Déterminants et Techniques de Mesure du Débit Cardiaque Alain Combes, MD, PhD, Hôpital Pitié-Salpêtrière, AP-HP Inserm UMRS 1166, ican, Institute of Cardiometabolism and Nutrition Pierre et Marie Curie Sorbonne University, Paris, France www.paris-ecmo.org alain.combes@aphp.fr
Objectifs de la circulation Apporter O2 aux organes périphériques Assurer adéquation besoins-apports Système clos artério-veineux: Débit retour veineux = Débit éjection des 2 ventricules Système en série VD, circulation pulmonaire, VG Systèmes en parallèle Circulations régionales
Définition «métabolique»: Principe de Fick Pour un organisme à l état stable Sans shunt intrapulmonaire DC = VO 2 / (CaO 2 -CvO 2 ) VO2 = Consommation en O2 (CaO2-CvO2) = Différence des contenus artériel et veineux en O2
Définition «Physique»: Loi de Poiseuille Pour un fluide parfait: À faible viscosité Si l écoulement est laminaire DC = (P Aom -P OD ) / RVS DP = Gradient de P Motrice, mmhg R = Résistances vasculaires
Définition hémodynamique DC = FC x VES FC = Fréquence cardiaque/min VES = Volume d éjection systolique Valeur normale = 5 à 6 L/min IC = DC / Sc Valeur normale > 3 L/min/m²
Déterminants du VES DC = FC x VES
Précharge Postcharge Remplissage Performance diastolique Ejection Performance systolique Fonction POMPE ventriculaire
Déterminants du VES Pré-charge Fonction POMPE ventriculaire Performance diastolique Performance systolique Post-charge
Définition de la précharge du cœur Ensemble des facteurs qui contribuent à créer la contrainte = STRESS Qui s exerce sur la paroi ventriculaire en télédiastole Juste avant la phase de contraction isovolumique
Courbes P/V ventriculaires A-B: Systole C-D: Diastole end-diastole Pré-Charge
Tension, Pression, Stress La loi de Laplace Pour une sphère de rayon r, où règne la pression P, la contrainte (stress) qui s exerce par U de surface sur la paroi d épaisseur h: s = P x r / 2 h, dynes/cm²
Pré-charge et Loi de Laplace Pré-charge = contrainte s en fin de diastole s = P x r /2h, dynes/cm² La précharge VG est donc: Proportionnelle à la pression qui règne dans la cavité et au rayon du ventricule Inversement proportionnelle à l épaisseur de la paroi Donc pression et volume (ou diamètres) télé-diastoliques sont des approximations de la précharge
Déterminants de la pré-charge Retour veineux, qui dépend Volume sanguin circulant, Volémie Apports/pertes liquidiens, fonction rénale Résistance/compliance du réseau veineux capacitif (rôle du système nerveux autonome) Pressions intra-thoracique et intra-abdominale Débit cardiaque (circuit fermé) Compliance du ventricule Dt et du péricarde Performance diastolique de la pompe cardiaque
Effets d une modification de pré-charge sur le DC Q, L/min DC Retour V 0 POD, mmhg
Effets d une modification de pré-charge sur le DC Q, L/min DC Débit Cardiaque Retour V 0 POD, mmhg
Effets d une modification de pré-charge sur le DC Q, L/min Retour V DC Remplissage 0 POD, mmhg
Effets d une modification de pré-charge sur le DC Q, L/min Retour V DC DQ 0 POD, mmhg
Effets d une modification de pré-charge sur le DC Q, L/min Retour V DC DQ 2 DQ 1 0 POD, mmhg
Concept de précharge dépendance précharge-independance Volume d éjection systolique précharge-dépendance Précharge ventriculaire
Déterminants du VES Pré-charge Fonction POMPE ventriculaire Performance systolique Performance diastolique Post-charge
Performance systolique = Contractilité, état inotrope du myocarde: Propriété inhérente du myocarde à se contracter Génération d une force augmentant vitesse et amplitude du raccourcissement des fibres myocardiques Indépendamment des conditions de charge (pré et post charge ventriculaire) et de la fréquence cardiaque Augmentée par l effort, les catécholamines endogènes ou pharmacologiques, les digitaliques Indices pour évaluer l état inotrope: dp/dt, FE VG, Travail systolique VG Élastance en fin de systole +++
Courbes P/V ventriculaires A-B: Systole C-D: Diastole end-diastole
Élastance en fin de systole
Effet inotrope et courbes P/V Ees + Ees - Effet inotrope positif Effet inotrope négatif
Performance diastolique = État lusitrope du myocarde: Diastole cardiologique: relaxation isovolumique + remplissage ventricule Au niveau moléculaire, capacité à faire baisser la concentration de Ca++ intracellulaire Phosphorylation de protéines du SR, phospholamban en particulier, qui augmente la vitesse de réabsorption Ca Varie le plus souvent parallèlement à l état inotrope du myocarde Influence compliance péricarde + thorax Un des déterminants de la pré-charge ventriculaire
Effet lusitrope et courbes P/V Effet lusitrope positif Effet lusitrope négatif
Régulation de la fonction contractile Pharmacologique Mécanisme de Franck-Starling Positive/Negative Staircase Effet Anrep
Loi de Franck-Starling Loi de Starling: Plus le volume télédiastolique ventriculaire augmente, plus importante sera l énergie générée par la contraction du ventricule et plus important sera le volume de sang éjecté et la pression générée Loi de Franck: L augmentation du volume télédiastolique s accompagne d une augmentation de la vitesse de raccourcissement des fibres, d une force générée plus importante et d une accélération de la relaxation Donc description d un effet inotrope et lusitrope positif lorsque le volume télédiastolique augmente
Loi de Franck-Starling
Relation force-fréquence «Treppe», «Positive Staircase», effet escalier +, Bowditch effect: Une augmentation de la fréquence cardiaque entraîne une augmentation de la force générée par le ventricule En cas de stimulation ventriculaire rapide, plus de Ca++ entre dans la cellule que ne peuvent en «extruder» les pompes cellulaires
Positive Staircase
Effet «Anrep» Une brutale augmentation de la post-charge VG entraîne un effet inotrope positif dans les minutes qui suivent
Déterminants du VES Pré-charge Fonction POMPE ventriculaire Performance diastolique Performance systolique Post-charge
Définition de la post-charge du cœur Ensemble des facteurs qui contribuent à créer la contrainte = stress Qui s exerce sur la paroi ventriculaire pendant la phase de contraction (isovolumique + éjection) Ensemble des facteurs qui s opposent à l éjection VG = Impédance d entrée de l aorte
Post-charge et Loi de Laplace Post-charge = contrainte s VG en systole s = P x r /2h La post-charge VG est d autant plus importante que: La pression systolique nécessaire pour ouvrir la valve Ao et éjecter le sang vers l aorte est plus importante Le volume ventriculaire systolique est plus important Donc à P identique, plus le VG est dilaté, plus la post-charge appliquée aux fibres myocardiques est élevée Inversement proportionnelle à l épaisseur de la paroi La contrainte ventriculaire en fin de systole est donc le reflet des composantes de la post-charge Maximum de pression générée en systole par le VG Résistances artérielles périphériques, Compliance Ao
Déterminants de la post-charge Pression générée Pré-charge, qui dépend du débit de retour veineux, Donc du DC État inotrope du cœur Mécanisme de Franck-Starling Effet Escalier (fréquence) Effet Anrep (post-charge)
Déterminants de la post-charge Résistances vasculaires Régulation nerveuse Fibres vasoconstrictrices sympathiques vasculaires: Centres bulbaires, ganglions S para-rachidiens Action de la noradrénaline sur les récepteurs a1 Fibres vasodilatatrices Essentiellement musculaires, mises en jeu à l effort Médiateur: acétylcholine Régulation humorale Catécholamines circulantes (médullosurrénale) Système rénine-angiotensine Endothéline Vasopressine Kinines et prostaglandines vasodilatatrices Élastance et compliance aortique intrinsèques Effet de l âge, calcifications
Impédance artérielle à l éjection Meilleure définition de la post-charge VG, prend en compte Impédance caractéristique aorte Ondes de réflexion générées au niveau des vx périph Viscosité et densité du sang Fréquence cardiaque, caractère pulsé du flux Par définition, Impédance Z: Z = PAo / QAo, Varie donc à tout moment de l éjection La décomposition du spectre d impédance éjectionnel Magnitude et phase pour chaque fréquence Nécessite une transformation de Fourier et une mesure HiFi en continu pression et débit au point considéré. L impédance (et la post-charge) augmentent lorsque: PAo augmente (HTA, baisse de la compliance Ao) QAo diminue (RAC, CMH)
Pré-charge, état inotrope, post-charge: Inter-relations des 3 composantes La pré-charge détermine en partie la force de contraction générée par le ventricule Une augmentation de l état inotrope augmente le débit et la pression aortique, Donc augmente la post-charge, L augmentation du débit Ao va augmenter le retour veineux et donc la pré-charge
DC = FC x VES
Déterminants de la fréquence cardiaque Contrôle nerveux Tonus sympathique accélérateur Tonus parasympathique modérateur Prédominant à l état basal Boucle de régulation Récepteurs (baro-, chemo-, métabo-récepteurs) Centres: corticaux, sous-corticaux, bulbaires, médullaires Action: sur centres nodaux cardiaques Contrôle humoral Catécholamines circulantes accélératrices Contrôle mécanique Barorécepteurs carotidiens, aortiques et cardiaques
Contrôle nerveux de la FC
FC et DC, à inotropisme constant
Adaptation physiologique à l effort Toutes les actions (contractions musculaires + actions cardiovasculaires) sont mises en œuvre par le cortex moteur (puis hypothalamus, centres bulbaires, S et paras) Tachycardie par activation sympathique généralisée Hausse des catécholamines circulantes qui augmentent l inotropisme et l état lusitrope du cœur Activation sympathique vasculaire Musculaire, vasodilatatrice Autres territoires, vasoconstriction Forte augmentation du DC (>25 L/min) D où augmentation du retour veineux et augmentation de PA, inotropisme (Starling )
Adaptation physiologique au passage en orthostatisme Baisse brutale PA dans partie sup du corps et séquestration de sang dans le secteur veineux capacitif des membres inférieurs Activation des barorécepteurs, Chute du tonus paras Activation S intense Tachycardie Hausse des catécholamines circulantes Qui augmentent l inotropisme et l état lusitrope du cœur Qui entraînent une vasoconstriction artérielle et veineuse
Conclusion: DC = FC x VES
Effets des modifications pré-charge, inotropisme, Postcharge et FC sur les courbes P/V http://medicine.missouri.edu/mpp/content/faculty/davis-m/models/pvmodel.html
Techniques de mesure du Débit Cardiaque
La technique idéale N existe pas! Précise Fiable, Juste, non biaisée Reproductible Automatique et continue Sans étalonnage initial ou répété Non opérateur-dépendante Non invasive Facile à mettre en place et interpréter Peu coûteuse
Comparaison de techniques
Bland-Altman Diagram 95% Sup Limit of agreement Mean difference = Bias = Accuracy Identity ref line 95% Sup Limit of agreement Biais = 95% Limit of agreement = Precision
Percentage error (2SD/mean) should be <30%
4-Quadrants Plot
Les techniques Thermodilution Méthode de Stewart-Hamilton Dilution du Lithium Analyse de la courbe de PA Méthodes Doppler Méthode de Fick Bioimpédance/Bioréactance
Thermodilution Injection du bolus froid T Injection Thermistance Stewart-Hamilton method t CO (T b T i D T b ) V i dt K
Le cathéter artériel pulmonaire
Le cathéter artériel pulmonaire CAP standard Injections discontinues de bolus froid Retenir la moyenne de trois à cinq mesures consécutives Éliminer valeur manifestement aberrante CAP à débit cardiaque «continu» Cathéters équipés d'un filament thermique Fournissent la moyenne des mesures de débit cardiaque des 3 à 6 minutes précédentes, réactualisée toutes les 30 secondes. Permet de s'affranchir des limitations de la thermodilution discontinue: fonctionnement cyclique du respirateur, perfusion de liquides non réchauffés et dérive lente de la température de base. Pas utilisable quand la température corporelle > à 40 C Moins fiable si haut débit cardiaque (Jaquet ICM 1996)
Le cathéter artériel pulmonaire Limites de la méthode Shunts intracardiaques, arythmie Insuffisance tricuspide Sous-estimation si DC élevé et inversement Remplissage rapide concomitant : Erreur de 30 à 80 % Faible volume injectat Surestime débit Bas débit cardiaque Débit surestimé
Limites de la technique continue
Thermodilution transpulmonaire
La thermodilution transpulmonaire < 24 C
La thermodilution transpulmonaire C V C injection du bolus froid T Injection Stewart-Hamilton method t Cathéter Artériel de TD CO (T b T i D T b ) V i dt K
Volume-View Edwards
Validation de la technique TD pulmonaire vs. Transpulmonaire, Sakka, Int Care Med, 1999
PICCO thermodilution: limites Limites de la méthode Shunts intracardiaques Insuffisance tricuspide Insuffisance mitrale Remplissage rapide concomitant Anévrisme de l aorte abdominale Athérome
Analyse de la dilution du Li
LiDCOplus Li dilution + PulseCo analysis
Analyse de la courbe de PA
Le «Pulse Contour» P [mm Hg] t [s] PCCO = cal HR ( P(t) SVR + C(p) dp dt ) dt Systole Patient-specific calibration factor (determined with thermodilution) Heart rate Area of pressure curve Compliance Shape of pressure curve
Validité de la technique PCCO Plusieurs études ont comparé le débit cardiaque mesuré par TD et PCCO:
Validité de la technique PCCO Godje, Crit Care Med, 1999
Validité de la technique PCCO Influence des modifications des RVS PCCO: Pulse contour BCO: Bolus froid CCO: PAC continu phenylephrine Rodig, Br J Anesth, 1998 «Dérive» en fonction du temps Pour avoir Pcentage erreur (2SD/moy) <30%, calibrer <1 h De même, si variation RVS > 15%, fiabilité seult si calibration <1h o Hamzaoui Crit Care Med. 2008 36(2):434-40
PiCCO: Limites o Inconvénients o Cathéter artériel spécifique, o Fémoral le + souvent o Inapplicable en cas de trouble du rythme o Nécessite des calibrations régulières par thermodilution pour Pulse contour car «dérive» rapide de la valeur calculée o Au moins toutes les heures o Hamzaoui Crit Care Med. 2008 36(2):434-40
FloTracVigileo, LIDCORAPID, PulsioFlex Fonctionnent sans aucune calibration L onde de pouls est recueillie par un capteur spécifique FloTrac, Edwards, LIDCORAPID ProAQT/PulsioFlex PULSION, avec «autocalibration» initiale Se connecte sur n importe quel cathéter artériel Analyse continue de l onde de pouls Étude statistique forme du signal de P. Artérielle > 100 fois par seconde xxx paramètres combinés, algorithme non divulgué Courbe de pression, sa forme Paramètres biométriques, Estimation de la compliance régionale aortique, etc
FloTrac, Vigileo
Overall percentage error of 45.9% compared with the bolus thermodilution technique
Vigileo CAP Acute variations in arterial blood pressure alter the reliability of the FlowTrac/Vigileo device with the second generation software
Méthodes Doppler
Mesure du DC DC = FC. VES = FC. SurfAo. ITV S = D 2 / 4 ITV
Doppler Œsophagien Débit cardiaque battement par battement (volume d éjection systolique) Peu invasif Simple 2 appareils CardioQ, Deltex, Estimation Diam Ao HemoSonic, Arrow, Mesure Diam Ao Approximation: Débit Ao représente 70% du DC total
Doppler Œsophagien
Principe DC = SurfAo. V(t).dt
Réglage gain identique Profondeur identique Rotation sonde différente
Excess gain Correct gain
Doppler œsophagien: avantages Technique simple et peu invasive Apprentissage rapide Bonne reproductibilité Contrôle visuel de la qualité du signal Mesure du DC battement / battement
Doppler œsophagien: limites Opérateur-dépendant Sonde non fixée: repositionnement nécessaire Approximations pour le calcul : Surface aortique estimée ou mesurée (Echo TM) Si estimée, on peut sous-estimer l effet sur le DC d un RV 70% du DC dans l aorte descendante Faisabilité AG avec ventilation mécanique indispensable Accès à la tête Contre-indication en cas de : Pathologie œsophagienne Inutilisable si: Dissection aortique Clampage aortique
Méthode de Fick
NICO (non invasive cardiac output) Principe de Fick appliqué au CO2 Ré-inhalation partielle des gaz expirés
NICO (non invasive cardiac output)
NICO: limites Mesure du DC moyen Mesure discontinue (toutes les 3 min.) Stabilité hémodynamique pour que le Principe de Fick soit valide Approximations +++ en cas de shunt Nécessite une AG avec curarisation
Bioimpédance thoracique
Bioimpédance/Bioreactance thoracique Principe : À chaque battement, le volume sanguin thoracique change et modifie l impédance électrique du thorax DV/V = DZ/Z, Bioimpédance, modulation amplitude DV/V = DX/X, Bioréactance, modulation fréquence Avantage : Caractère strictement non-invasif, Simplicité de mise en oeuvre (huit électrodes à la base du cou et du thorax) Inconvénients : Insuffisamment validée??? Insuffisance aortique, anévrisme aortique, shunt intracardiaque, Arythmies OAP, augmentation du volume liquidien thoracique
Bioimpédance thoracique
LIDCORAPID - Continuous pressure measurement with CNAPTM dual finger cuff system scaled to the brachial artery with an arm cuff - CNAPTM derived arterial waveform drive the PulseCOTM algorithm - SVV, PPV, HR and ΔSV obtained
Conclusion Monitorage du débit cardiaque Indispensable chez les patients les plus «à risque» Permet de guider la réanimation «hémodynamique» Aucune des méthodes utilisées n est parfaite La plupart sont invasives (CAP+++) Nouvelles techniques en cours d évaluation? Vigileo, Bioimpédance/réactance Bien connaître la technique utilisée dans son unité. Et ses limites+++ Intérêt des variations de DC ou de VES (SVV) Pour prédiction efficacité épreuve remplissage Plus qu une valeur du DC au temps t