Physiopathologie des échanges gazeux appliquée à la réanimation respiratoire

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1 Physiopathologie des échanges gazeux appliquée à la réanimation respiratoire Pr J.-L. Diehl Faculté de Médecine, Université Paris-Descartes, Sorbonne Paris Cité UMR_S 1140 Innovations thérapeutiques en Hémostase Service de Réanimation Médicale, HEGP, AP-HP Réseau Européen de Recherche en Ventilation Artificielle

2 conflits d intérêt sur la thématique Air Liquide Santé international General Electric Dräger Alung Technologies (soutien technologique, subvention sur projets de recherche, activité de consultant)

3 rappels physiopathologiques

4 captation d O2/production de CO2 Glycolyse aérobie (ou béta-oxydation des AG ou oxydation des AA) décarboxylation et oxydation des radicaux formés dans le cycle de Krebs: libération de CO2, d ions H+ et d électrons VCO2: au repos: 250 ml/min VO2: 300 ml/min (quotient respiratoire: 0,8) variations de VO2 et VCO2: sexe: H>F, âge: J>V, exercice: 10 à 15 variations de VO2 et VCO2 régionales (gros consommateurs: myocarde, cerveau, rein)

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6 équations de la ventilation alvéolaire V A = F x (V T - V D ) V A = VE -(F x V D ) équation de Bohr: V A = 863 x VCO2/PACO2 V A : ml/min BTPS VCO2: ml/min STPD PACO2: mmhg

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8 alveolar gaz equation simplified alveolar gaz equation full version of the alveolar gaz equation respiratory exchange ratio: R

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10 Les espace morts Vd anat Vd phys Vd alv

11 physiologic dead space the partial pressure of a gas is proportional to its concentration

12 Capnographie PeCO PaCO 2 PetCO PECO T

13 CAPNOGRAPHIE VOLUMETRIQUE FECO 2 PaCO 2 Fletcher et al, Br J Anaesth 1981 ; 53 : Y PECO2 Z X Vd phys = [(Y + Z) / (X + Y + Z)]. VT Vd phys = Vd anat + Vd alv

14 Vd phys = Vd anat + Vd alv

15 contenu sanguin en CO2 CO2 dissous: solubilité élevée (x25/o2), 5% du CO2 sanguin total, relation linéaire avec la PCO2: CO2 dissout (mm/l) = 0.03 x PCO2 (mmhg) (CO2 dissout vrai >>> acide carbonique CO3H2; 1/700) CO2 combiné: bicarbonates: synthèse intraérythrocytaire: 70 % du CO2 transporté CO2 combiné: carbamates: radicaux NH2 N-terminaux de l Hb (et accessoirement des protéines plasmatiques): rôle mineur

16 comparaison O2/CO2

17 réserves de C02 os: 120 litres tissus: 25 litres sang: 3 litres amortissement des effets des variations ventilatoires sur la PaCO2: stabilisation après environ 30 min

18 quotient respiratoire notion de quotients respiratoires métabolique (niveau cellulaire) et ventilatoire (mesuré à la bouche): égaux à l état stable dépendant des substrats: plus élevé pour les lipides équation de mesure du quotient respiratoire ventilatoire:

19 Hypoventilation alvéolaire Par définition: réduction globale de la ventilation alvéolaire, pouvant être due à: une augmentation de l espace mort une réduction de la ventilation minute (VE): dépression des centres respiratoires maladies neuro-musculaires obésité morbide obstruction des voies aériennes supérieures

20 effets de l hypercapnie encéphalopathie respiratoire majoration de l hypertension intracranienne (augmentation du volume sanguin cérébral) majoration de l acidose effets hémodynamiques systémiques effets hémodynamiques pulmonaires rôle protecteur de l hypercapnie modérée sur la fonction diaphragmatique (Jung B, Crit Care 2013, exp) désadaptation respiratoire (sueurs) la normalisation de la PaCO2 n est pas obligatoirement un objectif prioritaire (nécessité d analyse physiopathologique de la situation clinique et de prise en compte du rapport bénéfice-risque des méthodes thérapeutiques envisagées)

21 principes de traitement de l hypercapnie traitement étiologique diminuer la production de CO2 (température corporelle, alimentation, mise au repos - même partiellement - des muscles respiratoires, ) réduction de l espace mort (par ex. instrumental, «lavage») assistance respiratoire conventionnelle (par convection): application de l équation: V A = F x (V T - V D ) invasive/non invasive ventilation à haute fréquence (convection/dispersion/diffusion) augmentation de l élimination par une CEC: ECMO, ECCO2R,

22 exemples d applications cliniques dans la prise en charge de l hypercapnie

23 quotient respiratoire dépendance des substrats: moins élevé pour les lipides (QR: 0,7) Herve P, Simonneau G, Girard P, Cerrina J, Mathieu M, Duroux P. Hypercapnic acidosis induced by nutrition in mechanically ventilated patients: glucose versus fat. Crit Care Med ;13:

24 application dans le SDRA Prin S, et al. Ability and safety of a heated humidifier to control hypercapnic acidosis in severe ARDS. Intensive Care Med : HME: filtre échangeur de chaleur et d humidité HH: humidificateur chauffant

25 relation PACO2- VA

26 application dans le SDRA Mercat A, Diehl JL, et al. Extending inspiratory time in acute respiratory distress syndrome. Crit Care Med. 2001;29:40-4. hypothèses: meilleure mixique des gaz alvéolaires et bronchiques début de l expiration au pic de paco2 (mais les fluctuations alvéolaires sont faibles: classiquement 2 mmhg...)

27 application dans le SDRA: valeur pronostique de VD/VT n=179 VT: 10 ml/kg trouble de diffusion du CO2 dans le SDRA? (données MIGET) Nuckton TJ, et al. Pulmonary Dead-Space Fraction as a Risk Factor for Death in the Acute Respiratory Distress Syndrome NEJM 2002; 346:

28 ventilation à haute fréquence Schematic representation of the purported waveforms of HFOV and conventional pressure-controlled ventilation in the distal airways Chan, K. P. W. et al. Chest 2007;131:

29 Schematic representation of the high-frequency oscillator Chan, K. P. W. et al. Chest 2007;131:

30 Mechanisms of gas exchange during HFOV Chan, K. P. W. et al. Chest 2007;131:

31 ECMO Peripheral ECMO cannulation: veno-venous, arterio-venous...

32 CESAR: conventional ventilation or ECMO for severe acute respiratoty failure RCT , 180 patients randomisés End-point: survival without severe disability at 6 months Results: 57/90 (ECMO) vs 41/87 (conventional) p = 0.03 Technique: veno-venous Transfert des patients randomisés ECMO vers un seul centre Étude EOLIA

33 ECCO 2 R Hemolung: Alung Maquet: PALP Novalung ila Hemodec Decap

34 ila Membrane Ventilator (Novalung) Muller et al. Eur Resp J 2009 Muller et al. Critical Care 2009

35 A Novel Extracorporeal CO 2 Removal SystemExtracorporeal CO2 Removal in COPD: Results of a Pilot Study of Hypercapnic Respiratory Failure in Patients With COPD NK Burki, RK Mani FJF Herth, W Schmidt, H Teschler, F Bonin; H Becker; WJ Randerath; S Stieglitz; L Hagmeyer; C Priegnitz; M Pfeifer, SH Blaas; C Putensen; N Theuerkauf, M Quintel O Moerer. Changes in PaCO 2 (mean ± SEM) and ph (mean ± SEM) with ECCO 2 R in 7 patients with acute exacerbation of COPD on noninvasive positive pressure ventilation [NIPPV0 h on abscissa represents baseline values. Chest. 2013;143(3):

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37 Terragni et al. Anesthesiology 2009; 111:826-35

38 Terragni et al. Anesthesiology 2009; 111:826-35

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40 SDRA: insufflation intra-trachéale de gaz Kalfon P, et al. Permissive hypercapnia with and without expiratory washout in patients with severe acute respiratory distress syndrome. Anesthesiology. 1997; 87:6-17.

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42 hélium et travail respiratoire Diehl JL, et al. Helium/oxygen mixture reduces the work of breathing at the end of the weaning process in patients with severe chronic obstructive pulmonary disease. Crit care Med 2003; 31:

43 étude des mélanges hélium-oxygène de faible densité 13 patients BPCO intubés pour décompensation aiguë, étudiés précocement sous ventilation contrôlée Air-oxygène Hélium-oxygène Air-oxygène Ppic, cmh 2 O 35, 4 6, 7 31, 6 7, 6 * 34, 9 6, 9 Pplateau, cmh 2 O 22, 3 4, 9 20, 9 5, 5 * 21, 7 4, 7 P1 Pplat, cmh 2 O 4, 5 2, 2 4, 7 1, 7 4, 6 2, 3 PEPi stat, cmh 2 O 11, 7 4, 0 10, 3 4, 3 * 10, 9 3, 8 PEPi dyn, cmh 2 O 3, 1 1, 0 2, 7 0, 7 * 3, 0 0, 8 PaO 2, mmhg PaCO 2, mmhg VD / VT, % Diehl JL Ann Intens Care 2011; 1:24.

44 hélium: perspectives décompensations aigues d IRCO de sévérité intermédiaire: 2 études multicentriques en VNI négatives avec comme critère d évaluation principal l intubation trachéale (mais manque de puissance) combinaison: hélium en VS + hélium en VNI (essai ECHO-ICU) AAG: combinaison VNI/nébulisations (Diehl jl Non-invasive ventilation in severe asthma attacks. Minerva Anestesiol. 2013; 79:926-33) problèmes logistiques: alimentation en hélium, calibration des respirateurs

45 exemples d applications cliniques dans le traitement de l hypoxémie

46 oxygenation: PEEP/VT: concept

47 oxygenation: PEEP/VT: courbe PV Volume Pression

48 oxygenation: PEEP/VT: ARDSnet

49 Positive End-Expiratory Pressure Setting in Adults With Acute Lung Injury and Acute Respiratory Distress Syndrome A Randomized Controlled Trial JAMA 2008, 299: RCT: multicentrique, 767 patients, VT: 6 ml/kg IBW distension alvéolaire minimale: PEEP comprise entre 5 et 9 cmh2o recrutement alvéolaire maximal: PEEP ajustée pour Ppl entre 28 et 30 cmh2o

50 Mercat, A. et al. JAMA 2008;299: Copyright restrictions may apply. Probabilities of Death and Breathing Without Assistance From the Day of Randomization (Day 0) to Day 28

51 Plasma Growth-Arrest-Specific Protein 6, Interleukin-8, and Vascular Endothelial Growth Factor. Diehl, J.L. et al. Respir Care 2013;58: (c) 2012 by Daedalus Enterprises, Inc.

52 Pressions trans-pulmonaires Mechanical Ventilation Guided by Esophageal Pressure in Acute Lung Injury Daniel Talmor, M.D., M.P.H., Todd Sarge, M.D., Atul Malhotra, M.D., Carl R. O'Donnell, Sc.D., M.P.H., Ray Ritz, R.R.T., Alan Lisbon, M.D., Victor Novack, M.D., Ph.D., and Stephen H. Loring, M.D. N Engl J Med 2008; 359: November 13, 2008DOI: /NEJMoa

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54 Mesures chez un patient passif

55 Artéfacts cardiaques (Peso)

56 Take-Home Messages La maitrise de la physiologie est indispensable à la pratique de la réanimation respiratoire. Excellent terrain d application en recherche translationnelle Lire et relire le West (ou équivalent )