TP virtuel de spirométrie : volumes et ventilation

Ce TP virtuel de spirométrie couvre les mesures de volumes pulmonaires des programmes d'IB, d'A-level et d'IGCSE Biology. Les élèves respirent dans un spiromètre virtuel, lisent sur le tracé le volume courant, les volumes de réserve inspiratoire et expiratoire et la capacité vitale, et calculent la ventilation pulmonaire au repos et à l'effort. Ils comparent ensuite des poumons sains à l'asthme et terminent par le test à l'eau de chaux sur l'air inspiré et l'air expiré. Personne ne partage d'embout buccal, et tous les nombres ci-dessous ont été lus dans la simulation.

Liens avec les programmes

• IB Biology B3.1 (échanges gazeux) : mesure des volumes pulmonaires, dont le volume courant, la capacité vitale et les volumes de réserve, et de la fréquence ventilatoire.
• AQA A-level Biology 7402, section 3.3.2 : ventilation pulmonaire = volume courant × fréquence ventilatoire, et interprétation de données de spiromètre, y compris pour des maladies pulmonaires.
• Cambridge IGCSE Biology 0610, topic 11.1 : effet de l'activité physique sur la fréquence et l'amplitude de la respiration, et l'eau de chaux comme test du dioxyde de carbone dans l'air inspiré et l'air expiré.

Simulic n'est pas affilié à l'IB, à AQA ni à Cambridge, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Demandez : « Un élève en bonne santé passe du repos à un effort modéré. Que deviennent son volume courant et sa fréquence respiratoire ? » Sur un lien de classe, c'est la question 1 ; la simulation se débloque une fois que les élèves ont répondu.

Protocole dans la simulation

1. Ouvrez l'onglet Spiromètre. Réglez Poumons sur Sains, laissez Fumeur décoché et réglez Activité sur Repos.
2. Attendez trois respirations calmes. La ligne sous le tracé affiche alors le volume courant (VC), la fréquence respiratoire et la ventilation pulmonaire.
3. Appuyez sur Inspirez à fond, puis expirez à fond (CV). Quand les boutons fonctionnent de nouveau, appuyez sur Expiration forcée (VEMS), puis sur Noter les résultats. Recopiez VRI, VRE et CV depuis la ligne sous le tracé.
4. Réglez Activité sur Effort modéré et refaites les étapes 2–3, puis sur Effort intense.
5. Réglez Poumons sur Asthme (bronchoconstriction) et Activité sur Repos, et recommencez.

Personne	Fréquence (par min)	VC (L)	Ventilation (L/min)	VRI (L)	VRE (L)	CV (L)	VEMS/CVF (%)
Sain, repos
Sain, effort modéré
Sain, effort intense
Asthme, repos

Résultats attendus

Chaque mesure au spiromètre comporte une erreur aléatoire de quelques pour cent : les valeurs sont donc des intervalles issus de plusieurs essais dans le navigateur.

Personne	Fréquence	VC (L)	Ventilation (L/min)	VRI (L)	VRE (L)	CV (L)	VEMS/CVF
Sain, repos	14	0,49–0,52	6,8–7,2	3,0–3,2	1,2	4,67–4,87	81–82 %
Sain, effort modéré	22	1,58–1,64	34,7–35,8	2,3–2,4	0,8	4,68–4,80	82–83 %
Sain, effort intense	31	2,50	77,0	1,5–1,6	0,7	4,80–4,84	81 %
Asthme, repos	20	0,44–0,46	8,8–9,2	2,8–2,9	0,9	4,13–4,21	60 %

• L'effort augmente à la fois l'amplitude et la fréquence : la ventilation est multipliée par cinq environ entre le repos et l'effort modéré. La capacité vitale ne change pas ; le volume courant supplémentaire est pris sur les volumes de réserve.
• L'asthme change à peine la CV, mais le VEMS tombe à 2,3–2,5 L, donc VEMS/CVF descend à 60 % : c'est le profil obstructif. À l'effort intense, la simulation indique que l'organisme a besoin de 92 L/min alors que les poumons ne peuvent ventiler que 71 L/min.
• Un fumeur en bonne santé a donné VEMS/CVF = 76 %.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Entre le repos et un effort modéré, que deviennent le volume courant et la fréquence respiratoire ?
2. Quels réglages doivent rester identiques pendant que vous comparez repos et effort ?
3. Quelle est la capacité vitale de la personne en bonne santé au repos ?
4. Combien de fois la ventilation à l'effort modéré est-elle plus grande qu'au repos ?
5. Expliquez pourquoi le volume courant et la fréquence respiratoire augmentent tous deux pendant l'effort.

Réponses pour l'enseignant : (1) Les deux augmentent. (2) Poumons (Sains) et Fumeur (décoché) ; seule l'Activité change. (3) Accepter 4,6–5,0 L. (4) Accepter 4,5–5,5 ; la plupart des groupes trouvent environ 5. (5) Dans les muscles qui se contractent, la respiration cellulaire s'accélère : ils ont besoin de plus de dioxygène et produisent plus de dioxyde de carbone. Une respiration plus ample et plus rapide augmente la ventilation et maintient des gradients de concentration élevés dans les alvéoles.

Idées fausses fréquentes

• « La capacité vitale augmente pendant l'effort. » La CV ne change pas ; le volume courant en occupe une plus grande part.
• « Expirer fait toujours travailler des muscles. » L'expiration calme est due au retour élastique. Seule l'expiration forcée utilise les muscles intercostaux internes et abdominaux.
• « L'asthme rend les poumons plus petits. » La CV change à peine. L'air sort lentement par des voies aériennes rétrécies, donc le VEMS baisse.
• « L'air expiré est surtout du dioxyde de carbone. » Le tableau de la simulation indique environ 4 % de CO₂ et 16 % d'O₂ dans l'air expiré.

Prolongement

• TP eau de chaux : ouvrez TP eau de chaux, choisissez une Vitesse de ×30 et appuyez sur Commencer à respirer. Au repos, le tube B (air expiré) s'est troublé après 21–23 s, alors que le tube A (air inspiré) était encore limpide après 900 s. Après un effort modéré, le tube A s'est troublé après 613–648 s ; après un effort intense, après 295–314 s.
• Modèle de la cloche : dans Mécanique ventilatoire, passez Modèle sur Cloche et listez ce que le modèle ne peut pas montrer.

Questions fréquentes

Le lien de classe peut-il s'ouvrir sur le spiromètre ?

Oui. Dans la page de partage, fixez Écran sur « Spiromètre » dans les valeurs de départ du lien. Vous pouvez aussi fixer Poumons, Fumeur et Activité. Sinon, l'étape 1 demande aux élèves d'ouvrir l'onglet.

Pourquoi les boutons de CV sont-ils grisés ?

Le spiromètre enregistre une respiration. Attendez que le tracé revienne à la respiration calme ; un bouton pressé pendant un enregistrement est ignoré.

Les élèves peuvent-ils mesurer le volume résiduel ?

Non. Un spiromètre n'enregistre que l'air qui entre et qui sort : le volume résiduel (VR) du tracé est donc une estimation, comme l'explique la note sous la simulation.

Simulations et guides associés

Appareils circulatoire et respiratoire – fréquence cardiaque pendant l'effort Voie de la respiration cellulaire – glycolyse, décarboxylation oxydative, cycle de Krebs, chaîne respiratoire et fermentation

Pour le dioxyde de carbone et les autres tests de gaz, voir le TP virtuel sur les tests de gaz. Pour mesurer la respiration elle-même, voir le TP virtuel du respiromètre.