Ventilation mécanique en médecine

Lors de la respiration spontanée, l'abaissement du diaphragme et une expansion de la cage thoracique créent une diminution de la pression alvéolaire (pression négative si on la compare à la pression atmosphérique). C'est cette pression négative qui entraîne l'entrée d'air dans les poumons.

La ventilation mécanique utilisée en médecine est antiphysiologique ; c'est une ventilation dite « en pression positive » (VPP). Cela signifie que l'entrée d'air dans les poumons n'est plus causée par une différence de pression entre l'extérieur et l'intérieur des poumons mais par une augmentation de la pression à l'intérieur des poumons.

Alors que dans la respiration spontanée, la pression intrathoracique tourne autour de zéro plus ou moins quelques hectopascals (1 hPa = 1 cm H₂O), la VPP crée des pressions intrathoraciques pouvant aller au-delà de 40 hPa (ou 40 cm H₂O). Les effets collatéraux de cette mise en pression du thorax sont :

• Risque de barotraumatisme (traumatisme alvéolaire, de pneumothorax...) corrélé à la pression dite de plateau
• Diminution du retour veineux proportionnellement à la pression intrathoracique moyenne (P_moy).

Sous ventilation mécanique l'augmentation de la FiO₂ ou de la pression expiratoire positive permet de majorer l'oxygénation ou plus exactement de corriger un déficit d'oxygénation (hypoxémie). Le réglage de la ventilation alvéolaire minute modifie directement la PCO₂.

• Volume courant (Vc ou Vt) : volume d'air qui entre et qui sort des poumons à chaque respiration (0,5 l).
• Volume de réserve inspiratoire (VRI) : c'est la quantité de gaz qu'il est encore possible de faire pénétrer dans les poumons après une inspiration normale.
• Volume de réserve expiratoire (VRE) : c'est la quantité d'air qu'il est encore possible d'expulser par une expiration forcée après une expiration normale.
• Fréquence respiratoire (f ou Fr) : c'est le nombre de cycles (inspiratoire + expiratoire) par minute.
• Temps inspiratoire (Ti) : c'est la période pendant laquelle l'air entre dans les poumons, autrement dit la durée de l'inspiration.
• Fraction en oxygène des gaz inspirés (FiO₂) : c'est la quantité en pourcentage d'oxygène contenu dans le mélange de gaz inspiré
• PEEP, Positive End-Expiratory Pressure (pression expiratoire positive) : pression persistante durant le temps expiratoire
• AI, aide inspiratoire : niveau de pression qui va s’appliquer dans les voies aériennes du patient durant le temps inspiratoire en mode VS-AI
• P_moy : pression moyenne : dans les voies aériennes, facile à mesurer automatiquement, (peu utile en pratique). Très utile pour moduler la ventilation artificielle selon les problèmes hémodynamique.
• P_crête : pression maximale. Dans les voies aériennes, facile à mesurer automatiquement. C’est sur cette pression qui est soumise à une alarme de surpression le plus souvent.
• P_plat : pression dite de plateau, difficile à mesurer automatiquement. C’est pourtant cette pression qui est le mieux corrélée au risque de barotraumatisme
• Ventilation alvéolaire minute : c'est le principal déterminant de la pCO₂. De l'ordre de 5 à 10 l·min^-1. On peut écrire VM = f * (Vt - Espace mort)
• V_e : Volume de l'espace mort. L'espace mort représente la trachée et les bronches balayées par la ventilation mais qui ne participent pas aux échanges gazeux. C'est de l'ordre de 150 ml (+sonde d'intubation + filtre).
• VS-AI : Ventilation spontanée avec aide inspiratoire
• VC : ventilation en volume contrôlé ou ventilation contrôlée
• VAC : ventilation assistée contrôlée
• PC ou VPC : ventilation en pression contrôlée
• VACI : ventilation en Volume Assisté Contrôlé Intermittente
• BIPAP, Biphasic Intermittent Positive Airway Pressure : c'est un mode de ventilation contrôlée en pression (attention différent de l’appellation qui prête à confusion de ventilation à 2 niveaux de pressions qui induit une confusion avec la VSAI).
• VCRP : volume contrôlé à régulation de pression[1].

Il existe de multiples modes ventilatoires.

Pour se repérer il faut se rappeler que la ventilation mécanique tente de suppléer ou assister la ventilation du patient avec deux objectifs :

• Assurer l'oxygénation. Pour cela on peut quel que soit le mode régler la FiO₂ et la PEP.
• Permettre l'élimination du gaz carbonique, pour cela il faut distinguer les modes contrôlés où la consigne de ventilation alvéolaire minute choisie par le prescripteur sera toujours délivrée par la machine, des modes spontanés où au contraire il n'y a aucune garantie sur le volume minute délivré. Il résulte dans ce cas de la juste adéquation entre les capacités du patient et les réglages de la machine.

À côté des multiples modes, il existe de multiples interfaces. L’interface avec le patient est soit invasive :

• Sonde orotrachéale, nasotrachéale ou de trachéotomie
• Masque laryngé

soit non invasive (ventilation non invasive, VNI):

• Masque bucconasal, nasal ou facial

Il n'y a pas de lien strictement obligatoire entre mode et interface ; toutefois il est habituel d'utiliser seulement des modes spontanés en VNI.

• Pression expiratoire positive (PEP)
• Fraction inspirée en oxygène (FiO₂) : on la règle au minimum pour obtenir une hématose suffisante. Des hauts niveaux de FiO₂ sont réputés provoquer des atélectasies. Il faut toutefois anticiper et ne pas hésiter à mettre une FiO₂ à 1 en cas d'induction. Idem en cas de transport (période à risque d'extubation).
• Volume minute (VM) : on règle Vt et f en ventilation contrôlée de manière à avoir une normocapnie. En mode spontané ce qui participe le plus à VM c'est le niveau d'aide (AI).
• Seuil de déclenchement (trigger) : il existe deux façons dont le patient ventilé peut « déclencher » une respiration, c'est-à-dire dont le ventilateur peut se rendre compte que le patient fait un effort respiratoire ; la majorité des ventilateurs modernes offrent les deux possibilités. Notez que pour des raisons techniques, il est impossible d'utiliser les deux en même temps.
  • Déclenchement par pression : l'inspiration se déclenche lorsque le patient crée une pression négative (ou sous le niveau de PEP) en inspirant. C'est le plus ancien des modes de déclenchement.
  • Déclenchement par débit : le respirateur laisse circuler un certain débit de gaz dans le circuit pendant la pause respiratoire. Lorsque le débit du côté expiratoire du circuit est plus petit que celui du côté inspiratoire, le respirateur sait que le patient a commencé une inspiration. Ce mode de déclenchement a été développé dans le but de diminuer le travail que doit fournir le patient pour déclencher une inspiration.
  • Ajustement : bien qu'il soit en général admis qu'un seuil de déclenchement le plus bas possible soit souhaitable pour minimiser l'effort que le patient doit fournir, il est important de savoir qu'un seuil de déclenchement trop sensible peut être la cause d'auto-déclenchement. On parle d'auto-déclenchement lorsque le respirateur interprète comme un effort respiratoire ce qui n'en est pas un (ex. : battement cardiaque, tubulure secouée, mouvement non-respiratoire du patient...).
• Aide inspiratoire (AI) : il s'agit d'une pression constante que le ventilateur applique au cours du temps inspiratoire afin de faciliter les respirations du patient. Son niveau est ajusté par le clinicien en fonction des volumes courants désirés et de l'efficacité des respirations spontanées du patient. Certaines machines offrent un asservissement automatique du niveau d'aide inspiratoire à certains paramètres de la ventilation : la logique de l'algorithme est de s'adapter aux besoins du malade en augmentant l'aide s'il se fatigue et inversement. L'asservissement se fait sur le volume courant (Siemens) ou sur la fréquence (Taema).

• Rapport I/E : on augmente le temps expiratoire en cas d'auto-PEEP importante.
• Débit d'insufflation : il est lié au rapport I/E et au temps de plateau.

Courbe débit/temps d'une ventilation volumétrique avec débit constant.

• Forme de la courbe de débit inspiratoire : ce paramètre s'applique seulement en ventilation volumétrique :
  • Débit constant
  • Débit croissant
  • Débit décroissant (selon un algorithme logiciel du respirateur) ; a été conçu par la compagnie Puritan-Bennett pour imiter la courbe de débit d'une respiration spontanée et éviter le pic de pression en fin d'inspiration
  • Débit sinusoïdal (selon un algorithme logiciel du respirateur)
• Pauses : une pause inspiratoire est une période entre l'inspiration et l'expiration où les valves inspiratoires et expiratoires sont fermées. Elle est utilisée que pour mesurer la pression de plateau et en déduire la compliance pulmonaire. Une pause expiratoire est une période entre l'expiration et l'inspiration où les valves inspiratoires et expiratoires sont fermées. Elle est utilisée que pour mesurer le niveau d'auto PEP.
• Soupirs : réglage propre à certains vieux respirateurs (désuet). En ventilation mécanique, un soupir est une respiration de plus grand volume où l'on tolère une pression de pointe plus élevée (le ventilateur modifie temporairement le niveau de son alarme de pression de pointe.

Un mode ventilatoire est la somme d'un ensemble de caractéristiques. Il existe trois principales catégories : la ventilation en volume contrôlé, la ventilation en pression contrôlée et la ventilation spontanée. Les nomenclatures n’étant pas standardisées, noms et abréviations varient d'un fabricant à l'autre ou d'un pays à l'autre[2].

• En réanimation/soins intensifs. Le choix d'un respirateur performant est indispensable notamment en cas de syndrome de détresse respiratoire aigu.
• Au bloc opératoire les exigences sont relativement moindres. Les modes spontanés ne sont pas systématiquement requis. En revanche les respirateurs doivent permettre de délivrer des anesthésiants volatils halogénés.
• En préhospitalier et en transport les caractéristiques d'autonomie énergétiques et de consommation en oxygène sont les principaux déterminants du choix d'un respirateur.

Quel que soit le choix, il faut adjoindre à côté de tout respirateur de quoi faire face à une panne d'énergie ou d'oxygène.

• Sevrage de la ventilation mécanique
• Respiration humaine
• Ventilation artificielle