Respirateur liquidien - Définition

Introduction

Exemple de prototype de respirateur liquidien (Inolivent-4 du groupe de recherche Inolivent l'Université de Sherbrooke)

Le respirateur liquidien, ou ventilateur liquidien, est un appareil médical destiné à pratiquer la ventilation liquidienne totale. Actuellement, seuls quelques prototypes pour l'expérimentation animale sont utilisés dans des centres de recherche à travers le monde mais avec l'objectif de les déployer un jour dans les unités de soins intensifs.

Principe de fonctionnement

Un respirateur liquidien fonctionne comme un respirateur artificiel en ventilation mécanique excepté que le vecteur est un liquide de type perfluorocarbure (PFC) ayant la capacité de dissoudre du dioxyde de carbone (CO₂) et du dioxygène (O₂) en grande quantité.

Le remplissage

Quand l'opérateur décide de débuter la ventilation liquidienne totale (VLT), il doit commencer par instiller du PFC progressivement dans les poumons ventilés à l'aide d'un respirateur gazeux conventionnel. Ainsi, la phase de remplissage s'effectue par étapes en ventilation liquidienne partielle (VLP). Lorsque la capacité fonctionnelle résiduelle des poumons est remplie, le respirateur liquidien est alors connecté à la place du respirateur gazeux. Le cycle de ventilation liquidienne totale commence sur l'administration du volume courant de PFC.

Le cycle

Le cycle de ventilation liquide consiste en 4 étapes qui se répètent :

1. retirer le volume courant de PFC des poumons
2. faire une pause de fin d'expiration
3. administrer le volume courant de PFC dans les poumons
4. faire une pause de fin d'inspiration

Ce cycle doit être réalisé en mode mandatoire, c'est-à-dire totalement contrôlé par le respirateur liquidien. Cependant, la fréquence du cycle est relativement lente (inférieure à 8 respirations par minute) pour des volumes courants faibles car la viscosité du PFC génère une perte de charge importante dans les voies respiratoires (comparativement à de l'air). Ainsi, durant la phase d'expiration, la pression nécessaire pour retirer le PFC doit être négative, et un collapsus des voies respiratoires peut alors se développer au niveau de la trachée .

Afin d'optimiser le cycle ventilatoire tout en évitant le développement d'un collapsus, les différentes solutions de la plus simple à la plus avancée sont :

1. Arrêter le débit d'expiration quand une pression limite basse est atteinte.
2. Profiler la commande du débit d'expiration afin d'éviter la génération d'un collapsus.
3. Contrôler par rétroaction le débit d'expiration afin de réaliser une expiration régulée en pression.

Le sevrage

Quand l'opérateur décide d'arrêter la ventilation liquidienne totale, il demande l'arrêt du cycle à la fin de l'expiration, puis connecte un respirateur gazeux conventionnel à la place du respirateur liquidien afin de passer en ventilation liquidienne partielle (VLP). L'évaporation du PFC résiduel dans les poumons s'effectue progressivement et permet de débuter le sevrage de la ventilation mécanique.

L'exemple d'une technologie

Exemple de fonctionnement d'un respirateur liquidien (Inolivent-4 du groupe de recherche Inolivent l'Université de Sherbrooke)

L'animation ci-contre permet d'illustrer le fonctionnement d'un respirateur liquidien sur un cycle complet (agrandir l'image pour voir l'animation). Dans ce cas il s'agit un appareil avec 2 pompes à pistons indépendantes, un oxygénateur à bulle, un condenseur, un élément chauffant et 4 valves. L'interface patient-respirateur est une sonde endotrachéale connectée au Y et instrumentée d'un capteur de pression.

Un cycle standard

Un cycle se décompose en 4 étapes :

1. La pompe d'inspiration pousse un volume de PFC dans les poumons (valve 1 ouvert, valve 2 fermée), et simultanément la pompe d'expiration refoule le PFC dans l'oxygénateur via le filtre (valve 3 fermée, valve 4 ouverte). La pompe d'inspiration est commandée en débit, limitée en pression et en temps. Les deux pompes ne terminent pas systématiquement leur opération en mêmes temps. Le PFC circule dans l'oxygénateur où il échange le dioxyde de carbone par un mélange d'air et dioxygène. Il est également réchauffé pour le maintenir à la température corporelle. Finalement, il est stocké dans le réservoir tampon.
2. À la fin de l'inspiration, le volume pulmonaire est à son maximum pendant la pause inspiratoire (toutes les valves sont fermées). La mesure de la pression est la PEIP (Positive End-Inspiratory Pressure).
3. la pompe d'expiration retire un volume de PFC (valve 3 ouverte, valve 4 fermée) et simultanément la pompe d'inspiration se remplit du volume courant de PFC depuis le réservoir tampon (valve 1 fermée, valve 2 ouverte). La pompe d'expiration est régulée en pression, limitée en pression et en temps. Les deux pompes ne terminent pas systématiquement leur opération en mêmes temps.
4. À la fin de l'expiration, le volume pulmonaire est à son minimum pendant la pause expiratoire (toutes les valves sont fermées). La mesure de la pression est la PEEP (Positive End-Expiratory Pressure).

Les paramètres ventilatoires

L'interface utilisateur permet à l'opérateur de spécifier différents paramètres ventilatoires:

• la pression de référence durant l'expiration (entre -30 et 0 cmH2O) dans le mode d'une expiration régulée en pression. Ce mode est basé sur l'asservissement de la pression mesurée à la pression demandée
• le volume courant de PFC, soit le volume de PFC renouvelé à chaque cycle.
• la pression désirée à la pause d'expiration, soit la PEEP, (typiquement entre +2 et +8 cmH2O). Cela est obtenue en contrôlant le volume de PFC dans les poumons à la fin de l'expiration.
• la fraction d'oxygène contenue dans le PFC (soit la FiO2)
• la température du PFC
• la fréquence du cycle (le nombre de respirations par minute)
• les limites de pression hautes et basses autorisées
• les durées de la phase d'inspiration et d'expiration (soit le rapport I/E)

L'interface utilisateur permet d'afficher:

• les courbes de pressions, de débits et de volumes en fonction du temps
• les pressions mesurées, comme la PEIP et PEEP.
• le volume de PFC effectivement instillé et retiré des poumons
• la compliance pulmonaire (statique)
• la température du PFC
• la concentration d'O2 dans le PFC
• différentes alarmes ou avertissement pour guider l'opérateur