Mechanical ventilator (aka assisted ventilation) is the medical terminology for artificial ventilation where mechanical means are used to assist or replace breathing. Mechanical ventilators can be used in invasive mode where an endo-tracheal tube is inserted through the mouth into the patient’s trachea (windpipe). Invasive ventilation could be used during an acute respiratory failure or a surgery where the patient is unable to manage the breathing. Figure 1 shows this mode of mechanical ventilator.
Non-invasive ventilation uses a mask over a patient’s mouth and nose. In its most simple form, the Ambu bag compression system consists of a flexible bag mask, ventilation tubing, valves, oxygen tube, reservoir bag and a face mask. The bag mask can be compressed by a person or by mechanical means. Figure 2 shows the scenario
Les respirateurs artificiels sont largement utilisés chez les patients atteints de SDRA (syndrome de détresse respiratoire aiguë). Face à la pandémie mondiale provoquée par la Covid-19 et à ses symptômes grippaux similaires à ceux du SDRA, la question brûlante est de savoir s'il existe suffisamment de respirateurs artificiels pour prendre en charge les patients présentant des symptômes de SDRA. Une étude de l'Université Johns Hopkins (Référence 1) estime à 160 000 le nombre de respirateurs artificiels disponibles. 62 000 sont complets et les 98 000 autres, bien que non entièrement équipés, répondent aux besoins essentiels d'un patient atteint de SDRA. En cas d'urgence pandémique telle que celle créée par la COVID-19, les besoins en respirateurs artificiels pourraient augmenter de 25 % (Référence 1). Si la pandémie suit le modèle de la grippe espagnole de 1918, près de 740 000 respirateurs artificiels seront nécessaires (Référence 2).
En cas de pandémie grave, le personnel médical ne peut être présent pour comprimer le ballon Ambu. Pour plus de simplicité, une conception mécanique utilisant un moteur pas à pas permet de comprimer périodiquement le ballon afin de délivrer un certain volume d'oxygène. Plusieurs conceptions ont été proposées (références 3, 4, 5), les deux paramètres importants étant la vitesse du moteur (qui contrôle le débit de pompage) et la compression du ballon-masque, qui dépend du couple moteur et du positionnement du ballon-masque par rapport au bras de compression.
Les machines de ventilation mécanique les plus sophistiquées ont plusieurs modes de fonctionnement tels que la ventilation à volume contrôlé (VCV), la ventilation à pression contrôlée (PCV), la ventilation obligatoire intermittente synchronisée (SIVC), la pression positive continue des voies aériennes (CPAP), la ventilation assistée par pression (PSV), etc. Une de ces unités est illustrée à la figure 3
Figure 3 : Un respirateur mécanique mieux équipé
Les machines les plus récentes offrent de nombreuses fonctionnalités, telles que l'affichage des formes d'onde LCD ou CRT, la mécanique pulmonaire calculée et le diagnostic système. Quelques paramètres importants pour les respirateurs mécaniques méritent d'être décrits. Les voici :
- Volume courant : Il s'agit du volume d'air entrant et sortant des poumons à chaque cycle de ventilation. Il est illustré à la figure 4 (référence 6). Il est généralement compris entre 400 et 500 ml.
Figure 4 : Le volume courant est indiqué sur le graphique
- Rapport inspiration/expiration : Le rapport inspiration/expiration correspond au temps inspiratoire/temps expiratoire. En respiration spontanée normale, ce rapport est d'environ 1:2, mais chez les patients souffrant de SDRA, il doit être d'environ 1:2,7, bien que cela dépende également de l'état pulmonaire. La fourchette totale est de 1:2 à 1:4.
- Pression : Il est important de surveiller les pressions de pic et de plateau en ventilation mécanique. À mesure que le volume courant augmente, la pression pour forcer ce volume dans les poumons augmente également. La pression est mesurée en cm H2O et se situe normalement entre 20 et 30 cm H2O.
Le volume courant, le débit et la pression pulmonaire, qu'ils soient spontanés ou assistés par ventilation mécanique, peuvent être représentés à l'aide de diagrammes. La figure 5 présente les paramètres de respiration spontanée tracés en fonction du temps (référence 7). On observe que le volume courant (courbe rouge supérieure) varie à chaque cycle et que le débit (courbe rouge centrale) est ajusté pour supporter ce volume. La pression musculaire pulmonaire (courbe rose inférieure) est négative à l'inspiration et nulle à l'expiration. La pression alvéolaire (courbe bleue) suit la pression musculaire pulmonaire à l'inspiration et devient positive à l'expiration.
Figure 5 : Respiration spontanée
Pour un cycle contrôlé, où l'ensemble du cycle respiratoire est contrôlé par le ventilateur mécanique, on peut fixer le volume (VVC ou Ventilation à Volume Contrôlé). Le déroulement du cycle respiratoire est alors illustré à la figure 6 (Référence 7).
Figure 6 : Mode VCV pour un cycle contrôlé
Dans ce cas, le volume courant (courbe rouge supérieure) est constant, mais le débit inspiratoire (courbe rouge centrale) a été modifié à chaque cycle, ce qui a entraîné des temps et des pressions inspiratoires différents (courbe rouge inférieure). La pression musculaire est nulle, car le patient ne présente aucun effort respiratoire lors d'un cycle contrôlé. Enfin, la pression alvéolaire (courbe bleue) n'a pas varié, car elle était déterminée par le volume courant.
Références
1. Stockage et disponibilité des respirateurs aux États-Unis, John Hopkins, Bloomberg School of Public Health, 4 février 2020.
2. Article en ligne du New York Times par Aaron Carroll,
3. https://www.youtube.com/watch?v=1t2t8d8xtD0
4. https://www.youtube.com/watch?v=oLQ5bXakWq8
5. https://www.youtube.com/watch?v=DdQg11QgpXg
6. Volumes respiratoires et capacité pulmonaire expliqués. Ressource en ligne. TeachPE.com
7. Modes de base de la ventilation mécanique, Marcelo Alcantra Holanda, ressource en ligne xlung.