Mesure du débit et volume sanguins. Cause des décès au Canada

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1 Mesure du débit et volume sanguins Damien Garcia Laboratoire de génie biomédical IRCM, Montréal Cause des décès au Canada Autres ( 16% ) Respiratoire ( 9% ) Diabète ( 3% ) Cancer ( 29% ) Cardiovasculaire ( 36% ) Accidents/Poison/Violence ( 6% ) Infection ( 1% ) Statistique Canada,

2 Pourquoi mesurer le débit sanguin? Il est souvent nécessaire de connaître l état cardiovasculaire de certains patients Chez les patients en soin intensif, des mesures simultanées de pressions et de débits sont souvent requises afin de connaître la réponse de diverses interventions thérapeutiques (transfusion, infusion d agents inotropes ou vasoactifs, ) Le diagnostic de certaines maladies nécessite systématiquement la mesure du débit sanguin local ou global (sténose aortique, sténose artérielle ) Introduction : sténoses Sténose aortique Sténose coronarienne Sténose périphériques 2

3 Introduction Artères rénales Anévrisme de l'aorte abdominale Artères iliaques Anévrisme abdominal cérébral Désordre microcirculatoire Plan du cours I. Physiologie II. Méthodes de dilution III. Pléthysmographie IV. Profils de vitesses V. Débitmètre électromagnétique VI. Débitmètre ultrasonore VII. Ultrasonographie Doppler VIII. Écho-Doppler, exemple clinique 3

4 Mesure du débit et volume sanguins I. Physiologie Rappel de physiologie Le sang transporte l O 2 et les nutriments (glucose, lipides, vitamines ) vers les tissus, et les délivre de leurs déchets métaboliques (urée, CO 2 ) Ce transport est assuré par un système de vaisseaux sanguins pressurisé : artères, artérioles, capillaires, veinules, veines = 100,000 km au total L écoulement sanguin est fourni par une pompe mécanique : le coeur 4

5 Circulation sanguine Cellules sanguines Globules rouges ou érythrocytes : / ml Plaquettes : / ml 5

6 Hématocrite Plasma : 55 % du volume sanguin Plaquettes et Leucocytes Hématocrite = fraction volumique des érythrocytes Érythrocytes : 45 % du volume sanguin Débit cardiaque Débit cardiaque (cardiac output, ml/min) = Volume d éjection (ml) Fréquence cardiaque (battements/min) Chez les mammifères, le volume d éjection SV au repos est proportionnel à la masse : SV M Fréquence cardiaque : HR M -1/4 Débit cardiaque : CO M 3/4 6

7 Volume sanguin Chez les mammifères, le volume total sanguin total est proportionnel à la masse : M masse = 72 kg volume sanguin 5 L Mesure du débit et volume sanguins II. Méthodes de dilution 7

8 Méthode de dilution : principe Détermine le débit moyen Injection en amont d un marqueur qui ne diffuse pas (ou peu) à travers la paroi vasculaire Mesure de la courbe temps/concentration du marqueur en aval (courbe de dilution) Déduction du débit moyen Méthode de dilution : principe Masse du bolus injecté : m = C Ф bolus Débit : Q = Ф bolus / T Débit : Q = m / (C T) Q = m / aire courbe de dilution 8

9 Méthode de dilution de colorant Injection du colorant dans l artère pulmonaire Cathéter veineux Mesure de C(t) au niveau de l artère brachiale Méthode de dilution de colorant Exemple de colorant : le Cardiogreen (non toxique), injecté dans l artère pulmonaire (5 à 10 mg) Concentration mesurée par densitométrie sur des échantillons de sang prélevés par l artère brachiale Désormais peu utilisée en clinique (disparition assez lente du traceur, allergie ) Recirculation du bolus Courbe extrapolée 9

10 Méthode de dilution de colorant Exemple : 5 Q = m / aire courbe de dilution mg / L m = 5 mg 0 (s) 40 A = 62.5 mg.l -1.s Q = 4.8 L/min Thermodilution Méthode de référence en clinique Un bolus froid (5 o C) ou à T o de la pièce est injecté (5 à 10 ml) dans l oreillette droite au moyen d un cathéter Une thermistance positionnée dans l artère pulmonaire mesure la courbe d évolution de la température Déduction du débit moyen Plusieurs mesures sont effectuées puis la valeur moyenne est calculée 10

11 Thermodilution Thermodilution CO = cardiac output (ml/min) T b = blood T o (37 o C) T i = indicator T o V = injected volume (ml) A = dilution curve area ( o C.s) 11

12 Thermodilution Exemple : T b = 37 o C T i = 5 o C V = 5 ml A = 1.66 o C.s CO = 5200 ml/min = 5.2 L/min A Thermodilution Méthode simple, automatique et fiable qui donne des résultats équivalents à la dilution de colorant Sensible aux erreurs de mesure à faible débit Ne peut être efficacement appliquée en présence de certaines pathologies (défaut septal, insuffisance pulmonaire ou tricuspide ) 12

13 Méthode de Fick Principe : la quantité d O 2 circulatoire entrant dans les poumons + la quantité d O 2 inhalée = la quantité d O 2 circulatoire quittant les poumons Q C V O 2 + VO 2 = Q C A O 2 Déduction du débit moyenné sur une période de mesure de 3 à 5 minutes VO 2 est déterminée au moyen d un spiromètre Échantillons de sang prélevés au niveau de l artère pulmonaire (mesure de C V O 2 ) et au niveau de l artère brachiale (mesure de C A O 2 ) Méthode de Fick Exemple : VO 2 = 250 ml/min C A O 2 C V O 2 = = 50 ml/l Q = 5 L/min 13

14 Méthodes de dilution Méthode Utilisation Précision Simplicité Coût Remarque Thermodilution Soin intensif + la plus utilisée Fick Soin intensif pulmonaire + + précise Colorant Recherche + rarement utilisée Mesure du débit et volume sanguins III. Pléthysmographie par bioimpédance 14

15 Pléthysmographie La pléthysmographie est la mesure de variations de volume (poumons, coeur, artères périphériques ) La pléthysmographie peut être effectuée en mesurant les changements d impédance bioélectrique des tissus C est une méthode non intrusive Permet (entre autres) de déterminer le débit artériel moyen dans les membres inférieurs et de détecter la présence d une thrombose veineuse Bioimpédance : principe V = variation de volume (ml) L = longueur du cylindre (cm) A = aire transversale du cylindre (cm 2 ) ρ b = résistivité du sang ( 150 Ω.cm) Z b = impédance artérielle (Ω) Z b ρb L ΔA ΔV = L ΔA = ρb L Z b 2 15

16 Bioimpédance : principe b Z () t = Z Z 0 Zb + Z 0 () t () t b Z b Z 0 << Z b Z () t = ( t) () t Z0 Zb Z0 + ΔZ() t Z Z + Z 0 b b Z0 ΔZ 2 Bioimpédance : principe Z b Z0 ΔZ 2 et ΔV = ρb L Z b 2 b Z b 2 ρb L ΔZ ΔV = Z

17 Bioimpédance Bioimpédance En 1 ère approximation, la variation de l impédance est proportionnelle à la variation du volume artériel. La pente fournit donc le débit artériel Si une thrombose veineuse existe, le retour à la normale après le dégonflement du ballon est plus lente (courbe B) 17

18 Bioimpédance Ne permet pas de mesurer le débit dans une artère choisie mais à travers tout le membre L impédance électrique est influencée par les changements de volume d air (mesures délicates au niveau du thorax), la sueur, les électrodes, les facteurs sanguins (hématocrite, orintation des GR) Facile d utilisation, peu coûteuse, non intrusive, mais sujette à de nombreuses erreurs de mesure Surtout utilisée pour la détection de thrombose veineuse Mesure du débit et volume sanguins IV. Profils de vitesses 18

19 Vélocimétrie Les méthodes de dilution et de pléthysmographie par bioimpédance mesurent un débit moyen Les méthodes électromagnétique et ultrasonore qui vont être présentées permettent de mesurer des vitesses instantanées Les débits instantanés sont déduits en intégrant le champ de vitesse sur la section étudiée (Q = A V moy ) Les profils de vitesses varient d une artère à l autre Nombre de Womersley Le nombre de Womersley est un nombre adimensionné qui caractérise la comparaison entre les forces d inertie (pulsées) et les forces de viscosité Wo = (forces d inertie) / (forces visqueuses) Dans la circulation humaine, au repos, il varie de ~10-3 (capillaires) à ~20 (aorte) Wo = R ρω μ R = diamètre artériel ρ = densité sanguine ( 1.08 g/ml) μ = viscosité sanguine ( 3.5 cp) ω = pulsation (= 2π / f ) (radians/s) 19

20 Profils de vitesses Wo < 1 forces d inertie << forces visqueuses profils de vitesses paraboliques (V moy = 0.5 V max ) Wo > 15 forces d inertie >> forces visqueuses profils de vitesses quasi plats (V moy 0.9 V max ) Profils de vitesses J Theor Biol 1998;191:

21 Nombre de Womersley Wo = R ρω μ Exemple #1 : Aorte ρ = 1.08 g/ml μ = 3.5 cp (3.5e -3 kg.m -1 s -1 ) ω = 2π/(60/70) = 7.3 rad/s R = 1.5 cm Wo 22 Exemple #2 : Artère fémorale ρ = 1.08 g/ml μ = 3.5 cp (3.5e -3 kg.m -1 s -1 ) ω = 2π/(60/70) = 7.3 rad/s R = 0.27 cm Wo 4 Profils de vitesses Profils de vitesses dans une artère fémorale normale, au repos R = 0.27 cm HR = 70 bpm Wo = 4.0 Annu Rev Fluid Mech 1997:

22 Profils de vitesses : artère fémorale Mesure du débit et volume sanguins V. Débitmètre électromagnétique 22

23 Débitmètre électromagnétique Contrairement aux méthodes présentées précédemment, les débitmètres électromagnétiques peuvent mesurer un débit instantané Le sang étant un liquide conducteur, l application d un champ magnétique dans l écoulement permet de déterminer la vitesse débitante instantanée (loi d induction de Faraday) Utilisation en recherche animale et in vitro. Utilisation en clinique (circulation extra-corporelle) Loi de Faraday : principe La loi d'induction de Faraday établit que le déplacement d'un conducteur dans un champ électromagnétique génère une tension. Dans le cas du débitmètre électromagnétique c'est le fluide en mouvement qui représente le déplacement du conducteur 23

24 Loi de Faraday : principe r ds C = V l dt l = distance séparant les électrodes Ф = flux magnétique V = vitesse moyenne du fluide e = tension induite dφ = r e = B B ds C dφ e = dt r r ( V l ) e = BV.. l Principe e = BV.. D Q = AV Q e 24

25 Erreurs dus aux vitesses Le champ magnétique (B) n est pas uniforme à l intérieur du vaisseau La tension mesurée (e) et le débit dépendent donc du profil des vitesses Chez l humain, les profils de vitesses sont quasi paraboliques (coronaires), quasi plats (aorte), ou les deux (fémorales) erreurs de mesure Débitmètres et sondes Carolina Medical 25

26 Mesure du débit et volume sanguins VI. Débitmètre ultrasonore Débitmètres ultrasonores Les débitmètres ultrasonores mesurent le débit instantané Principe: le temps de propagation dans un fluide dans le sens de l écoulement est plus court qu à contre-courant Détermination des temps de propagation des ondes ultrasonores à travers le fluide en mouvement déduction de la vitesse moyenne de l écoulement 26

27 Principe : théorie L = distance séparant les transducteurs c = célérité de l onde ultrasonore (1570 m/s) V = vitesse moyenne de l écoulement avec X = L cosθ V << c Principe : théorie 27

28 Débitmètres ultrasonores Mode d excitation pulsée La vitesse du fluide (de l ordre de 10-1 à10 0 m/s) est très petite par rapport à c (de l ordre de 10 3 m/s). t est donc de l ordre de 10-9 à10-8 s bonne sensibilité du système de détection, bon rapport signal sur bruit Les ondes ultrasonores ne se propagent pas dans l air. Le contact entre la sonde et le vaisseau doit donc être parfaitement maintenu Sondes Transonic Systems 28

29 Mesure du débit et volume sanguins VII. Ultrasonographie Doppler Échographie Doppler L échographie Doppler, par réflexion et rétrodiffusion d ondes ultrasonores, permet de faire de l imagerie et de la vélocimétrie non intrusives 29

30 Modalités ultrasonores Mode B Doppler couleur Doppler pulsé Mode B : imagerie Doppler pulsé : vélocimétrie dans un volume donné Doppler couleur : cartographie 2D des vitesses Propagation des ultrasons 30

31 Modes continu et pulsé Deux modes principaux de propagation sont utilisés : Mode continu (CW) : Doppler continu Mode pulsé (PW) : Doppler pulsé, Doppler couleur, mode B Propagation des ultrasons 31

32 Imagerie par ultrasons : principe La réflexion et la transmission des ondes dépendent de la différence Z d impédance acoustique (Z = ρ c) des 2 matériaux Réflexion (ex : parois artérielles) : A, B, C et E Rétrodiffusion (ex : sang) : D Imagerie par ultrasons : principe interface réflexion eau / air 99 % eau / os 29 % 32

33 Imagerie ultrasonore, exemple Imagerie en mode-b du coeur gauche en vue parasternale (#1) Ao = aorte ascendante, VG = ventricule gauche, OG = oreillette gauche Effet Doppler 33

34 Effet Doppler Fréquence Doppler 34

35 Machine écho-doppler Annu Rev Biomed Eng 1999: Modes continu et pulsé 35

36 Doppler spectral : principe FFT Effet de l angle sur les mesures 36

37 Erreurs dus à l angle Doppler Doppler couleur Le Doppler spectral permet de quantifier l écoulement sanguin à un endroit spécifique Le mode Doppler de couleur permet de visualiser la distribution 2D des vitesses dans une région donnée. Ce mode est superposé au mode d imagerie 2D (mode B) Contrairement aux Doppler pulsé et continu, les vitesses en mode Doppler couleur ne sont pas déduites en faisant une FFT du signal rétrodiffusé (car réduirait considérablement la rapidité des mesures). Ce sont les décalages de phase entre les signaux qui sont déterminés 37

38 Doppler couleur Mesure du débit et volume sanguins VIII. Écho-Doppler Un exemple clinique 38

39 Sténose aortique EOA - Effective orifice area vena contracta La vena contracta correspond à l'endroit où la section du jet est minimale. L'aire de cette section est nommée aire efficace ou EOA (effective orifice area) Pour une valvule aortique normale, EOA = 3-4 cm 2 Une sténose est modéré si EOA < 1 cm 2 et sévère si < 0.5 cm 2. L EOA peut être mesurée par échographie Doppler 39

40 Équation de continuité Imagerie ultrasonore (B mode) Vue parasternale (#1) EOA = A LVOT V LVOT / V VC Mesure du diamètre de la chambre de chasse ventriculaire A LVOT 40

41 Mesure des vitesses Vue apicale (#2) Vitesse dans la LVOT EOA = A LVOT V LVOT / V VC 41

42 Vitesse dans la vena contracta EOA = A LVOT V LVOT / V VC Calcul de l EOA EOA = A LVOT V LVOT / V VC EOA < cm 2 42