Qualité mécanique de la ventilation non invasive

Le 13/12/2011

Christophe Letellier  •  ico

La ventilation non invasive est un mode de ventilation appliquant successivement une pression inspiratoire (typiquement autour de 15 mbar) et une pression expiratoire (aux environs de 4 mbars) selon un cycle qui idéalement doit se superposer au cycle ventilatoire spontané. Elle permet de réduire la charge des muscles respiratoires et, par conséquent, de réduire le travail inspiratoire des patients atteints d’insuffisance respiratoire chronique. Typiquement, ces patients se répartissent en deux classes : les obstructifs (comme les fumeurs) et restrictifs (obèses). Malheureusement, l’effort inspiratoire du patient n’est pas toujours suivi par un déclenchement du ventilateur et des asynchronismes apparaissent. Si la sémiologie de ces asynchronismes est assez bien développée, leur origine est encore source de nombreuses interrogations auxquelles il est important de répondre pour optimiser la synchronisation patient-ventilatoire. En effet, lorsqu’ils sont trop fréquents, ces asynchronismes peuvent conduire au rejet de la ventilation. Aussi, nous [1] avons développé une estimation de la qualité de la synchronisation entre patient et ventilateur.

De manière à disposer d’une analyse sur des périodes suffisamment longues – typiquement une nuit, soit 5000 cycles – nous avons développé un algorithme d’identification automatique des asynchronismes à partir de mesures non invasives (débit et pression). Par ailleurs, le portrait de phase reconstruit à partir du débit permet une estimation globale de la qualité mécanique de la ventilation ; en effet, la présence de cycle non déclenchés, c’est-à-dire d’asynchronismes, induit une double structure au portrait de phase (Fig. 1). Puisque représenté en temps réel, le portrait de phase constitue déjà un outil d’aide au diagnostic rapide [2]. Fig. 1

De manière à quantifier la qualité mécanique de la ventilation, nous avons utilisé les digrammes de récurrences (introduits par Eckmann & Ruelle en 1986) : typiquement, deux points sont dits récurrences s’ils sont à une distance inférieure à un seuil donné ; dans le cas contraire, ils sont dit non récurrents. Les points sont comparés deux à deux et un digramme de récurrences est tracé en comparant chaque point à tous les autres (Fig. 2). Lorsque deux points sont récurrents, la case correspondante du diagramme est noircie. La diagonale – comparant chaque point à lui-même – est donc nécessairement noire. Des petits segments diagonaux noirs correspondent donc à des récurrences soutenues. Les diagrammes de récurrence permettent donc de visualiser les propriétés de récurrence – régularité – de la dynamique. Les diagrammes de récurrences correspondant aux deux portraits de phase précédents (Fig. 1) révèlent aisément la présence des asynchronismes par un allure plus désordonnée alors que l’absence d’asynchronismes se traduit par un diagramme présentant de grandes zones noires. Fig. 2

Il est possible de quantifier ces diagrammes de récurrences par une entropie de Shannon directement calculées à partir de ceux-ci [3]. L’entropie de Shannon ainsi obtenue est relativement facile à obtenir. Elle est directement liée au taux d’asynchronismes. Une entropie de Shannon inférieure à un implique un taux d’asynchronisme sans conséquence sur la réception de la ventilation. Une deuxième caractéristique est importante dans la qualité mécanique de la ventilation : la régularité du rythme respiratoire. Un diagramme de récurrence peut être également construit sur la durée du rythme respiratoire ; il se révèle être de structure différente de celui obtenu à partir de la pression maximale. Quantifier le taux d’asynchronismes n’est donc pas nécessairement équivalent à quantifier la régularité du rythme respiratoire. Nous avons donc introduit une cartographie en associant un point défini à chaque enregistrement et dont les coordonnées sont respectivement l’entropie de Shannon calculée à partir de la pression maximale et celle calculée sur la durée du cycle respiratoire (Fig. 3). Quatre classes caractérisant les interactions patient-ventilateur sont ainsi identifiées :

  • sans asynchronismes et rythme très régulier : qualité optimale ;
  • sans asynchronisme et rythme très irrégulier : patient se « battant » contre son ventilateur ;
  • avec asynchronisme et rythme très régulier : patient habitué à la ventilation « absorbant » les dysfonctionnements du ventilateur ;
  • avec asynchronismes et rythme très irrégulier : patient novice ou défaut de réglage du ventilateur.
    Cette cartographie devrait donc permettre une classification des interactions patient- ventilateur et l’élaboration d’une stratégie de contrôle du ventilateur pour améliorer la qualité mécanique de la ventilation non invasive [4]. Fig. 3

[1] Collaboration avec le service de pneumologie de l’hôpital de Bois-Guillaume, du CHU de Rouen dirigé par J.-F. Muir, ADIR Association.

[2] L. Achour, C. Letellier, A. Cuvelier, E. Vérin & J.-F. Muir, Asynchrony and cyclic variability in pressure support noninvasive ventilation, Computer in Biology and Medicine, 37 (9) :1308-20, 2007.

[3] H. Rabarimanantsoa, L. Achour, C. Letellier, A. Cuvelier & J.-F. Muir, Recurrence plots and Shannon entropy for a dynamical analysis of asynchronisms in mechanical non-invasive ventilation, Chaos, 013115, 2007.

[4] A. Cuvelier, L. Achour, H. Rabarimanantsoa, C. Letellier, J.-F. Muir & B. Fauroux, A noninvasive method to detect ineffective triggering during pressure support ventilation, Respiration, 80, 198-206, 2010.

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