Les respirateurs artificiels

Les capacités pulmonaires

  Lorsque l’on veut apprécier la valeur fonctionnelle de la ventilation ;on s’adresse souvent à la détermination des capacités pulmonaires qui correspondent ,par définition; à la somme de plusieurs volumes (Fig I.3) ; A la fin d’une inspiration forcée ,il est possible d’effectuer un mouvement d’expiration maximale .Celui-ci va permettre d’expulser à l’intérieur la totalité des volumes mobilisables ,c’est-à-dire le volume de réserve inspiratoire puis le volume courant ,puis le volume de réserve expiratoire .Ce volume correspond à la capacité vitale (CV) qui représente donc le volume maximal d’air qu’un sujet peut mobiliser volontairement au cours d’un seul mouvement respiratoire. Simple à déterminer ;la capacité vitale constitue un paramètre important ;toujours recherché au début d’une exploration fonctionnelle respiratoire .Sa capacité inspiratoire (CI) correspond au volume d’air maximal que l’on peut inspirer depuis la position de fin d’expiration normale :c’est donc la somme du volume courant et du volume de réserve inspiratoire .La capacité résiduel fonctionnelle (CRF) est le volume pulmonaire :elle correspond à la somme du volume résiduel et du volume de réserve expiratoire. Au point de vue physiologique, elle a une signification importante car elle correspond au volume pulmonaire dans lequel se diluer l’air inspiré ; le renouvellement du gaz contenu dans les alvéoles est d’autant meilleur que ce volume est plus petit. Enfin la capacité pulmonaire totale (CPT) est la somme de la capacité vitale et du volume résiduel.

Les pressions

  Les pressions créées par la contraction des muscles respiratoires sont responsables de la mobilisation du thorax et de la circulation de l’air dans les voies aériennes respiratoires. En fait, les pressions prises isolément n’ont pas une grande signification fonctionnelle .En conformité avec les voies physiques, ce sont les différences de pression qui vont jouer le rôle essentiel. En mécanique ventilatoire ; il existe 4pressions fondamentales : la pression barométrique PB ,la pression buccale PBb ,la pression alvéolaire PA ,la pression intra thoracique PL. La mesure des pressions s’effectue à l’aide d’un baromètre ou d’un manomètre .Les pressions barométrique et buccale sont mesurées directement. Quand il n’existe pas de débit de gaz ; elles sont équivalentes. Au cours des cycles ventilatoires, la pression buccale varie légèrement, elle diminue à l’inspiration et augmente à l’expiration de quelques mmH2O .La pression alvéolaire n’est pas mesurables directement .Elles est donc déterminée à partir de la pression buccale ; généralement par l’une des trois méthodes suivantes.
-En condition statique, c’est-à-dire quand il n’existe pas d’écoulement gazeux, si les voies respiratoires sont normalement ouvertes à l’extérieur (la glotte, rétrécissement de la trachée formée par les cordes vocales, étant ouverte) la pression alvéolaire est en équilibre avec la pression buccale.
-En condition dynamique, on utilise soit l’interruption périodique du débit soit la pléthysmographie.
 La méthode d’interruption du débit permet ; en principe, de créer des conditions momentanément statiques de sorte que la pression alvéolaire équilibre celle régnant au niveau de la bouche. Le débit aérien est interrompu pendant un court instant (10 à 100 ms) à un rythme de 1à 10 fois par seconde .On obtient un tracé caractéristique (Fig I. 9) qui montre que la pression alvéolaire n’est pas constante et varie avec le débit.
 La pléthysmographie corporelle totale a été décrite pour la première fois par Paul Bert quia observé que, chez un animal respirant dans une cloche étanche ; il est possible de détecter dans celle-ci des variations de pression corrélées aux mouvements respiratoires .Les variations de pressions à l’inspiration sont provoquées par une relative détente des gaz alvéolaires et une compression relative des gaz dans le pléthysmographie. Celles observées lors de l’expiration s’expliquent inversement par une relation compression des gaz alvéolaires et une détente relative des gaz dans le pléthysmographie. Sur un tracé de pression alvéolaire ( PA) et pléthysmographique ( PB) (Fig I.10) on observe qu’à l’inspiration ,la première diminue tandis que la deuxième augmente et qu’a l’expiration la variation s’inverse la loi des gaz permet d’établir une relation entre d’une part PA et VA et d’autre PB et VB du pléthysmographie cette relation permet de calculer PA .Le sujet est enfermé dans une enceinte étanché. Les variations de la pression intrapléthysmographique (PB) sont simultanées au cycle ventilatoire ; en particulier du débit de gaz à la bouche V et des variations de la pression alvéolaire PA.En respiration calme, la pression alvéolaire oscille entre +1et -1cmH2 O par rapport à la pression buccale. La variation est proportionnel au débit instantané des gaz dans les voies respiratoires et à la résistance offerte à l’écoulement gazeux .Elle peut atteindre une valeur considérable au cours de l’épreuve d’expiration forcée ;quand le débit dans les voies bronchiques est très élevé (plusieurs dizaines de cm H2O). D’autre part ;chez le sujet normal au repos ,la pression alvéolaire est identique dans tous les territoires pulmonaires des sommets aux bases Mais au cours de l’exercice musculaire intense ,ou chez le sujet pathologique ;il n’ en est plus ainsi : d’un territoire alvéolaire à l’autre ,le débit de gaz et les résistances bronchiques qui conditionnent la pression alvéolaire peuvent être très différents .Dans ce cas , PA va varier d’un endroit à l’autre au même instant. Il se formedonc un « asynchronisme de pressions alvéolaires ». Celui-ci peut être très marqué dans certaines affections telles l’asthme et l’emphysème. La pression intra thoracique est celle qui règne dans le thorax lors des espaces alvéolaires, les bronches et les vaisseaux .Elle est assimilée le plus souvent à la pression inter plurale. Celle-ci peut être mesurée directement en introduisant un trocart dans l’espace pleural. Un peu d’air ou de liquide est injecté afin de séparer les deux feuilles pleuraux, normalement accolées, et de créer ainsi un espace libre. Le trocart est ensuite relié à manomètre. Cette technique n’est guère applicable à l’homme chez qu’ il est classique de mesurer la pression œsophagienne .On mesure cette pression à l’aide d’un ballonnet de latex ,d’un longueur d’environ 12 cm et d’un diamètre de 1,5 cm ,déglutie .jusqu’au tiers inférieur de l’œsophage ,modérément gonflé de façon que la paroi de l’œsophage reste flaccide et relie par un cathéter à un manomètre .Il est admis qu’en dehors des phases de contraction des muscles œsophagiens ,les variations de pression œsophagienne ,synchrone de la ventilation ,donnent une estimation précise des variations de pression inter pleurale.La pression intra thoracique est inférieur à la pression alvéolaire .Par rapport à cette dernière, elle varie par exemple de -7cmH2O en fin d’expiration à -10cmH2O en fin d’inspiration d’un volume de 0,6 litres .Elle varie d’une région thoracique à l’autre :Elle augmente de haut en bas d’environ 0.25 cm H 2O par cm de distance cette augmentation est due au poids des poumons lesquels peuvent être assimilés à un tissu semi fluide ;elle exerce une influence sur le diamètre des alvéoles pulmonaires. L’ouverture de ceux-ci dépend de la différence de pression entre l’espace pleural et les alvéoles (PLPA). Celle-ci étant plus élevé en haut qu’en bas du thorax, les alvéoles situées dans les sommets des poumons sont plus distendus que celles se trouvant dans les bases, ce qui influence la distribution de l’air inspiré dans les poumons. Ces différents caractères de la ventilation pulmonaire qui viennent d’être analysées permettent de comprendre le processus de mise en jeu. Pendant l’inspiration, l’action des muscles inspiratoires distend le thorax, la pression intra thoracique diminue .Cette dépression s’exerce à la surface des alvéoles qui augmentent leur volume .La pression totale du gaz alvéolaire se trouve ainsi diminuée, elle devient inférieur à la pression barométrique qui règne alors au niveau de la bouche. La différence de pression ainsi créée entre la bouche et les alvéoles provoque l’entrée de l’air de la zone de haute pression (bouche) vers celle de basse pression (alvéoles). A l’expiration le phénomène inverse se produit . Mais pour pouvoir assurer cette ventilation pulmonaire, les muscles respiratoires doivent lutter contre des forces opposées au déplacement du thorax et des poumons qui sont liées aux propriétés élastiques de ces derniers ainsi qu’à des résistances de frottement au niveau des voies aériennes et des tissus.

Origine de la répartition non homogène de l’air inspiré

  Un certain nombre de mécanismes interviennent pour expliquer la non uniformité de la distribution de l’air inspiré.
 Action de la pesanteur : Les poumons se comportent comme un ressort suspendu à une potence, dont les spirales supérieurs sont plus distendus que les inférieurs par suite du propre poids du ressort .Des expériences effectuées sur des poumons isolés de chien suggèrent que le poids des poumons pourrait jouer le même rôle. Par ailleurs, la pression intra-pleurale est plus basse aux sommets qu’aux bases. Tout ceci peut expliquer la différence de diamètre et par conséquent le volume des alvéoles entre ces deux régions.Il en est de même de CRF. Au volume résiduel, le gaz pulmonaire est contenu pour sa grande part dans la moitié supérieure des poumons. En revanche on peut observer que le VT inspiré se repartie de préférence dans les bases. Ces observations permettent, d’admettre une répartition non homogène de l’air inspiré liée à l’effet de la pesanteur.
 Longueur inégale des voies respiratoires. Les alvéoles pulmonaires sont plus ou moins éloignés des g rosses bronches .Le volume qui les séparé de la caréna est de 22 ml pour les plus proches et de 170 ml pour les plus éloignés .Dans ces conditions, certains alvéoles reçoivent lors de l’inspiration uniquement du gaz contenu dans l’espace mort, d’autres de l’air frais .Ce phénomène empêche bien sûr une répartition homogène de l’air inspiré.
 Répartition séquentielle Selon certains ,l’inspiration comme l’expiration peuvent s’effectuer de façon séquentielle :des zones pulmonaires se remplissent précocement à l‘inspiration et se vident tardivement à l’expiration .Mais selon d’autres auteurs les zones qui se remplissent les premiers se vident aussi les premiers .En fait ,les deux mécanismes semblent pouvoir coexister :la premier se vérifie pour les bas volumes pulmonaires .Lors d’une inspiration depuis le VR ,les sommets se remplissent les premiers mais se vident les derniers lors de l’expiration .Le deuxième mécanisme survient en cas d’obstruction bronchique ;les alvéoles dépendant d’une bronchiole ,en partie obturée ,se remplissent et se vident les derniers .
 Starification du gaz alvéolaire: D’autre part, le gaz alvéolaire n’a pas une composition homogène à la fin d’une inspiration car l’air inspiré est incomplètement mélangé avec le gaz alvéolaire, le processus de diffusion exigeant un certain délai. Il y aurait donc une starification du gaz depuis l’entrée jusqu’au fond des alvéoles.
 L’asynchronisme ventilatoire: Il représente, dans certaine condition, une cause importante de répartition non homogène de l’air inspiré. En effet, certaines régions pulmonaires peuvent inspirer de l’air tandis que d’autres expirent. Quand la ventilation est caractérisée par un tel asynchronisme, certaines régions peuvent ne jamais recevoir d’air, leur remplissage lors de l’inspiration étant assuré par du gaz alvéolaire fourni par les régions qui expirent. Un tel mécanisme explique souvent la défaillance ventilatoire qui survient lors des traumatismes thoraciques sévères.Ces mécanismes expliquent les différences de compositions des gaz alvéolaires observées d’un territoire à l’autre même chez l’individu normal. Leur effet peut être estimé simplement par l’étude de l’évolution en fonction du temps de la fraction de l’azote expiré après inspiration forcée (Fig I. 24).La courbe obtenue comprend trois parties : la première représente l’expiration du gaz contenu dans l’espace mort ,la deuxième est fonction des modalités d’écoulement ,la variation étant d’autant plus brutale que l’écoulement de l’air est plus turbulent et d’autant plus lente que celui-ci est plus laminaire .La troisième partie correspond au rejet du gaz alvéolaire .Elle est horizontale si la répartition du gaz inspiré ,dans les différents territoires alvéolaires ,est uniforme dans l’espace et le temps ,elle est d’autant plus ascendante que cette répartition est inégale. On peut distinguer 3 périodes :
1- FN2=0, elle correspond à l’o2 pur remplissant les voies aériennes qui est rejeté en premier lors de l’expiration.
2- FN2augmente progressivement, la pente de cette courbe dépend des conditions d’écoulement de l’air.
3- FN2 n’augmente plus légèrement : il s’agit du gaz alvéolaire.

Le gaz alvéolaire moyen

  Le gaz alvéolaire n’a pas la même composition dans tous les alvéoles. Il existe dans territoires mieux ventilés que d’autres : à débit de sang égal ,leur composition en O2 sera plus élevé et en CO2 plus basse ,d’autres territoires sont moins bien ventilés ,on observe alors le phénomène inverse. A l’extrême il existe des territoires ventilés mais ne reçoivent pas de sang, l’air qui y pénètre en ressort inchangé. Inversement, des zones pulmonaires sont irriguées par de sang mais ne sont pas ventilées ; dans ce cas, le gaz alvéolaire qui s’y trouve n’est pratiquement pas renouvelé, il est donc très riche en CO2 et très pauvre en O2 .Entre ces cas extrêmes, tous les intermédiaires existent. Le gaz alvéolaire qui est recueilli en fin d’expiration provient de toutes ces régions .C’est en fait un mélange des différents gaz alvéolaire de compositions variées .Il est appelé gaz alvéolaire moyen.

Le volume assisté contrôlé intermittent (VACI)

   La ventilation en volume assisté contrôlé intermittente (VACI) est l’insufflation d’un volume courant préréglée à une fréquence imposée (VC), avec la possibilité pour le patient d’intercaler des cycles spontanés (VS) entre les cycles imposés du respirateur. Le respirateur va synchroniser ses cycles mécaniques à la ventilation spontanée du patient. En cas d’arrêt respiratoire ou d’un effort inspiratoire insuffisant, le respirateur initie des cycles contrôlés pour assurer une ventilation minimale.
 Participation partielle du patient : le patient pourra prendre autant de cycles spontanés qu’il aura d’appels inspiratoires. La fréquence peut augmenter en fonction des appels inspiratoire du patient.
 Les pressions provoquées par le volume courant peuvent varier, elles ne peuvent pas être contrôlées il faut donc les surveiller.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Les Mécaniques Ventilatoires Et Physiopathologiques
Introduction
I. Présentation sommaire de la fonction respiratoire
II. Caractères généraux de la ventilation pulmonaire
II. 1 .Les volumes pulmonaires
II. 1.1.Les volumes mobilisables
II. 1.2.Le volume résiduel
II. 2 .Les capacités pulmonaires
II. 3 .les débits ventilatoires
II. 3.1. Le débit instantané
II. 3.2 .Le débit ventilatoire moyen
II. 4 .Les pressions
III. L’élasticité du thorax
III. 1. Elasticité du poumon
III. 1.1. Origine des propriétés élastiques pulmonaires
III. 2 .L’élasticité de la paroi thoracique
IV. Les résistances opposées à l’écoulement de l’air
IV. 1 .La mesure des résistances respiratoires
IV. 2. La mesure des résistances pulmonaires totales
IV. 3. La mesure séparée de la résistance des voies aériennes et des tissus
IV. 4 .Les facteurs de la résistance dans les voies aériennes
V. Le travail ventilatoire
VI. Distribution de l’air inspiré
VI. 1 .Origine de la répartition non homogène de l’air inspiré
VII. Les échanges gazeux pulmonaires
VII. 1 .Mesure des échanges gazeux
VII. 1.1.Le spirographe de Benedict
VII. 1.2.Méthode en circuit ouvert
VIII. Valeur des échanges gazeux pulmonaires
VIII.1 .Quotient respiratoire
VIII.2. L’équivalente respiratoire
IX. Le mécanisme des échanges gazeux « la diffusion pulmonaire »
IX. 1 .La diffusion de l’O2
IX. 2 .La diffusion de l’CO2
IX. 3 .La capacité de diffusion pulmonaire
IX. 4 .Signification de la capacité de diffusion
IX. 5 .Mesure de la capacité de diffusion pour l’O2
IX. 6 .Valeur de la capacité de diffusion
IX. 7 .La différence alvéolo-artérielle de l’O2
X. La ventilation alvéolaire
X. 1.1.L’espace mort physiologique
X. 1.2.Le gaz alvéolaire
X. 1.2.1- Le gaz alvéolaire moyen
X. 1.2.2- Les variations du gaz alvéolaire
X. 2 .La ventilation alvéolaire
X. 2.1.Les équations de ventilation alvéolaire
X. 3. Le rapport ventilation-perfusion
X. 3.1.Influence du rapport sur qualité du gaz alvéolaire
Conclusion
Chapitre2 : La Ventilation Artificielle
Introduction
I. La ventilation spontanée (VS) 
I. 1 .La ventilation spontanée à pression positive (VS-PEP ou CPAP)
I. 2 .La ventilation spontanée à aide inspiratoire (VS-AI)
I. 3 .La ventilation spontanée à aide inspiratoire et à pression (VS-AI PEP)
II. Le volume contrôlé VC
III. Le volume assisté contrôlé (VAC)
III.1. Le volume assisté contrôlé intermittent (VACI)
III.2. Le volume assisté contrôlé intermittent à aide inspiratoire (VACI-AI)
IV. Le volume contrôlé à régulation de pression (VCRP)
V. La pression contrôlée (PC)
VI. La pression assistée contrôlée ( PAC)
VI.1. La pression assistée contrôlée intermittente (PACI)
VII. La ventilation en pression positive bi phasique (BIPAP)
Conclusion
Chapitre3 : Les respirateurs Artificiels
Introduction
I. Les différents organes constituant un respirateur artificiel
I. 1 .Présentation générale
I. 2 .Le circuit patient et la vanne de fermeture expiratoire
I. 2.1. La branche d’insufflation
I. 2.2. La branche expiratoire
I. 3 .Le générateur de gaz
I.3.1- Générateurs du gaz insufflant mécaniquement de l’air ambiant
I. 3.1.1- Le réservoir de gaz
I. 3.1.2- Modes d’application de l’énergie sur le réservoir
I. 3.1.3- Origine du gaz comprimé
I. 3.1.4- Origine du gaz remplissant le réservoir
I. 3.2.Générateurs du gaz immédiatement un gaz comprimé
I. 3.3.Générateurs mixtes insufflant mécaniquement un gaz déjà comprimé
I. 4 .Le système de commande ou maître d’œuvre du respirateur
I. 4.1.Les systèmes de commande à fréquence fixe
I. 4.2.Les systèmes de commande asservis au volume du soufflet
I. 4.3.Les systèmes de commande asservis aux pressions du circuit patient
I. 4.4.Les systèmes de commande asservis au débit
I. 4.5.Les systèmes de commande contrôlés par plusieurs paramètres
Conclusion
Chapitre 4 : Les Outils De Développement
Introduction
I. Présentation des pics
II. Identification des PICs
III. Programmation des PICs
III.1 .Le compilateur MPLAB
III.2. Le logiciel Winpic800
IV. Structure d’un programme
V. Réalisation du programme embarqué
VI. Logiciel de stimulation : Proteurs ISIS
Conclusion
Chapitre 5 : Implantation matérielle du ventilateur artificiel
Introduction
I. Analyse fonctionnelle de l’appareil d’assistance respiratoire « Ventilateur de la société DRÄGER »
II. L’étude pratique
II. 1 .Mise en situation
II. 1.1. Eude du circuit de puissance
II. 2 . Elaboration du système
II. 3 .Résultats et interprétations
Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie et références
Annexe

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