Interaction patient-ventilateur DESC Réanimation Médicale Marseille 2008 M. Gainnier Réanimation Médicale - Marseille

Interactions patient-ventilateur During mechanical ventilation the respiratory system is affected by two pumps, the ventilator controlled by the physician and the patient’s own respiratory muscle pump controlled by the patient. Patient-ventilator interactions is mainly an expression of the function of these two controllers, which should be in harmony if the results is to be appropriate for the patient. Kondili et al., BJA 2003;91: 106-19

Ventilation spontanée-assistée Kacmarek & Hess, 65-110, in Tobin MJ Principles & Practice of Mechanical Ventilation, 1994 Pilbeam SP, 188-223, in Pilbeam SP Mechanical Ventilation, 1998 Inspiration déclenchée par le patient Déclenchement s/ signal en débit ou en pression Volume ou pression consigne Temps inspiratoire déterminé par le ventilateur Soutien ventilatoire partiel Aslanian & Brochard, 817-846, in Marini & Slutsky Physiological basis of Mechanical Ventilation 1998 Temps inspiratoire déterminé par le patient Modes ventilatoires « synchrones » avec le patient Pas de fréquence propre du ventilateur

Fernandez et al., AJRCCM 1999; 159:710-9 Début Insufflation Machine Début Ti neural Fin Ti neural (Pmus) Tracé de la Pression des voies aériennes (Paw), du débit (Flow), du volume (volume), de l’EMG diaphragmatique brut (raw Edi), EMG après retrait de l’ECG et rectification (processed Edi), EMG moyenné et intégré (Edi MA), et enfin de la Pmus calculée à partir de l’équation de mouvement (Pmus = VR + VtE – Paw). La marque A désigne le début du Ti neural, c’est le point qui correspond au moment où la Pmus augmente et où il existe des modifications de sens des tracés de Paw et de Débit. Le point B correspond au déclenchement du ventilateur, c’est le point ou la pression commence à changer de sens. Le point C1 correspond à la fin du Ti neural défini sur la Pmus et correspond au point où la Pmus commence à baisser. Le point C2 correspond à la fin du Ti neural défini sur l’EMG et correspond au point où EMGdiMA commence à diminuer. Le point D correspond à la fin du cycle mécanique, c’est le point où la Paw et le débit diminuent de manière rapide. TI neural (ou Ti patient) correspond à l’intervalle A–C. Le temps de déclenchement (Ttr) correspond à l’intervalle A–B. L’intervalle CD correspond à la différence entre le Tin et la fin cycle mécanique Le volume théorique est le volume à la fin du Ti (point C1 ou C2) Ttot est égal à la différence de temps entre les deux points A. Fin Ti neural (EMG) Fin Insufflation Machine Fernandez et al., AJRCCM 1999; 159:710-9

Fernandez et al., AJRCCM 1999; 159:710-9 ASYNCHRONIE ASYNCHRONIE PHASE INSP MACHINE (Ti mach) PHASE INSP PATIENT (Ti neural) Tracé de la Pression des voies aériennes (Paw), du débit (Flow), du volume (volume), de l’EMG diaphragmatique brut (raw Edi), EMG après retrait de l’ECG et rectification (processed Edi), EMG moyenné et intégré (Edi MA), et enfin de la Pmus calculée à partir de l’équation de mouvement (Pmus = VR + VtE – Paw). Le mode ventilatoire est l’aide inspiratoire (AI). Les marques (A, B, C1, C2, D) ont le même sens que la précédente diapositive. Pour un synchronisme parfait, il faudrait que Tneural tot = Ttot machine. T tot machine T neural tot Fernandez et al., AJRCCM 1999; 159:710-9

Pappl = Pmus+Paw = (VT•Ers)+(V'I•Rrs) Feedback: •trigger •pressions •cyclage Pappl = Pmus+Paw = (VT•Ers)+(V'I•Rrs) Feedback: •neuro-mécanique •chimique Profil volume en f(t)

Contrôle respiratoire Emotions Sensations Température Exercice Hormones Drogues Générateur de rythme Veille Sommeil Récepteurs VAS Chémorécepteurs Centraux Périph Récepteurs Pulmonaires Intensité Timing Afférences Musculaires Cardiovasculaire SIGNAL DE SORTIE MOTEUR

Profils ventilatoires D'après Yamada & Du, J Appl Physiol 2000; 88: 2143-2150 Pression inspiratoire Durée de la pressurisation Pente de pressurisation Intensité de l’effort insp. Durée de l’effort insp. Pente de pressurisation

D'après Yamada & Du, J Appl Physiol 2000; 88: 2143-2150 Paramètres régulés D'après Yamada & Du, J Appl Physiol 2000; 88: 2143-2150 Ventilateur - trigger inspiratoire - fonction de pressurisation - niveaux de pression - consigne de cyclage Patient - ti neural - fonction de pressurisation - Pmusmax - te neural

Ti neural Te neural Ti neural

Conséquences délétères des asynchronies patient-ventilateur  Besoins en Sédation  WOB Lésions Muscles respiratoires Hyperinflation dynamique Sevrage prolongé  Durée de Séjour  Coûts…… Tobin AJRCCM 2001; 163: 1059-1063 Nilsestuen and Hargett Resp Care 2005; 50: 202-32

Patients ventilés au long cours Patients avec et sans Asynchronie Chao et al. CHEST 1997; 112:1592-99

Echec de déclenchement et sevrage 80 Déclenchement 155 patients 57% WS Efforts non récompensés 19 patients 16% WS Pes Paw 40 Flow -40 Chao et al. Chest 1997;112:1592

Asynchronie patient-ventilateur: prévalence Thille et al., Intensive Care Med 2006; 32: 1515-1522 62 pts en VM > 24 h • Efforts inspiratoires inefficaces • Double déclenchements • Auto-déclenchements • Cycle écourté (suggère cyclage précoce) • Cycle prolongé (suggère cyclage tardif) Indice d'asynchronie = _______ n évènements________ x 100 (fréq. ventilateur + fréq. efforts ineff.) Sévère si > 10%

Asynchronie patient-ventilateur: prévalence Thille et al., Intensive Care Med 2006; 32: 1515-1522 62 pts en VM > 24 h 15 pts (25%) avec indice d'asynchronie > 10 % médiane à 26 % (18-37) Evènements: Efforts inefficaces 85 % Double déclenchement 13 %

Effet de l’asynchronisme patient - ventilateur sur la durée de VM et le pronostic Thille et al. ICM 2006; 32: 1515-22

Les réglages de l’AI (Hors alarmes) Pression FiO2 AI PEP Trigger Insp Débit OPTIONNEL Pente ETS

How is mechanical ventilation employed in the intensive care unit ? An international utilization rewiew Esteban et al. Am J Respir Crit Care Med 2000; 161: 1450-1458 % 32-40 95 % CI 412 ICUs 1'638 pts 24-32 Sevrage 3-21 7-12 4-8

Réponse à l'effort inspiratoire Aide inspiratoire MacIntyre et al., Chest 1990; 97: 1463-1466 Tobin et al., Am J Respir Crit Care Med 2001; 163: 1059-1063 Niveau d'AI Pressurisation Paw Cyclage I:E Temps Réponse à l'effort inspiratoire ("Trigger")

Réponse à l'effort inspiratoire Paw Temps Réponse à l'effort inspiratoire ("Trigger")

Trigger (Déclenchement) Solution idéale Système nerveux central Nerf phrénique Le signal idéal pour déclencher le ventilateur serait de récupérer l’information de début d’une inspiration au niveau du système nerveux central (SNC), là ou le signa naît. Il est évident, compte tenu de la technologie actuelle, qu’en pratique cela est impossible. Lorsque l’ordre pour démarrer une inspiration naît du SNC, il chemine par les voies nerveuses jusqu’au muscles respiratoires ce qui génère une contraction diaphragmatique et une expansion thoracique. Cette expansion à pour conséquence de générer à son tour des signaux de pression, débit et volume. Ce sont ces signaux qui sont recueillis pour démarrer le ventilateur. Excitation diaphragmatique Ventilateur Contraction diaphragmatique Expansion thoraco-pulmonaire Pression, débit, volume Technologie actuelle

Phase pré et post trigger Prétrigger Phase Posttrigger PEP 5 a b Seuil -3 2 Réponse du ventilateur à la demande

Richard et al., Intensive Care Med 2002; 28:1049-1057

Richard et al., Intensive Care Med 2002; 28:1049-1057 Previous generation Piston/turbine New generation

Effort de déclenchement Début Effort Insp Ouverture Valve Cyclage I:E 1 Flow L/sec -1 20 cm H2O Paw 10 -5 10 cm H2O Pes -5 1 2 3 4 Temps, sec Leung et al, AJRCCM 1997;155:1940

Effort in Post-Trigger Phase is Proportional to Drive at Breath Onset 20 15 10 5 r = 0.78 Post-Trigger PTP, cm H2O.s 0 20 40 60 Respiratory Drive (dP/dt), cm H2O/s Leung et al, AJRCCM 1997;155:1940

Effets proinflammatoire d’un effort inspiratoire contre charge résistive (75% vs 35% Pmax) N = 11 sujets sains Vassilakopoulos et al.Am Journal Physiol 1999; 277:R1013-1019

Load-Induced Structural Injury Orozco-Levi et al. AJRCCM 2001;164:1734

Load-Induced Structural Injury 120 80 FEV1 (% pred) 40 10 20 30 40 50 Diaphragm injury (sarcomere disruptions, n/100 µm2) Orozco-Levi et al. AJRCCM 2001;164:1734

Efforts inspiratoires inefficaces Fabry et al Efforts inspiratoires inefficaces Fabry et al., Chest 1995; 107: 1387-1394

Asynchronie de déclenchement Chao et al., Chest 1997; 112: 1592-1599 Mode assisté-contrôlé, ø PEP

Echec de déclenchement 3 -2 Flow L/sec 20 cm H2O Paw 5 -10 cm H2O Pes * 10 20 30 Leung et al, AJRCCM 1997;155:1940

Asynchronie de déclenchement Chao et al., Chest 1997; 112: 1592-1599 Mode assisté-contrôlé, ø PEP Mode assisté-contrôlé, PEP 10 cmH2O

Determinants de l’échec de déclenchement Volume Courant Temps Expiratoire PEEPI,dyn, cm H2O 4.5 4.0 3.5 3.0 0.5 0.0 510 480 450 100 1.6 1.4 1.2 1.0 Cycles précédent un non déclenchement p < 0.02 p < 0.001 p < 0.001 Cycles precedent un déclenchement Leung et al AJRCCM 1997;155:1940

Determinants des efforts inefficaces 10 10 r=0.85 r=-0.61 5 5 Wasted PTP, cm H2O.s/min 20 40 20 40 60 Resistance, cm H2O/L/s Elastance, cm H2O/L 10 r=0.77 5 4 8 PEEPi,rs, cm H2O Leung et al, AJRCCM 1997;155:1940

BPCO: problème de la PEP intrinsèque (PEPi) Pao 0 cmH2O Pao 0 cmH2O Pao + 10 cmH2O (PEEP) Ppl +10 -> +8cmH2O PEPi 10 cmH2O DP 2 cmH2O Palv +10 -> +8 cmH2O DP 2 cmH2O DP 12 cmH2O Palv 0 -> -2 cmH2O Palv +10 -> -2 cmH2O Ppl 0 -> -2cmH2O Ppl +10 -> -2cmH2O Normal PEPi 10 cmH2O

Application de PEPe en présence de PEPi: effet sur les efforts inspiratoires inefficaces Nava et al. , Intensive Care Med 1995; 21: 871-879 i/50 PTPi (cmH2O/s-1) * * p < 0.05

Comparaison des valeur du produit pression temps (PTP) qui est un équivalent du travail respiratoire en fonction de la nature du trigger utilisé pour déclencher un cycle mécanique. On observe que le trigger en débit réduit de manière significative le travail lié au déclenchement et le travail ventilatoire post-trigger. Ceci est également le cas en CPAP et chez le BPCO ventilé. Giulani, AJRCCM, 1995

Am J Respir Crit Care Med 1998; 157: 135-143

Nature Medicine 1999; 5: 1433-1436

Pressure and Neural Triggering Airway pressure trigger Airway pressure (cm H2O) 10 Diaphragmatic electrical activity (a.u.) 10 Neural trigger Airway pressure (cm H2O) 10 Trigger threshold Diaphragmatic electrical activity (a.u.) 10 10 20 30 Time (s) Sinderby et al, Nature Med 1999;5:1433

Sonde NAVA

Sonde NAVA

Sonde NAVA : Mise en Place

Sonde NAVA : Mise en Place

BPCO : VSAI 15 – PEEP 5 - ETS 20% F = 24/min F = 60/min

BPCO : NAVA 5 cmH2O/µvolts – PEEP 5

Asynchronie de déclenchement: déterminants principaux Influençant l'auto-PEEP VT élevé Débit inspiratoire faible Facteurs liés au ventilateur Affectant le seuil de déclenchement Faible sensibilité du "trigger" "Trigger" en pression Résistance/compliance/fuite s/circuit Y Influençant l'auto-PEEP Demande ventilatoire élevée Constante de temps élevée Facteurs liés au patient Affectant la pression inspiratoire Hyperinflation marquée Faiblesse muscles respiratoires Volet costal/sternal

Pressurisation Paw Temps

Importance de la pente de pressurisation Bonmarchand et al., Crit Care Med 1999; 27: 715-722 Winsp (J/L, % SB) Time to PS (sec) * *† P < 0.05 vs. * t 0.1, † t.0.5 Restrictive patients (J/L) Intensive Care Med 1996; 22: 1147-1154 Obstructive patients

Pente de pressurisation et confort Chiumello et al. Eur Respir J 2001; 18: 107-114 n = 10 pts intubés

Niveau d'AI Paw Temps

Aide inspiratoire et charge imposée aux muscles respiratoires Brochard et al. Am Rev Respir Dis 1989; 139: 513-521 8 patients avec BPCO, intubés et en sevrage de la VM % PS cmH2O

Niveau d'aide inspiratoire et efforts inspiratoires inefficaces Leung et al., Am J Respir Crit Care Med 1997; 155: 1940-1948 n inspiratory attempts/min. % support

Asynchronie patient-ventilateur: incidence Thille et al., Intensive Care Med 2006; 32: 1515-1522

Efforts inspiratoires inefficaces et niveau d'AI Thille et al., Réanimation 2007; 16 (Suppl 1): S170 n = 11 pts, AI 19 ± 2 -> 13 ± 2 cmH2O Efforts ineff. % Fréq resp. (n/min.) PTP (cmH2O.s/min.) * # * p < 0.01 vs. AI 19; # p < 0.05 vs. AI 19

Jolliet & Tassaux, Crit Care 2006;10(6):236 Respiratory Respiratory • augmentation hyperinflation muscle muscle • Cyclage retardé workload workload • tachypnée • ä PEEPi • inconfort • ä Efforts Insp inefficaces • hypercapnie • inconfort Optimal Optimal PS level PS level Assistance Excessive Assistance Insuffisante Niveau d’Aide Jolliet & Tassaux, Crit Care 2006;10(6):236

Réglage automatique de l'AI Dojat et al., Am J Respir Crit Care Med 2000;161:1161-1166 5 10 15 20 25 30 35 40 AI réglée par clinicien % durée totale VM avec profil respiratoire inacceptable 50 60 70 § * p < 0.05 % durée totale VM avec P0.1 ≥ 4 cmH2O 10 patients Non-critique Critique système expert * § p < 0.01 PS 17 ± 4 19 ± 6 cmH2O

Paw Cyclage I:E Temps

Les systèmes d’arrêt de l’inspiration en Aide Inspiratoire Paw ( cmH20 ) 30 Le débit de coupure déclenchement 20 10 10 PEP = 10 cmH2O secondes Le dépassement du niveau d’aide inspiratoire Débit ( l.min-1 ) 40 20 secondes La limitation du temps inspiratoire 20 40

de l’AI selon les ventilateurs Cyclage en Débit Cyclage en pression Cyclage en temps PB 7200 5 l/min PEP + AI + 1.5 cmH2O 3 sec PB 840 1 - 80 % débit de pointe PB 740/760 10 l/min ou 25 % débit de pointe PEP + AI + 3 cmH2O 3.5 sec Servo 900C 25 % débit de pointe 80 % du temps de cycle réglé Servo 300 5 % débit de pointe PEP + AI + 20 cmH2O Servoi 40 % débit de pointe Limite de HP <=2.5 sec basé sur le cylage en débit Evita 4 25 % débit de poin te 4 sec Bear 1000 25 % débit de pointe 5 sec Veolar Galileo Infrasonics 4 l / m i n P EP + AI + 3 cmH2O Bird 8400 Pulmonetic % debit d e p o t 3 s c Avea 5 . 2 Newport E500 v a r b Mode de cyclage de l’AI selon les ventilateurs Sécurité Normal

V'ti = Débit inspiratoire à la fin du Tin AI et cyclage inspiration - expiration Yamada et al., J Appl Physiol 2000; 88: 2143-2150 Sinderby et al., Nature Med 1999; 5: 1433-1436 V'peak Pressure V'ti = Débit inspiratoire à la fin du Tin V'ti ET = V'insp/V'peak Flow Synchronisation idéale V'insp = V'ti ET = V'ti/V'peak Neural ti (IEMGd) Time

Yamada et al., J Appl Physiol 2000; 88: 2143-2150

Pmusmax-Pmusmax(1-t/Ti)2 + Pps.(1-e-t/tv) = E.V + R.V’ Equation différentielle du Premier Degré Solution pour V’ = 0 à t = 0 ? Yamada et al., J Appl Physiol 2000; 88: 2143-2150

Yamada, JAP, 2000 Le cyclage idéal modélisé mathématiquement est fonction de t/Ti Pps/Pmusmax tp/Ti tv/Ti

Cyclage I:E en aide inspiratoire Synchronisation idéale Yamada & Du, J Appl Physiol 2000; 88: 2143-2150 Synchronisation idéale ET = V'ti/V'peak • Mécanique syst. resp. • ti neural V'ti/V'peak déterminé par: • Niveau d'AI • Pression développée par muscles resp.

Am J Respir Crit Car Med 2005;172:1283-1289 DPes cmH2O Tiexcess s * * *# * p < 0.05 vs. ET 0.10; # p < 0.05 vs. 0.25

Am J Respir Crit Car Med 2005;172:1283-1289 PEEPi cmH2O * *# * p < 0.05 vs. ET 0.10; # p < 0.05 vs. 0.25

Adjusting expiratory trigger in ALI/ARDS Tokioka et al., Anesth Analg 2001;92:161-165

CW Recoil Pressure Pes

Cycling during pressure support with airflow limitation Parthasarathay et al., Am J Respir Crit Care Med 1998; 158: 1471-1478

L’effort expiratoire augmente avec le niveau d’aide Angle de phase entre le Te Neural et le Te mécanique 8 * * PTPexp/breath, cm H2O 4 Triggering Non-triggering 5 10 20 PSV Level, cm H2O Jubran et al. AJRCCM 1985;152:129 Parthasarathy et al. AJRCCM 1998;158:1471

 Temps expiratoire ->  vidange pulmonaire Efforts inspiratoires Cyclage tardif  Temps expiratoire ->  vidange pulmonaire  Hyperinflation dynamique/PEPi  Délai de trigger  Effort insp. Efforts inspiratoires inefficaces Charge imposée muscles resp. Parthasaraty et al., Am J Respir Crit Care Med 1998; 158: 1471-1478 Jubran et al., Am J Respir Crit Care Med 1995; 152: 129-136

Pressure Support Assist-Control C4-A1 O3-A2 ROC LOC Chin Leg VT RC AB Arousal C4-A1 O3-A2 ROC LOC Chin Leg VT RC AB SpO2 EKG 1 min Parthasarathy, AJRCCM 2002;166:1423

Pressure Support Increases Fragmentation and Decreases Efficiency of Sleep Arousals plus Awakenings per hour 25 50 75 100 % Sleep Efficiency * Assist Control Pressure Support 100 p<0.05 PS plus Dead Space p<0.01 75 50 25 Assist Control Pressure Support Parthasarathy, AJRCCM 2002;166:1423

Effect of Mode and Sleep on Controller Function 0 40 80 r = -0.83 p < 0.001 Dead space No dead space PETCO2 minus Apnea Threshold, mmHg 8 6 4 2 -2 -4 -6 Apneas per hour Minute Ventilation VT/TI During Sleep 30 20 10 L/min ml/sec * W S W S Assist Control Pressure Support Apneas No Apneas Parthasarathy, AJRCCM 2002;166:1423

Pressure Support Dead Space Induces Apneas Decreases Apneas 90 60 30 p<0.05 n = 11 p<0.01 n = 6 Apneas per Hour Assist Control Pressure Support Pressure Support Pressure Support + Dead Space Tidal volume 8 ml per kg during both AC and PS PS 17 cm H2O in patients with apneas 20 cm H2O in patients without apneas Parthasarathy, AJRCCM 2002;166:1423

Sleep Increases Inspiratory Time and Expiratory Time during Pressure Support Expiratory Time Inspiratory Time p<0.0001 p<0.0001 8 4 3 2 1 Seconds W S W S W S W S Assist Control Pressure Support Assist Control Pressure Support (23% increase with PS) (126% increase with PS) Parthasarathy, AJRCCM 2002;166:1423

Aspects pratiques Efforts inspiratoires inefficaces • "Trigger" inspiratoire bien réglé ? • Cyclage tardif ? •  Aide inspiratoire •  PEEPe Efforts inspiratoires importants • Pente de pressurisation •  Aide inspiratoire Cyclage tardif (activité musculaire expiratoire) •  Aide inspiratoire • Consigne de cyclage paramétrable • Cyclage en temps