier sur le poumon et la fonction respiratoire. Avec la pratique des activités subaquatiques (plongée sous-marine ou apnée verticale), le sujet est soumis aux contraintes liées à l’immersion, aux variations de pressions hydrostatiques ambiantes et enfin liées à l’équipement du sujet. Ces contraintes sur la fonction pulmonaire exposent le pratiquant au risque de survenue d’accidents de plongée dont certains sont de nature à engager le pronostic vital.

L’objectif du présent article et des suivants est de proposer au lecteur une analyse de l’ensemble de ces contraintes et d’envisager les modalités de prévention du risque de survenue d’un accident en rapport. Ainsi, les prochains articles aborderont les autres grandes fonctions physiologiques.

CONTRAINTES RESPIRATOIRES EN PLONGÉE SOUS-MARINE

Nous reviendrons dans une première partie sur les aspects de la respiration en pression atmosphérique (normobarie) et en ambiance sèche avant d’aborder les modifications en ambiance hyperbare et en immersion.

> Rappels anatomiques et physiologiques

Sur le plan anatomique, l’appareil respiratoire est constitué par les voies aériennes supérieures (VAS) avec le nez, les fosses nasales, la cavité buccale, le pharynx, le larynx et les voies aériennes inférieures. Ces dernières sont formées par les voies aériennes centrales (VAC) de la trachée jusqu’aux bronches d’un diamètre supérieur ou égal à 2 mm et les voies aériennes périphériques (VAP) avec les bronches ayant un diamètre inférieur à 2 mm.

L’inspiration est un phénomène actif, automatique mais volontaire qui fait appel à la contraction d’un muscle essentiel, le diaphragme. Ce muscle, en forme de double coupole, sépare la cavité thoracique de l’abdomen. Par sa contraction et grâce à ses insertions, il se produit une augmentation du volume de la cage thoracique. Cette augmentation crée un gradient de pression entre la pression atmosphérique et la pression à l’intérieur des alvéoles pulmonaires à l’origine d’une pénétration de l’air à l’intérieur de l’arbre bronchique. La contraction du diaphragme est couplée à une contraction des muscles intercostaux et parasternaux qui rigidifie la partie supérieure de la cage thoracique. Du fait de sa conformation géométrique et sa structure cartilagineuse, la cage thoracique emmagasine de l’énergie au cours de l’inspiration.

L’expiration est un phénomène passif grâce à l’énergie emmagasinée par la cage thoracique au cours de l’inspiration. On retrouve une diminution du volume à l’origine d’une élévation de la pression intrapulmonaire qui devient supérieure à la pression atmosphérique et permet la sortie de l’air (ou du mélange gazeux) vers l’extérieur. Cependant, le phénomène peut être actif, en cas de volonté de l’individu par la contraction des muscles abdominaux (grand droit, oblique externe et interne, transverse).

Au repos, l’inspiration dure en moyenne entre 1 à 2 secondes. Cette phase est immédiatement suivie par la phase expiratoire qui dure entre 2 à 3 secondes. Il existe une apnée expiratoire qui est due à la mécanique du bloc poumon-cage thoracique, qui est en phase d’équilibre entre les forces d’expansion thoracique et de rétraction pulmonaire. La fréquence respiratoire au repos varie de 12 à 14 cycles par minute, régulée par le système nerveux central.

Le centre nerveux du contrôle de la respiration est situé dans le bulbe rachidien. Il reçoit les informations sensitives afférentes, des différents types de récepteurs répartis le long de l’arbre pulmonaire (mécanorécepteurs sensibles à des stimuli mécaniques, chimiques et thermiques) qui auront un rôle important en plongée. Les voies neurologiques motrices sont des voies cholinergiques (système nerveux parasympathique), adrénergique (système nerveux orthosympathique), des mécanismes non cholinergiques et non adrénergiques. Le système parasympathique par son action est responsable d’un tonus parasympathique de repos.

La régulation de la respiration passe par des récepteurs sensibles en priorité à la pression artérielle en dioxyde de carbone (Pa CO₂), et plus précisément par une diminution du PH (acidose respiratoire) qui entraîne une augmentation de la fréquence respiratoire.