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Les bases de la ventilation mécanique

Les bases de la ventilation mécanique

Lors de la prise en charge de patients en état critique (soins intensifs, réanimation, anesthésie), la ventilation mécanique est très fréquemment pratiquée. Son objectif premier est d’assurer les échanges gazeux (oxygénation et élimination du CO2) de manière adaptée aux besoins du patient. On peut donc y avoir recours pour décharger le travail des muscles respiratoires en cas d'épuisement ou pour assurer la fonction ventilatoire en cas d'anesthésie générale, par exemple.

Dans cet article, nous allons donc expliquer les bases de la ventilation mécanique. Pour cela, il est nécessaire d'avoir certaines connaissances de physiologie respiratoire.

Différences ventilation spontanée / ventilation artificielle

Il existe des différences importantes entre la ventilation spontanée et la ventilation mécanique contrôlée :

  • En ventilation spontanée : l'inspiration se fait en pression négative. De plus, la course diaphragmatique et la dépression engendrée sont bien plus importantes en zone dorsale qu’en zone ventrale, et l’aération se fait donc majoritairement vers les zones les mieux vascularisées.
  • En ventilation contrôlée : l'inspiration se fait en pression positive. De ce fait, le mélange gazeux est poussé par le ventilateur vers les zones de moindres contraintes qui se situent dans la région ventrale du poumon, qui est la moins vascularisée. De plus, il faut savoir que la pression positive instaurée va avoir des conséquences hémodynamiques notamment via son retentissement sur le coeur droit et sur le retour veineux.

Ventilation mécanique

Les modes ventilatoires

Il existe de très nombreux modes ventilatoires mis à disposition des cliniciens par les différents fabricants. Globalement tous les modes existants reposent sur seulement 2 grands types de ventilation : la ventilation en pression et la ventilation en volume.

Il faut également distinguer les modes contrôlés où le médecin contrôle totalement la respiration du patient (VPC pour ventilation à pression contrôlée et VVC pour ventilation à volume contrôlé) et les modes assistés où le médecin règle le respirateur afin d’aider le patient qui respire spontanément (mode VSAI pour ventilation spontanée avec aide inspiratoire par exemple).

Dans ce cours, nous ne traiterons que des 2 principaux modes contrôlés, c’est a dire : VPC et VVC.

ventilation mecanique medecine
Différences d'aspect des courbes de pression et de débit entre la VPC et la VVC

Ventilation en pression contrôlée (VPC)

En pression contrôlée, le débit est décélérant : c’est-à-dire que l’administration du volume gazeux est d'emblée maximale puis progressivement ralentie au cours du temps, de telle sorte que la pression maximale ne dépasse pas la consigne appliquée au respirateur par le médecin.

Ventilation en volume contrôlée (VVC)

En volume contrôlé, le débit est carré : c’est-à-dire que le mélange gazeux est administré avec un débit constant jusqu’à obtention du volume appliqué en consigne au respirateur par le médecin. Ce mode de ventilation met en jeu des phénomènes résistifs s’opposant à l’écoulement du fluide. Il apparaît alors une pression maximale qui est supérieure à celle observée en pression contrôlée. Cette pression maximale est liée à la vitesse d’administration du fluide et aux résistances gênant son écoulement.

De plus, il est primordial de comprendre qu’il est possible de faire apparaître un temps de pause télé-inspiratoire, observé en fin d’administration du volume consigné après la fermeture de la valve inspiratoire mais avant l’ouverture de la valve expiratoire. Celui-ci permet un équilibre des pressions entre les voies aériennes proximales et les alvéoles en distalité. La pression d’équilibre observée est appelée pression de plateau et correspond à la pression qui règne dans les alvéoles.

On peut également noter que la forme du débit expiratoire est identique en pression et en volume contrôlé. En effet, cette phase dépend exclusivement des propriétés élastiques de la paroi du patient.

courbe de pression en vvc
Courbe de pression en VVC

Un des avantages du volume contrôlé est de pouvoir faire apparaître 3 pressions différentes :

  • PE / PEP / PEEP : pression positive en fin d’expiration permettant de maintenir les alvéoles ouvertes.
  • La Pmax / pression de crête / Ppic : elle dépend de la résistivité du système, constitué du circuit du respirateur, du filtre, de la sonde d’intubation et de l’arbre bronchique du patient. Ce système entraîne une gêne à l’écoulement du fluide suivant la loi de Poiseuille (la résistance du système est proportionnelle à sa longueur et inversement proportionnelle à son rayon à la puissance 4).
  • La pression de plateau ou Pplat : représente la pression alvéolaire. On peut remarquer que pour un volume courant administré identique, la pression de plateau en volume contrôlée sera identique à la pression maximale observée en pression contrôlée, puisqu’elle ne dépend pas des caractéristiques du respirateur mais uniquement de la compliance du poumon du patient.

On définit la résistance sur la courbe de pression du respirateur comme la différence entre la pression maximale et la pression de crête, divisée par le débit d’administration du mélange gazeux :

R = (Pmax – Pplat) / Débit

On remarque qu’une simple variation du débit d’administration des gaz peut entraîner une augmentation de la Pmax puisque la résistance ne varie pas et que les propriétés du poumon du patient restent inchangées. En cas de bronchoréactivité importante (asthme aigu grave, etc), on peut observer une nette hausse de la Pmax, sans que les propriétés alvéolaires du poumon n’aient changé.

On définit également la compliance du système par le rapport entre le volume courant (Vt) et la différence entre la pression de plateau et la pression positive de fin d’expiration (PEP) :

C = Vt / (Pplat – PEP)

Cette différence (Pplat – PEP) est en réalité un gradient de pression qui correspond à la pression motrice (ou driving pressure en anglais) représentant la pression nécessaire pour distendre le système respiratoire par un volume donné (Vt). En cas de SDRA, une driving pressure supérieure à 13cmH2O est corrélée à une augmentation importante de la mortalité.

Anomalies courantes

Pour comprendre les subtilités des différents modes ventilatoires, on peut observer leurs comportements dans différentes situations anormales.

En cas d’augmentation des résistances

En cas d’augmentation des résistances, comme par exemple lorsque le patient mord sa sonde d’intubation ou en cas de sécrétions importantes, ce qui conduit à une réduction du diamètre du système, on pourra observer des phénomènes différents selon les modes ventilatoires :

  • En volume contrôlé : on observera seulement une hausse de la Pmax (pouvant déclencher une alarme sur le respirateur). Le volume courant définit par le médecin étant constant, il sera tout de même délivré. Il faut noter que dans ce cas, la pression de plateau restera inchangée puisque seules les résistances du système sont modifiées et non pas sa compliance.
  • resistance augmentée en vvc
    Résistance augmentée en VVC
  • En pression contrôlée : le ventilateur ne dépassera pas la consigne de pression demandée par le médecin. Elle restera constante malgré l’augmentation des résistances du système, ce qui aboutira à une diminution progressive du volume administré au patient (pouvant devenir nul). Le volume courant n’est donc pas garanti en cas de hausse des résistances !
  • resistance augmentée en vpc
    Résistance augmentée en VPC

En cas de baisse de la compliance

En cas de baisse de la compliance, comme par exemple lorsque l’intubation devient sélective ou en cas de SDRA, on observera également des phénomènes différents selon les modes ventilatoires :

  • En volume contrôlé : le Vt sera constamment délivré. Les résistances du système n’étant pas modifiées, la différence entre la Pmax et la Pplat sera inchangée. Cependant, il existera une gêne à la distension des poumons lors de l’administration du volume courant et donc on observera une augmentation de la pression de plateau. Ainsi, afin de protéger le poumon de lésions alvéolaires, il est nécessaire de fixer des limites de pressions maximales.
  • Compliance augmentée en VVC
    Compliance augmentée en VVC
  • En pression contrôlée : comme précédemment, le Vt n’étant pas garanti, il sera diminué. Il est donc là aussi nécessaire de fixer des alarmes mais cette fois concernant le volume courant administré par le respirateur.

Quel mode ventilatoire choisir ?

Grande question… Aucun mode n’ayant montré de supériorité par rapport à un autre, on peut dire à ce jour qu’il faut utiliser le mode le mieux maîtrisé. En effet, en manipulant les bons paramètres, on peut aboutir aux mêmes effets avec tous les modes ventilatoires. Il faut donc bien connaître et comprendre quels sont les paramètres à fixer, les variables à monitorer et les alarmes à régler pour le mode ventilatoire choisi. Pour résumer :

  • En volume contrôlé : la consigne est un volume (Vt) qui sera constant. La pression est donc un paramètre variable. On doit donc régler les alarmes sur la Pmax (appelée aussi Ppic) et la Pplat.
  • En pression contrôlée : la pression est fixe. Les volumes (Vt, VM) sont variables, ils doivent donc être monitorés avec des alarmes fixées.

Lésions induites par la ventilation mécanique (VILI)

La ventilation mécanique est un processus invasif qui ne doit pas être pris à la légère car elle peut entraîner des lésions pulmonaires irréversibles appelées VILI pour Ventilator-Induced Lung Injury. Celles-ci favorisent l’apparition de biotraumatismes (œdèmes, hémorragies, inflammation), entraînant une augmentation de la morbi-mortalité à long terme.

En cas d’utilisation de grands volumes courant, une surdistension des alvéoles apparaît, entraînant une déformation de celles-ci à chaque cycle respiratoire, se concluant par une destruction de leur paroi : on appelle cela des volotraumatismes. Sur le même principe, l’administration de pressions excessives, notamment des Pplat supérieures à 30 cmH2O, conduit à l’apparition de barotraumatismes.

A l’opposé, une ventilation à petits volumes courant peut être aussi délétère en favorisant la formation d’atélectasies en l’absence de PEP suffisante et conduisant ainsi à des atélectraumas par ouvertures / fermetures cycliques.

C’est pourquoi il est recommandé d'exercer une ventilation mécanique protectrice personnalisée pour chaque patient. On doit adapter le ventilateur à chaque patient, et non l’inverse.

Réglages de base en ventilation mécanique

Afin d’optimiser la ventilation mécanique de nos patients, on peut utiliser les réglages de base ci-dessous :

  • Volume courant (Vt) : 6 à 8 mL/kg de poids idéal théorique, basé sur la taille.
    Chez l’homme : taille - 100
    Chez la femme : taille - 110
  • PEP : 5 ou 6 cmH2O au moins, systématiquement. A noter que chez les patients graves (SDRA), la PEP peut largement être augmentée pouvant atteindre jusqu’à 15 cmH2O mais la PEP optimale pour un patient donné est difficile à obtenir.
  • Fréquence respiratoire (FR) : à régler selon le pH idéalement, sinon selon la capnie en visant un EtCO2 entre 30 et 35 mmHg. Pour rappel, une augmentation du volume-minute, qui est proportionnel à la fréquence respiratoire et au volume courant, permet de diminuer la capnie, et inversement. De nos jours on recommande donc une ventilation protectrice comprenant de petits volumes courant avec des fréquences respiratoires élevées.
  • Rapport I / E (temps inspiratoire / temps expiratoire) : fixé à 1/2. Le temps expiratoire pourra être allongé dans le cas de patient bronchospastique ou obstructif. Attention : il faut absolument vérifier que le temps expiratoire est suffisant en analysant la courbe de débit. Si le débit de fin d’expiration est différent de 0 alors le poumon du patient n’est pas complétement vidé lorsqu’un nouveau cycle respiratoire débute : il y aura un phénomène de trapping appelé hyperinflation dynamique, conduisant à une auto-PEP.
  • hyperinflation dynamique
    Hyperinflation dynamique en ventilation mécanique
  • Fraction inspirée en oxygène (FiO2) : la plus basse possible. En effet, une FiO2 trop importante peut être délétère pour les patients (effet pro-oxydant, dénitrogenation favorisant les atélectasies, etc). On vise donc une FiO2 minimale permettant d’obtenir une SpO2 >94% pour les sujets sains et entre 88 et 92% pour les sujets insuffisants respiratoires. Il est important de noter qu’une désaturation ne doit pas forcément se traiter par une augmentation de la FiO2 mais peut nécessiter plutôt une optimisation de la PEP (au moins 5 cmH2O) ou bien des manœuvres de recrutement (appliquer une pression de 30cmH2O pendant 30 secondes par exemple). Attention, ces manœuvres de recrutement sont contre-indiquées en cas d'hémodynamique instable, d’anesthésie insuffisante, de pneumothorax ou d’HTIC...
  • Temps de plateau (si ventilation en volume contrôlé) : de 0,2 à 0,3 secondes, afin de mesurer de manière continu la pression de plateau dynamique dans le but d’améliorer les échanges gazeux alvéolaires (notamment réduction de la capnie), ce qui peut contribuer indirectement à diminuer les volumes courants avec une fréquence respiratoire constante.

Il est également important d’analyser l’aspect des courbes (efforts inspiratoires du patients, phénomènes de trapping), et de monitorer certaines variables indispensables, notamment :

  • Pression de plateau statique : à mesurer lors d’une pause télé-inspiration d’environ 5 secondes. Celle-ci est systématiquement inférieure à la pression de plateau dynamique mesurée au cours du cycle respiratoire grâce au temps de plateau.
  • Pression de plateau dynamique : toujours viser une Pplateau < 28-30 cmH2O afin d’éviter des lésions alvéolaires de barotraumatisme.
  • Pression de crète ou Pmax : attention, elle ne représente que les forces résistives donc ne représente pas de risque potentiel pour les alvéoles.
  • Volume courant expiré : il peut varié par rapport au volume courant donné en consigne au respirateur car il existe des phénomènes de compression des mélanges gazeux ainsi que des modifications de leur humidification.
  • Courbe de capnographie : une baisse brutale peut révéler un bronchospasme ou un bas débit cardiaque alors qu’une hausse brutale peut être en faveur d’une hyperthermie.

Voilà, j'en ai terminé avec ce petit cours pour débuter en ventilation mécanique ! C'est très dense, mais tellement intéressant je trouve ! Si cela vous intéresse, j'ai trouvé une vidéo vraiment très bien faite sur YouTube qui récapitule la ventilation mécanique d'une autre manière qu'ici :

Pour des considérations plus scientifiques, la présentation réalisée au congrès de la SRLF 2015 est très informative :

Afin d'aller plus loin dans cette spécificité passionnante de notre métier d'anesthésiste-réanimateur, on m'a conseillé un livre dont je n'ai pas encore eu le temps de me procurer mais j'y compte bien. Il s'agit de Ventilation artificielle: De la physiologie à la pratique :

Après avoir compris les bases de la ventilation mécanique, il peut être utile pour tout médecin anesthésiste-réanimateur ou urgentiste de savoir mettre en place une ventilation non-invasive.