Brevet FR2517961A1 — publié le 19830617

La présente invention a pour objet un perfection- nement aux respirateurs ou ventilateurs artificiels et plus particulièrement un nouvel appareillage destiné à faciliter le sevrage des malades soumis à l'assistance ventilatoire et la surveillance des modes de ventilation spontanée (VS-CPAP- IMV) Elle vise également un nouveau mode opératoire de com- mande de la respiration artificielle. Il existe actuellement des systèmes permettant la ventilation de la demande au cours du sevrage des malades soumis à l'assistance ventilatoire pour un épisode d'insuf- fisance respiratoire aiguë Parmi ces systèmeson connait notamment: la mise en ventilation spontanée avec utilisa- tion du respirateur qui délivre au malade un mélange gazeux, à concentration en oxygène, température et humidification constantes La spirométrie peut être surveillée En cas d'apnée (absence de respiration) le ventilateur reprend la commande après un délai constant L'adjonction d'une pression positive résiduelle est possible; elle est dénommée couramment CPAP, d'après l'appellation en anglais: Continuous Positive Airway Pressure. l'utilisation du Trigger ou ventilation auto- déclenchée, le malade maitrisant la fréquence de fonctionne- ment du respirateur. la ventilation intermittente à la demande qui permet une assistance ventilatoire partielle à raison de n cycles spontanés pour 1 cycle controlé ( 2/1, 3/1, 4/1, etc). Ce système peut fonctionner sur un mode synchrone ou non synchrone Il est désigné couramment IMV, d'après l'appella- tion en anglais: Intermittent Mandatory Ventilation. la ventilation forcée déterminée dans laquelle est définie une spirométrie de base que le malade doit dépas- ser en ventilation spontanée Si la spirométrie spontanée du malade est inférieure à une limite que le médecin peut fixer, le ventilateur reprend la commande Ce système est désigné habituellement par MMV, également d'après l'appellation en anglais: Minute Mandatory Ventilation. Aucun de ces systèmes n'est pleinement satisfai- sant En effet, aucun d'entre eux ne tient compte de l'ef- ficacité de la ventilation spontande du malades Conformément à la présente invention, la ventila- tion est asservie à la teneur en gaz carbonique du gaz expiré par le patient Selon la présente invention, on adjoint à un respirateur artificiel une cellule d'analyse de la teneur en CO 2 du gaz expir 6, un capnigraphe, appareil qui reçoit de la cellule la teneur en CO 2 et la transforme en un signal électrique analogique, et un module de ventilation à la de- mande asservie à la teneur en C 02, appareil qui reçoit le signal analogique du capnigraphe et qui commande la marche du ventilateur. La cellule et le capnigraphe sont des appareils connus, disponibles dans le commerce Le module est nouveau et constitue une caractéristique importante de la présente invention. Le système selon l'invention, qui comporte ainsi un procédé et lun dispositif, tient compte de l'efficacité respiratoire du malade et permet le sevrage dans des condi- tions de sécurité maximum, pour le minimum d'intervention du personnel soignant. D'autres caractéristiques de l'invention apparal- tront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif en regard des dessins ci-joints et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les dessins montrent: figure 1: un schéma général du dispositif selon l'invention; figure 2: une représentation d'un signal analo- gique délivré par le capnigraphe; figure 3: un schéma bloc du module selon l'inven- tion; figure 4: un schéma complet avec indication des composants du module de la figure 3, figure 5: une représentation de l'évolution de la pression partielle de C 02 dans le sang (Pa CO 2) au cours d'une journée, avec utilisation du dispositif selon l'in- vention, et figure 6: une représentation du signal de sortie du capnigraphe au cours d'une séquence de sevrage progressif avec passage en mode à ventilation intermittente (IMV). Dans la suite de la description, on décrira l'em- ploi d'éléments bistables qui peuvent prendre deux états un état bas, ou zéro et un état haut, ou un On utilisera pour simplifier les expressions zéro et un sans y attribuer un caractère limitatif. Comme on peut le voir sur la figure 1, un dispo- sitif selon l'invention comporte un ventilateur, ou respi- rateur artificiel 1, qui peut être d'un type quelconque, branché sur un patient au moyen d'une sonde d'intubation, de trachéotomie, ou moins souvent d'un masque 2, alimenté par un conduit d'inspiration 3 et un conduit d'expiration 4. Sur l'espace mort d'appareillage (partie du circuit balayée alternativement par le gaz inspiré et par le gaz expiré) est placée une cellule 6 d'analyse du Co 2, connectée par une ligne 7 à un capnigraphe 8 Celui-ci est connecté par une ligne 9 à l'entrée A du module il de ventilation à la demande (M.V CO 2, d'après l'appellation en langue anglaise Mandatory Ventilation), dont la sortie B est connectée par une ligne 12 au ventilateur 1. L'appareil peut s'adapter à tous les ventilateurs modernes, possédant un mode de fonctionnement spontané La capnigraphie est recueillie au niveau de l'espace mort d'ap- pareillage (figure 1) La concentration maxima (en fin d'ex- piration) de CO 2 expiré par le malade (FCO 2 ET; ET = End Tidal ou fin de cycle) est la valeur constamment surveillée. La figure 2 représente le signal analogique de sortie du capnigraphe Pendant l'inspiration, la concentra- tion en CO 2 est nulle Chaque dent de la courbe représente une période d'expiration: la concentration est maximum en fin d'expiration. Le médecin détermine deux fourchettes de surveil- lance; la première entre un seuil minimum et maximum: c'est la fourchette no 1 (Fl) -figure 2 dite de ventilation spon- tanée; la seconde entre le même seuil minimum et un seuil intermédiaire inférieur au seuil maximum, c'est la fourchet- te n 2 (F 2), dite de ventilation contrôlée. Le seuil maximum (FCO 2 max) est calculé par la dif- férence entre PCO 2 ET (pression partielle du CO 2 expiré de fin d'expiration) et la pression partielle de CO 2 dans le sang artériel (Pa CO 2) Ce gradient est une caractéristique du malade au moment du sevrage (Le sevrage est la période d'enlèvement du ventilateur à partir du moment o le patient a une respiration autonome acceptable) Il nécessite une analyse des gaz du sang artériel pour sa détermination. =PC 02 ET PCO 2 ET = FCO 2 ET x (PB PBH 20) ou FCO 2 ET (PB PBH 20) PCO 02 ET = Pa CO 2 -(Pa CO 2 PCO 02 ET) o PB est la pression barométrique et PBH 20 est la pression partielle de vapeur d'eau, FCO 2 ET la concentration en CO 2 du gaz expiré en fin d'expiration, PCO 2 ET la pression par- tielle du CO 2 du gaz expiré en fin d'expiration, Pa CO 2 la pression partielle du CO 2 dans le sang. Par exemple, si l'on désire que la Pa CO 2 du malade ne dépasse pas 45 mm Hg, pour un gradient de 12 mmg PCO 2 ET = 33 mm Hg = 45 12 FCO 2 ET = 33/730 pour PB = 760 et PBH 2 O = 47 à 37 "C FCO 2 ET = 4,52 % Le seuil maximum de FCO 2 max sera fixé à 4,5 %. Le seuil-minimum (FCO 2 min) est toujours supérieur à 1 % de C 02 Il permet la reprise de la commande par le ven- tilateur en cas d'apnée, de défaillance cardio-circulatoire aiguë, d'arrêt cardiaque ou de tachycardie très importante. Le seuil intermédiaire(FCO 2 int) est toujours com- pris entre le FCO 2 max et FCO 2 min Il est nécessaire que, dans le mode de ventilation contrôlée FCO 2 ET soit compris entre FCO 2 min et FCO 2 int. A la mise en route du système, le malade est en ventilation contrôlée et les valeurs de FCO 2 min et de FCO 2 int sont déterminées; puis le malade est mis en ventilation spon- tanée et FCO 2 max est déterminée. Tant que le malade présente une ventilation satis- faisante avec FCO 2 min et d'une durée supérieure à une période dont la durée varia- ble peut être fixée par exemple à 15 ou 20 S (temps de tem- porisation Tl) En ventilation contrôlée FCO 2 ET diminue ra- pidement et doit se situer à nouveau entre FCO 2 min et FCO 2 int. FC 02 min deux seuils pendant une période pouvant être fixée par exem- ple à 5 mn (temps de temporisation T 2), l'appareil enclenche alors le mode de ventilation spontanée Tl et T 2 sont régla- bles dans leur durée de façon interne à l'appareil Entre la fin de Tl et la fin de T 2 (figure 2) la ventilation est contrôlée, en dehors de cette période, elle est spontanée. Toute absence de cycle, apnée en inspiration ou en expiration, enclenche automatiquement le mode de ventila- tion contrôlée après un temps égal à Tl - Toute panne du capnigraphe, toute absence d'ali- mentatibn du système enclenche également le mode contrôlé, de même que l'arrêt volontaire de l'appareil, ou par défaut d'alimentation. L'appareil dispose d'une commande mise en attente (stand by) 56, figure 3, qui suspend son fonctionnement du- rant les aspirations et soins du malade Le mode ventilation contrôlée est alors adopté L'arrêt de la position "stand by" fait redémarrer le système dans le mode qui était le sien avant la suspension. La figure 3 représente le schéma de principe du module 11 de la figure 1 Le signal CO 2 provenant du capni- graphe 8 est délivré au point A A titre d'exemple commode, une concentration de 1 % de CO 2 peut être représentée par une tension de 1 volt Le module comporte une alimentation 25 avec un détecteur de pannes secteur 26, et une commande ma- nuelle 27 On peut avantageusement prévoir un affichage 28 de la teneur en CO 2 Le module comporte trois détecteurs de seuil: un détecteur de seuil maxi D 1, un détecteur de seuil mini D 2 et un détecteur de seuil intermédiaire D 3 o Dans une forme de réalisation de l'inventionces détecteurs peuvent être des bascules qui prennent sur leurs sorties l'état zéro quand la tension a l'entrée est supérieure à la tension choi- sie, et l'état un, quand la tension d'entrée est inférieure. La sortie B du module est branchée sur la connexion 51 au respirateur, reliée à travers la mémoire 49 (mise en mémori- sation de l'état du respirateur) à la bascule de commande 35, 36: 35 mise en marche du respirateur, 36 mise A l'arrêt du respirateur Seuls les états zéro font changer la position de la bascule 35, 36. Les détecteurs D 1, D 2, D 3 sont connectés chacun à une temporisation T 1, T 2, T 3. T 1 est connecté, à travers une bascule B 3 a l'entrée 32 d'une porte ET 37 dont la sortie 38 est connectée à la mise en mar- che 35. T 2 est connecté à l'entrée 33 de la porte 37 et T 3 est connecté par la ligne 39 à la mise à l'arrêt 36. La commande manuelle 27 est connectée à l'entrée 31 de la porte 37 Si les trois entrées 31, 32, 33 de la porte 37 sont à l'état un,la sortie 38 està l'état un, ce qui n'a pas d'ac- tion sur la mise en marche Si une des entrées 31, 32, 33 est à l'état zéro, la sortie 38 està l'état zéro, ce qui dé- clenche la mise en-marche 35 du respirateur Quand Dl passe à l'état zéro (dépassement de FCO 2 max) T 1 prend l'état un pour (par exemple) 15 s Quand D 2 passe à l'état zéro (dépas- sement de FCO 2 min) T 2 prend l'état un pour 15 s Si D 2 garde l'état un, c'est-à-dire si FCO 2 min n'est pas atteint pendant s, T 2 passe à l'état zéro ce qui déclenche la mise en mar- che (dès qu'une des entrées 31, 32, 33 est a l'état zéro), ce qui déclenche l'alarme sonore 50, à travers la mémoire 49 La mise en marche du respirateur déclenche par la ligne 40 une impulsion qui met T 3 à l'état un pour une série de 5 mn (par exemple) L'état zéro de D 3 (dépassement de FCO 2 int) maintient chaque fois T 3 à l'état un pour Smn Si pendant 5 mn T 3 ne reçoit rien de D 3 (pas de dépassement de FCO 2 int, D 3 reste à l'état un) T 3 passe à l'état zéro, ce qui commande l'arrêt 36 du respirateur Deux bascules Bl et B 2 sont montées com- me représentées Dl est connectée sur la remise à zéro de Bl par la ligne 44, Tl est connectée à l'entrée D de Bi, dont la commande C est connectée par la ligne 41 à la sortie de D 2 La sortie S de Bl est connectée à l'entrée D de B 2 dont la commande C est connectée par la ligne 42 également à la sortie de D 2 La remise à un de B 2 est connectée par la ligne 43 à la remise à zéro automatique 45 La sortie S de B 2 est connectée à l'entrée D de B 3 dont la commande C est connectée par la ligne 46 à Tl La remise à un de B 3 est connectée par la ligne 47 à la sortie S de B 2, la ligne 47 étant connectée aussi à la remise à zéro de Tl La-sortie S de B 3 est con- nectée à l'entrée 32 de la porte 37 Les bascules sont réglées de la façon suivante Pour Bl, un état zéro de D 2, par la ligne 41 fait passer en S l'état de D Pour B 2, un état un de D 2, par la ligne 42 fait passer en S l'état de D Pour B 3, Tl envoie une impulsion sur la commande C à la fin de la période de temporisation de 15 S de Tl Cette impulsion fait passer à S l'état de D. Le module fonctionne de la façon suivante. A la mise en route de l'appareil, le système de Raz automatique envoie une impulsion sur la remise à un de la basm Ue B 2 dont la sortie prend l'état un, cette sortie commande la remise à un de la bascule B 3 et la remise à zéro du temporisteur Tl, la bas- cule 3 prend donc sur sa partie l'état un, Tl l'état zéro. l'entrée du temporisateur T 2 qui prend l'état un sur sa sortie pour 15 s. la remise à zéro du temporisateur T 3 qui prend sur sa sortie l'état zéro. le remise à zéro de la mémoire du stand by 46. Donc à la mise en route de l'appareil on a B 3 = 1 T 2 = 1 T 3 = O Comme seuls les états zéro font changer de posi- tion la bascule de mise en marche ou de mise à l'arrêt du respirateur, au départ on a arrêt du respirateur (T 3 = 0). Si au bout de 15 S T 2 n'a pas reçu d'-impulsion sur son entrée venant de D 2, celui ci passe à l'état zéro et le respirateur se met en fonctionnement, dès l'instant o celui-ci se met en marche; T 3 reçoit une impulsion et temporise pour un temps réglé par exemple à 5 mn. Si au bout de 5 mn celui-ci n'a plus reçu d'im- pulsion venant de D 3 ou d'un second ordre éventuel de mise en marche du respirateur, la sortie de T 3 passe alors à zéro et on a arrêt du respirateur. La détection maxi s'opère comme suit Au moment ou FCO 2 max est dépassé, D 1 prend l'état zéro, T 1 passe à un pour 15 S et Bl est mise à zéro par la ligne 44 A la fin de l'expiration commence la période d'inspiration suite avec FCO 2 = O donc les trois détecteurs prennent l'état un L'état un de D 2 est appliqué par les lignes 41 et 42 sur les entrées C de Bl et B 2 Cela n'a aucun effet sur Bl qui n'est sensible qu'à un état zéro, mais B 2 est sensible à l'état un Comme la sortie S de Bl est àl'état zéro, qui est appliqué à l'en- trée D de B 2, cet état est transmis à la sortie S de B 2 par le passage à l'état un de D 2 A la remontée due à l'expira- tion suivante, D 2 reprend l'état zéro ce qui fait prendre à la sortie S de BE l'état de T 1, c'est-à-dire un. Deux cas peuvent se présenter: 1) on refranchit le seuil Dl: Bl est remis à zéro, puis on repasse sous le seuil D 2, la sortie S de B 2 prend l'état de B 1, c'est-à-dire zéro, qu'elle avait déjà. Cet état zéro est appliqué à l'entrée D de B 3 mais n'est pas transmis à la sortie qui reste à l'état un Donc chaque fois que FCO 2 franchit seuil maxi, seuil mini, seuil maxi etc l'opération se répète pendant tout le temps de la temporisa- tion de T 1 T 2 est à l'état unla commarde manuelle aussi en l'absence d'actionnement, les trois entrées 31, 32, 33 de la bascule 37 étant à l'état un, celle ci ne déclenche pas la mise en marche 35 du respirateur Au moment o T 1 revient à zéro, il envoie une impulsion sur la commande C de B 3,ce qui fait passer la sortie S de B 3 a l'état de D, c'est-à- dire l'état S de B 2 qui reste à zéro Le passage de la sortie S de B 3 a l'état zéro commande la mise en marche du respirateur. 2) on ne refranchit pas le Dl au cours de la tem- porisation de Tl mais on franchit le seuil D 2 Bl n'est pas remise à zéro; B 2 prend alors l'état un quand D 2 prend l'état un ce qui, par la ligne 47, met la sortie B 3 à l'état un et remet à zéro Tl Rien ne se passe et le respirateur reste à l'arrêt. En résumé, si Dl est franchi entre un franchisse- ment vers le haut et un franchissement vers le bas de'D 2, B 2 reste à l'état zéro et le respirateur se met en marche au bout du temps Tl Mais si D 2 est franchivers le haut, puis vers le bas, sans que Dl ait été dépassé, B 2 se met à l'état un lors du passage de D 2 vers le bas Si B 2 est à l'état un à la fin de Tl, il n'y a pas mise en route du res- pirateur. En cas de coupure secteur ou de mise en stand by par la commande 56, l'état du respirateur est mis en mémoire en 49 et est restitué lorsque le secteur revient ou lorsque l'on relâche le bouton stand by. La figure 4 représente un exemple de montage pra- tique avec les signes conventionnels et les valeurs des com- posants L'homme de l'art peut ainsi réaliser complètement le dispositif de l'invention Il est évident que des variantes ou des équivalents sont possibles, tant dans le détail du montage que du choix des composants ou de leurs valeurs. La figure 5 représente l'évolution de la teneur en CO 2 du gaz expiré au cours d'une journée VC signifie ventilation contrôlée et VS ventilation spontanée On voit que l'appareil a l'avantage de maintenir une Pa CO 2 constante au cours de la journée. La figure 2 représente une séquence de ventila- tion spontanée, jusqu'à la fin de F 1 de Tl, ventilation con- trolée jusqu'à la fin de F 2 de T 2, puis ventilation spontanée, à nouveau. L'utilisation d'un microprocesseur permettra une détection plus précoce de la valeur de FCO 2 ET et un moyennage i O sur trois cycles, de fixer plus prîcisément les valeurs des différents seuils, de fixer des durtes variables suivant les malades pour T 1 et T 2, et surtout d'envisager entre le mode de ventilation contrôlée et le mode spontané, un passage en ventilation intermlttente à la demande ( 114 V) progressivement dagradé. Le passage ventilation spontanée 4 ventilation contrôlée s'effectuera donc comme précédemment, mais le pas- sage ventilation contrôlée -iventilation spontanée s'effec- tuera plus progressivement permettant une meilleure adapta- tion du malade à la ventilation spontanée. La figure 6 représente une période de sevrage pro- gressif avec passage en mode IMVI: ventilation forcée inter- mittente On a une ventilation spontanée jusqu'à la fin F 1 de Ti, une ventilation contrôlée jusqu'à la fin F 2 de T 2 puis une ventilation IMV jusqu'à F 3 et ensuite une ventilation spontanée. Tout dépassement en mode IMV pendant une durée supérieure à T 1 de FCO 2 max enclenche le mode contrôlé et la procédure recommence. Le temps T 3 = durée de chacun des types IMV ( 2/1, 3/1, 4/1, etc) peut être fixe, de l'ordre de 3 mn, ou variable, réglable par le médecin pour chaque malade. L'utilisation d'un microprocesseur pourra égale- ment permettre de tenir compte de la fréquence ventilatoire dans le mode spontané; le dépassement d'un seuil maxima et minima entraînant la mise en marche du respirateur dans le mode contrôlé Cette prise en compte de la fréquence ventila- toire est une amélioration possible du système. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de la respiration artifi- cielle d'un patient placé sous l'assistance d'un respirateur artificiel, caractérisé en ce que la mise en marche et l'ar- rêt du respirateur sont commandés en fonction de la teneur en CO 2 en fin d'expiration FCO 2 ET du gaz expiré par le patient. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détermine un seuil maximum FCO 2 max et un seuil minimum FCO 2 min de la teneur en CO 2 du gaz expiré par le pa- tient, et que tant que le patient présente une ventilation spontanée avec FCO 2 min tilation spontanée, et dès qu'il dépasse les seuils, de façon constante pendant une durée supérieure à une durée choisie arbitrairement, on met le patient en ventilation contrôlée. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on détermine un troisième seuil FCO 2 int inter- médiaire entre les deux premiers et que l'on arrête la ven- tilation contrôlée si l'on a - FCO 2 min ec(FCO 2 E pendant une période choisie de l'ordre de 5 mn. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un respirateur artificiel ( 1) avec une conduite ( 3) d'inspiration et une conduite ( 4) d'expiration connectées toutes deux à une sonde d'intubation, de trachéotomie, ou à un masque ( 2), une cellule ( 6) d'analyse de la teneur en CO 2 du gaz qui la traverse placée sur une conduite commune à l'aspiration età l'expiration, un capnigraphe ( 8) connecté à la cellule et transformant les signaux reçus de celle-ci pour délivrer des signaux transformes â un module de com- mande, et un module ( 11) de commande recevant les signaux du capnigraphe pour commander la mise en marche ou la mise à l'arrêt du respirateur, le module étant organisé pour com- mander la mise en marche ou la mise à l'arrêt du respirateur en fonction de la teneur en CO 2 en fin d'expiration du gaz expiré. 5. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que le capnigraphe ( 8) délivre au module une ten- sion électrique proportionnelle a chaque instant A la teneur en CO 2 du gaz aspiré ou expiré, que le module ( 11) comporte trois détecteurs D 1, D 2, D 3 disposes en parallèles et aux- quels sont appliqués la sortie du capnigraphe, les détecteurs étant réglables en tension de façon à prendre un état ou un autre selon que la tension appliquée est supérieure ou inférieure a la tension de réglage, et un circuit logique tel que, si l'on désigne par FCO 2 ET la tension maxima déli- vrée par le capnigraphe à chaque expiration, pour D 2 2 CO 2 ETD 1 le circuit logique ne commande pas la mise en marche du ven- tilateur mais la commande, si FCO 2 ET sort des limites D 2, D 1 de façon constante pendant une durée choisie de l'ordre de 15 s, et commande la mise à l'arrêt du ventilateur si la condition D 2 riode de temps choisie, de l'ordre de quelques minutes: 3 à 5 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que la mise en marche ou a l'arrêt du ventilateur est commandée par une bascule ( 35, 36) sensible a un état zéro sur une de ses entrées, que les détecteurs DI, D 2, D 3 sont des bistables prenant l'état zéro quand la tension ap- pliquée est supérieure a la tension de réalage, et un état un (haut) quand la tension appliquée est inférieure à la tension de réglage, chaque détecteur Dl, D 2, D 3, étant connecté di- rectement à une temporisation associée respectivement Tl, T 2, T 3. 7. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que la temporisation T 1 est branchée sur la com- mande ( 35, 36) du respirateur à travers une bascule B 3 dont le niveau est commandé par deux bascules B 1, B 2 en série, le niveau de Bl étant commandé par DI et D 2 et le niveau de B 2 étant commandé par Bl et D 2.