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A l'heure actuelle, de nombreux efforts sont en cours pour diminuer la morbidité liée à l'intubation trachéale et à la ventilation mécanique. Parmi ceux-ci, on peut citer le développement de la ventilation non invasive et des modes ventilatoires qui privilégient le maintien d'une ventilation spontanée, ce qui permet de diminuer le recours à la sédation. La qualité de la synchronisation entre le profil ventilatoire du patient et l'activité mécanique du ventilateur est un des facteurs majeurs déterminant la réussite de ces techniques. De grands progrès ont été réalisés ces dernières années, notamment grâce au perfectionnement de l'aide inspiratoire, qui permet une meilleure harmonisation entre le patient et le ventilateur au cours des quatre phases critiques du cycle respiratoire (le déclenchement, la délivrance du débit inspiratoire, la transition entre inspiration et expiration et l'expiration). En outre, certains concepts originaux (ventilation assistée proportionnelle, ventilation assistée adaptative) sont en cours de développement. Ils font l'objet d'une recherche clinique active qui permettra de définir leur place en thérapeutique respiratoire.
Chez des patients en insuffisance respiratoire aiguë, le but de la ventilation mécanique en pression positive est d'assurer une ventilation alvéolaire adaptée aux besoins métaboliques du malade, tout en permettant une décharge partielle ou complète des muscles respiratoires. Les modes ventilatoires contrôlés (ventilation en volume contrôlé ou en pression contrôlée) nécessitent la suppression complète de toute activité respiratoire spontanée. Cette suppression, obtenue par l'utilisation de fortes doses d'agents sédatifs et parfois de curares, est responsable d'une augmentation importante de la morbidité et de la mortalité liées à la ventilation mécanique.1 L'utilisation des modes ventilatoires dits spontanés (dont le principal est l'aide inspiratoire AI, ou pressure support) permet de conserver un certain degré de respiration spontanée et de diminuer les besoins en sédation, tout en améliorant le confort des patients ventilés. Le fonctionnement du couple patient-ventilateur est à l'origine d'interactions complexes entre le profil ventilatoire généré par le patient et la réponse mécanique du ventilateur. La recherche d'une parfaite synchronisation entre ces deux acteurs constitue l'un des axes de développement majeur en ventilation mécanique. Les enjeux sont importants : amélioration du confort, diminution de la sédation, diminution du temps de ventilation mécanique et du temps de sevrage avec des conséquences directes sur la morbidité, la mortalité et les coûts hospitaliers.
La première partie de cet article définit et détaille les principaux déterminants de la synchronisation patient-ventilateur. Dans la seconde partie, nous présentons brièvement certaines solutions techniques disponibles sous forme de nouveaux modes ventilatoires spontanés qui ont pour objectif l'amélioration des interactions patient-ventilateur.
Lors de l'utilisation des modes ventilatoires spontanés, l'un des objectifs principaux est de décharger les muscles respiratoires. Au cours du sevrage de la ventilation mécanique, chez les patients en assistance ventilatoire partielle, le travail respiratoire peut être trois à quatre fois plus élevé que chez le sujet sain respirant spontanément.2 Cet excès de travail peut conduire à l'échec du sevrage, soit par fatigue et épuisement des muscles respiratoires, soit en empêchant leur récupération après un épisode de détresse respiratoire.3 L'utilisation des modes ventilatoires contrôlés (tels que le volume ou la pression contrôlés) permet la mise au repos complète des muscles respiratoires, mais au prix d'une atrophie de ceux-ci, compliquant davantage le sevrage. Cette atrophie peut être prévenue par une activité spontanée, même minime.4 Le choix du mode ventilatoire et surtout son réglage ont une importance capitale. En effet, Leung et coll. ont montré qu'un réglage adapté de l'AI permettait de ramener le travail respiratoire à des valeurs proches de celles que l'on peut obtenir chez le sujet sain.5 A cette fin, les réglages doivent avoir pour objectif une bonne synchronisation entre le profil ventilatoire du patient et celui généré par le ventilateur.5 Cette notion de synchronisation est actuellement bien définie en ce qui concerne la ventilation en AI au cours des quatre phases élémentaires du cycle respiratoire : le déclenchement du cycle, la phase de pressurisation proprement dite, le passage de la phase inspiratoire à l'expiration et l'expiration (fig. 1).
Les modes ventilatoires spontanés partiels les plus utilisés sont la ventilation assistée contrôlée intermittente (VACI) et l'AI. Dans une enquête concernant les modalités d'application de la ventilation mécanique, ces deux modes représentent chacun un tiers de l'ensemble des techniques utilisées.6 La VACI a l'avantage d'assurer une ventilation-minute minimale tout en permettant un certain degré de respiration spontanée. En effet, un certain nombre de cycles respiratoires sont obligatoirement délivrés par le ventilateur. Entre ces cycles, le patient peut respirer spontanément.7 Il est possible d'ajouter une AI à ces cycles spontanés, ce qui permet de compenser le travail additionnel dû à la résistance du circuit du ventilateur. La VACI + AI est un moyen efficace pour diminuer progressivement l'assistance ventilatoire.5 Cependant lors des cycles contrôlés, le débit inspiratoire et le temps inspiratoire sont imposés et peuvent provoquer une désynchronisation néfaste pour le travail respiratoire et le confort du patient.8Un approfondissement de la sédation peut être nécessaire en cas de mauvaise tolérance, ce qui peut être considéré comme un échec. L'AI nécessite obligatoirement une activité respiratoire spontanée suffisante pour être détectée par le ventilateur. La possibilité de régler bon nombre de ces caractéristiques permet, dans une certaine mesure, de synchroniser le profil ventilatoire du patient et la réponse mécanique du ventilateur.
Cette phase est constituée par le déclenchement de l'AI en réponse à un effort inspiratoire du patient. Les caractéristiques des dispositifs de détection de la ventilation spontanée du patient conditionnent en grande partie la qualité de la synchronisation entre le début de l'effort et le déclenchement du support ventilatoire. En effet, ces triggers doivent être suffisamment sensibles pour détecter un effort, aussi minime soit-il, et suffisamment spécifiques pour ne pas provoquer un déclenchement intempestif du ventilateur (autodéclenchement). A cet égard, les triggers en débit, qui détectent l'apparition d'un débit inspiratoire, témoin de l'effort du patient, ont démontré leur supériorité par rapport aux triggers en pression, qui détectent, quant à eux, une chute de pression dans le circuit inspiratoire.9 Le temps de réaction de la valve inspiratoire, entre la détection de l'effort et son ouverture, est un autre déterminant majeur de cette phase. Les progrès techniques réalisés sur les valves inspiratoires ont permis de raccourcir ce temps de réaction en dessous de 100 ms, ce qui permet d'éviter la perception consciente de ce délai. En cas d'insuffisance technique de ce mécanisme de détection de l'effort du malade, le travail inspiratoire nécessaire au déclenchement du ventilateur augmente de façon significative.10
Le déclenchement du cycle respiratoire nécessite donc de la part du patient un effort inspiratoire susceptible d'être détecté par le ventilateur. Le travail respiratoire fourni lors de cette phase peut être important et il dépend de l'intensité de la commande centrale (ou drive respiratoire) et du temps nécessaire au déclenchement.10 Schématiquement, deux composantes interviennent lors du déroulement de cet effort inspiratoire : l'effort nécessaire à la détection proprement dite de l'appel inspiratoire par le respirateur et celui qu'oppose le temps d'ouverture de la valve inspiratoire durant lequel l'effort du malade se poursuit même si le seuil de détection est déjà atteint.10 Dans certaines situations, l'effort inspiratoire ne peut être détecté, car il est insuffisant ou il survient de manière prématurée au cours du cycle ventilatoire (fig. 2). On parle alors d'efforts inefficaces (ou non récompensés par un cycle machine). Les facteurs qui contribuent à leur apparition sont les suivants : efforts inspiratoires prématurés, volumes courants trop élevés, existence d'une autoPEEP secondaire à une hyperinflation dynamique. Dans tous les cas de figure, le système respiratoire n'a pu revenir à son volume de relaxation lors du début de l'inspiration.5,11 Pour faire face à cette situation, il est proposé de diminuer le volume courant (par le biais de la diminution de la pression d'insufflation) et d'appliquer une PEEP externe destinée à compenser une partie de l'autoPEEP. Chez le patient atteint de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO), en cas de volume courant trop élevé, 25 à 30% des efforts inspiratoires ne sont pas suivis d'un cycle machine. De plus, le travail respiratoire lié à ceux-ci est de 40% supérieur à celui qui est lié aux efforts récompensés. Ce surcroît de travail engendré par cette désynchronisation peut expliquer certains retards de sevrage qui aggravent le pronostic des malades de réanimation.12
Cette phase suit immédiatement la détection de l'effort inspiratoire et elle constitue la pressurisation proprement dite des voies aériennes proximales. Les caractéristiques de cette pressurisation conditionnent l'adéquation entre la demande inspiratoire du patient et la capacité du ventilateur à répondre à cette demande. Sur le plan technique, c'est la capacité de la valve inspiratoire à délivrer un débit suffisant et suffisamment rapidement qui constitue le déterminant majeur de la réussite de cette phase délicate. Dans le cas particulier des modes en pression, tels que l'AI, le débit inspiratoire dépend de facteurs inhérents au patient lui-même et de facteurs dépendant des performances et des réglages des ventilateurs. Les déterminants du débit inspiratoire qui dépendent du patient sont les suivants : résistance inspiratoire des voies aériennes, intensité et durée de l'effort inspiratoire. Les déterminants du débit inspiratoire dépendant de la machine sont : la valeur de la pression inspiratoire maximale, la vitesse de montée en pression (pente de l'AI) et le débit inspiratoire maximal instantané susceptible d'être délivré par la valve inspiratoire. Ainsi, pour un effort inspiratoire donné et une pression inspiratoire fixée, l'adéquation entre la demande inspiratoire du patient et «l'offre» du ventilateur dépend de la pente de l'AI et de la capacité de la valve inspiratoire à maintenir un débit suffisant pour maintenir la pression consigne. Sur la plupart des ventilateurs modernes, le réglage de la pente de pressurisation est accessible à l'utilisateur. Cette adéquation ou synchronisation du débit inspiratoire peut être monitorée par l'analyse de la courbe pression-temps lors de la phase de montée à la valeur de la pression consigne (fig. 3). Une droite traduit une adéquation parfaite entre demande et offre, alors qu'une courbe concave vers le haut indique un débit inspiratoire insuffisant et qu'une courbe concave vers le bas traduit un débit inspiratoire en excès par rapport à la demande.13 Une mauvaise synchronisation du débit inspiratoire peut entraîner une augmentation importante du travail inspiratoire.14
Chez les patients de réanimation, l'intensité de la commande inspiratoire (ou drive respiratoire) est souvent très importante. Pour faire face à cette demande, le débit inspiratoire susceptible d'être fourni par le ventilateur doit dépasser les valeurs communément utilisées lors des modes contrôlés (environs 60 l/min). En AI, comme nous l'avons déjà vu, le débit n'est pas limité et il peut facilement atteindre des valeurs variant de 80 à 120 l/min. Si l'augmentation de ce débit peut être bénéfique en termes de travail respiratoire, il n'en va pas toujours de même quand on observe les modifications du profil respiratoire qui en résultent.15 L'augmentation du débit inspiratoire provoque de façon réflexe une inhibition de la commande inspiratoire qui se manifeste par la diminution du temps inspiratoire neural16 avec pour conséquence une augmentation de la fréquence respiratoire.17 De plus, l'augmentation du volume pulmonaire en fin d'inspiration, conséquence de l'augmentation du débit inspiratoire, entraîne également une diminution du temps inspiratoire et du temps expiratoire neural (réflexe de Hering-Breuer).18 L'augmentation du volume courant, de la fréquence respiratoire et la diminution du temps expiratoire neural sont autant de facteurs prédisposant à l'apparition d'efforts inspiratoires non récompensés, dont nous avons déjà décrit les conséquences. D'autre part, le raccourcissement du temps inspiratoire peut entraîner un passage à la phase expiratoire alors que le ventilateur délivre encore un débit inspiratoire. Enfin, l'accroissement de la fréquence respiratoire et le raccourcissement du temps expiratoire favorisent l'apparition d'une autoPEEP, à l'origine d'un surcroît de charge élastique que les muscles inspiratoires doivent surmonter, au prix d'un travail plus élevé.
Le passage de la phase inspiratoire à la phase expiratoire est appelé transition de phase ou cyclage. Elle correspond à la coupure de l'AI, la pression dans le circuit du ventilateur étant ramenée au niveau de la PEEP ou au niveau de la pression atmosphérique. Idéalement, cette phase doit être synchronisée à la fin de la mise en jeu de la commande inspiratoire (fin du temps inspiratoire neural). Le ventilateur doit recevoir et interpréter un signal lui permettant de détecter cette interruption de l'effort inspiratoire. Ce signal est appelé trigger expiratoire. Il existe deux types de triggers expiratoires : 1) le trigger expiratoire en pression : l'AI est interrompue lorsque la pression dans les voies aériennes dépasse une certaine consigne (en général 2 cmH2O au-dessus du niveau d'AI), ce qui correspond à une expiration active de la part du patient ; 2) le trigger expiratoire en débit : la pressurisation est interrompue lorsque le débit inspiratoire atteint une certaine valeur du débit inspiratoire maximum (en général 25% de ce dernier).19 Malheureusement, ces algorithmes peuvent être pris en défaut dans de nombreuses situations cliniques. La durée de l'AI peut être trop longue, le patient est déjà en phase expiratoire alors que le ventilateur insuffle toujours. A l'inverse, on peut assister à une coupure prématurée de l'AI. Dans le premier cas, on observe fréquemment la mise en jeu des muscles expiratoires, alors que, dans le deuxième cas, la commande inspiratoire reste active. Ces deux situations sont très pénalisantes en termes de travail respiratoire, elles engendrent inconfort et dyspnée et elles peuvent se compliquer de lésions musculaires.20
Les caractéristiques mécaniques du système respiratoire (résistance et compliance) représentent le déterminant majeur de cette synchronisation, qui dépend également du niveau d'AI, de la durée et de l'intensité de l'effort inspiratoire.21 En effet, les patients qui activent leurs muscles expiratoires pendant l'insufflation ont une constante de temps de leur système respiratoire (le produit résistance que multiplie la compliance du système respiratoire) de 0,54 s, ce qui correspond à une mécanique obstructive, contre 0,38 s pour ceux qui ne les activent pas.20 De la même manière, en cas de fuite sur le circuit du respirateur, comme c'est fréquemment le cas en ventilation non invasive, le temps d'insufflation devient exagérément long par rapport au temps inspiratoire neural.22A l'inverse, chez les malades présentant une mécanique respiratoire de type restrictif, on assiste à une coupure prématurée de l'AI, mais l'importance clinique de ce phénomène paraît moins évidente.
Cette phase est théoriquement passive et elle succède à la coupure de l'AI. Une limitation du débit expiratoire est susceptible d'engendrer une hyperinflation dynamique et de provoquer une désynchronisation inspiratoire du même type que celle qui a été décrite précédemment. En dehors de la situation du patient obstructif, on peut observer cette désynchronisation en cas de résistance excessive du circuit expiratoire.Pour résumer, les interactions patient-ventilateur sont complexes, elles sont déterminées par la technologie des ventilateurs modernes, le profil ventilatoire du patient et les caractéristiques mécaniques de son système respiratoire. L'amélioration de la synchronisation passe par le choix du mode ventilatoire et surtout par son réglage soigneux, après une analyse des mécanismes de désynchronisation, au cas par cas. La progression des connaissances dans ce domaine, associée aux progrès technologiques, donne naissance depuis une dizaine d'années à de nouvelles solutions techniques disponibles sous la forme de nouveaux modes ventilatoires. Ceux-ci représentent fréquemment des raffinements de l'AI classique, mais certains d'entre eux constituent des concepts novateurs que nous allons brièvement décrire. Tous ont pour objectif une harmonisation du couple patient-ventilateur.
Au cours de cette dernière décennie, de nombreuses améliorations ont été apportées à l'AI. Ces améliorations concernent les dispositifs de déclenchement, la qualité de la pressurisation et les consignes de cyclage. La principale évolution concernant les dispositifs de déclenchement est probablement l'apparition des triggers en débit qui permettent d'améliorer la détection de l'effort inspiratoire, tout en diminuant le risque d'autodéclenchement. Si le gain en termes de travail respiratoire est certain, les bénéfices cliniques restent mineurs.9 Il est aussi possible de détecter l'effort inspiratoire en amont des voies aériennes, c'est-à-dire en mesurant l'activité électrophysiologique du diaphragme ou la pression sophagienne.23 Ces techniques restent actuellement expérimentales et leur application en routine clinique semble peu réaliste. Enfin, certains dispositifs permettent de basculer automatiquement d'un mode contrôlé à l'AI lors de la détection d'efforts respiratoires (Automode disponible sur les ventilateurs Servo 300 Siemens).Le perfectionnement des valves inspiratoires a permis de ne plus être limité par le débit inspiratoire pour assurer la pressurisation des voies aériennes. La vitesse de montée en pression, désormais réglable, permet de moduler indirectement ces débits de manière à épouser la demande inspiratoire du patient. D'autre part, il est possible d'imposer un volume courant minimal grâce à l'adaptation automatique du niveau d'AI. Les développements actuels se font vers l'asservissement du niveau d'AI à certains paramètres physiologiques, tels que la fréquence respiratoire, la mécanique pulmonaire ou le CO2 expiré.24Enfin, la consigne de cyclage est devenue réglable sur certains ventilateurs (Galileo Hamilton), elle varie de 10 à 40% du débit inspiratoire de pointe. Un réglage du trigger expiratoire tendant vers 10% permet un allongement du temps de pressurisation alors qu'un réglage tendant vers 40% a un effet inverse. Ce trigger expiratoire réglable permet de moduler le temps d'assistance inspiratoire dans une fourchette qui tient compte des caractéristiques mécaniques du système respiratoire. Certains travaux expérimentaux cherchent actuellement à automatiser ce réglage.En dépit de toutes ces améliorations, le réglage de l'AI reste essentiellement basé sur l'observation de la manière de respirer du patient et sur l'expertise dans la lecture des courbes de pression, de débit et de volume.
Cette dernière décennie a vu la commercialisation de deux modes ventilatoires originaux dont l'un des objectifs est une meilleure adaptation patient-ventilateur.
Très schématiquement, le principe lié à cette technique ventilatoire est basé sur l'application de l'équation de mouvement du système respiratoire. Le ventilateur fournit une AI directement proportionnelle à l'intensité de l'effort inspiratoire. La pression inspiratoire générée compense en temps réel les forces élastiques et résistives du système respiratoire, en amplifiant d'un facteur proportionnel le débit et le volume mesurés à chaque instant. Le patient, déchargé de ces contraintes mécaniques, peut respirer librement.25La conséquence est une excellente harmonisation du couple patient-ventilateur, en particulier en ce qui concerne le cyclage. Cependant l'application pratique de ce mode ventilatoire est difficile pour deux raisons. Premièrement, les caractéristiques mécaniques du système respiratoire doivent être parfaitement connues et stables et il n'existe pas actuellement de technique de mesure suffisamment fiable, en ventilation spontanée, de ces paramètres. D'autre part, en cas d'épuisement respiratoire, le support ventilatoire diminue en proportion de la performance musculaire. Ces raisons expliquent probablement l'utilisation très marginale de ce mode, qui reste néanmoins un excellent outil de recherche.
Ce mode ventilatoire, basé sur l'analyse continue de la mécanique respiratoire et de l'activité respiratoire spontanée, génère automatiquement un profil ventilatoire qui vise à minimiser le travail respiratoire. Son principe est détaillé dans un article publié antérieurement dans ce journal.26 Brièvement, ce mode, initialement conçu dans le but de simplifier le réglage du ventilateur, détermine de manière automatique le meilleur profil ventilatoire (en termes de travail respiratoire), compte tenu des contraintes mécaniques (compliance et résistance) et de la ventilation-minute fixée par l'utilisateur. Ainsi, la pression inspiratoire, la fréquence respiratoire et le rapport inspiration/expiration sont calculés cycle après cycle et remis à jour par l'intermédiaire d'une boucle de rétrocontrôle qui tient compte de la constante de temps du système respiratoire, de la fréquence respiratoire et du volume courant mesurés. Le profil ventilatoire s'adapte aux variations de la mécanique respiratoire et à l'apparition d'une ventilation spontanée. Les centres respiratoires génèrent, de la même manière, un profil ventilatoire, dont la régulation est bien plus complexe, mais également basée sur le principe du minimal work concept.26 Il y a donc un objectif commun que cherchent à atteindre tant le malade que le respirateur, ce qui pourrait conduire à une amélioration de la synchronisation entre le patient et le ventilateur, par l'intermédiaire d'un profil ventilatoire identique, ou en tout cas très proche. Cette hypothèse, bien que spéculative et simpliste, constitue la base d'un axe de recherche assez actif.27
L'amélioration du pronostic des patients ventilés en réanimation passe par la diminution du temps de ventilation invasive. Dans cet objectif, on assiste actuellement au développement des techniques de support ventilatoire spontané, notamment de la ventilation non invasive. La qualité de la synchronisation entre le profil ventilatoire du patient et la réponse mécanique de la machine conditionne en bonne partie la réussite de ces techniques. La technologie ne constitue plus un obstacle au développement dans ce domaine. En revanche, il reste beaucoup à faire dans la compréhension de la régulation de la ventilation chez ces patients et la détermination des caractéristiques mécaniques du système respiratoire en ventilation spontanée. La ventilation spontanée proportionnelle (PAV) constitue certainement un outil de recherche fondamental dans ce domaine.