Introduction
Ce chapitre décrit la méthodologie employée chez les sujets humains pour répondre à nos questions de recherche. Nous avons mesuré différents index d’efforts respiratoires et les échanges gazeux dans différentes conditions expérimentales : avec et sans masque à gaz et chez différentes populations : i. Sujets sains; ii. Sujets MPOC. Chez les sujets sains, ces différentes conditions ont été évaluées au repos et à l’effort. Chez les sujets MPOC, seulement dans des conditions de repos. Par ailleurs, nous avons ajouté des évaluations au cours de l’hypoxémie induite chez les sujets sains.
Devis des études : sujets sains et MPOC
Les études chez les sujets sains et les sujets MPOC ont été randomisées contrôlées, menées en chassé-croisé avec une randomisation simple.
Approbation éthique et recrutement des sujets
Les études cliniques sur des sujets humains furent autorisées par le Comité d’éthique du Centre de recherche de l'Institut Universitaire de Cardiologie et de Pneumologie de Québec (CRIUCPQ). Tous les sujets humains ont consenti volontairement à leur participation aux études. Les études conduites chez les sujets sains et les patients MPOC ont fait l’objet d’un enregistrement auprès du Clinical Trial comme indiqué en préface (NCT02782936; NCT02809807).
Le diagramme de Campbell et les indices d’efforts respiratoires.
Figure 9. Diagramme de Campbell utilisé pour le calcul du WOB.
(Source: Cabello B, Mancebo J. Work of breathing. Intensive care
medicine 2006; 32: 1311-1314) [55].
Le travail respiratoire est une mesure très importante dans notre programme de recherche puisqu’il s’agit d’un des principaux index d’effort respiratoire en physiologie respiratoire et qu’il n’existe pas de donnée équivalente dans ce domaine pour évaluer les effets physiologiques respiratoires des masques à gaz. Le travail respiratoire, « work of breathing ( WOB) » se définit, selon Tobin (1998), comme un travail mécanique des muscles inspiratoires pour surmonter les caractéristiques résistives des voies aériennes et élastiques des poumons et de la cage thoracique qui mène à l’expansion du système respiratoire [56]. C’est donc l’intégrale mathématique d’une force ou pression appliquée pour déplacer un volume d’air donné. Le diagramme de Campbell (Figure 9) illustre la procédure menant à l’intégration mathématique. On exprime le WOB donc par la formule ici-bas et où W constitue la valeur intégrée du travail soit en joule par minute (J/min), joule par cycle (J/cycle) ou joule par Litre (J/L). P est la pression intra-pleurale quantifiée en centimètre d’eau (cmH2O) et V le volume exprimé en litre (L). La Figure 10 résume la formulation mathématique du calcul intégral du WOB [55, 56,59].
Figure 10. Le calcul du WOB.
La valeur de référence de Tobin pour une personne au repos et en respiration spontanée, par le nez,
constitue la valeur du WOB élastique qui survient à l’inspiration. Alors que l’aire à gauche de la pente s’avère être le WOB résistif. En présence d’une pression intra-thoracique positive à la fin de l’expiration (auto-PEEP ou PEEP intrinsèque, PEEPi), l’aire du WOB élastique est réduite. Le calcul du WOB se fait donc à partir d’un point de départ de l’inspiration qui doit coïncider en pareille circonstance avec le début de l’activité musculaire inspiratoire et non avec la présence de débit inspiratoire (qui peut être retardé) [56,59].
L’effet contributif de la cage thoracique à l’inspiration doit se soustraire du calcul du WOB [56,59]. Cet effet est illustré par la pente de la droite « paroi thoracique » de la Figure 9. Sa manifestation est la pression pleurale obtenue au relâchement complet des muscles abdominaux et lorsque le volume pulmonaire excède celui de la capacité résiduelle fonctionnelle [56,59]. On peut l’estimer à environ quatre pourcent de la valeur de la capacité vitale (CV) chez une personne en ventilation spontanée [55,56,59]. Elle est précisément obtenue chez les patients curarisés et en ventilation contrôlée [55,56,59].
Dans la performance des muscles respiratoires, plusieurs forces entrent en jeu [56]. Celles-ci sont : i. Les forces élastiques du tissu pulmonaire et de la paroi thoracique; ii. Les forces résistives aux débits dans l’écoulement des gaz dans les voies respiratoires; iii. Les forces viscoélastiques à l’intérieur du poumon et de la paroi thoracique; iv. Les forces plastoélastique opérant à l’intérieur des tissus thoraciques et s’exprimant dans la différence nette de l’élastance statique du poumon et du tissu thoracique durant l’inflation et la déflation; v. Les forces d’inertie de la masse de tissu et des gaz; vi. La force gravitationnelle se combinant à la mesure de la force élastique et les forces d’inertie vii. Les forces reliées à la compression et distension intrathoraciques; viii. Les forces reliées à la compression et distension des gaz intrathoraciques; ix. Les forces de distorsion x. Autres forces et impédances externes appliquées.
Le produit temps-pression (PTP) tel que défini par Brochard et al. (2012), constitue l’intégrale de la pression générée par les muscles respiratoires durant soit l’inspiration, l’expiration ou les deux [60]. Le PTP constitue une indication de consommation en oxygène par les muscles respiratoires. Selon les auteurs, le PTP pourrait être une mesure de rechange pour la quantification de la dépense métabolique durant l’effort respiratoire. Les valeurs de références normales se situent dans un intervalle de 0 à 150 cm H2O*seconde par minute [60].
Figure 11. Signaux des indices d’effort respiratoires du PTPes et Swing Pes.
Ils sont obtenus par l’extrapolation et par l’intégrale du débit (L) et de la pression (cmH2O) en fonction du temps (s) ( Source : Sassoon CSH, Light RW, Lodia R,
Sieck GC, Mahutte CK. Pressure-time product during continuous positive airway pressure, pressure support ventilation and T-piece during weaning from mechanical ventilation. Am Rev Respir Dis. 1991;143: 459-75) [61].
Le produit temps œsophagien (PTPes) est une intégrale de la pression œsophagienne en fonction du temps [56, 59]. Elle est représentée par l’aire entre le début et la fin de l’inspiration directement liée à la courbe passive de la paroi thoracique. Sur la Figure 11, on l’illustre par les surfaces noires opaque entre les deux inscriptions de CW recoil pressure (liés à l’auto-PEEP), blanches (liées à l’élastance) et grises (liée aux résistances). Les valeurs pour l’exprimer sont : i. cycle en cmH2O.s; ii. cmH2O.s/min [56,59].
Quant au swing Peso, tel que décrit par Cabello and Mancebo (2006), c’est une pression présente durant l’inspiration [55]. Elle s’avère nécessaire pour vaincre deux forces [55, 56, 59]. L’une est la force résistive du parenchyme pulmonaire et de la paroi thoracique. L’autre est la force résistive engendrée par le déplacement de l’air à travers les voies respiratoires. L’amplitude de la pression œsophagienne (ou swing Pes) est un autre indice d’effort respiratoire qui peut être mesuré à l’aide d’une pression œsophagienne. Le swing Pes se mesure en cmH2O [56, 59].
Le WOB est principalement mesuré par un ballonnet œsophagien que nous détaillerons plus loin dans ce chapitre. Pour les volumes respiratoires, ceux-ci sont mesurés par des pneumotachographes. Nous
aborderons plus loin dans ce chapitre la question de la sonde œsophagienne et du calcul automatisé du WOB par le logiciel RESMAT intégrant la pression œsophagienne et les débits respiratoires.
Détermination de l’intensité d’effort physique des tests à l’effort
Pour notre étude clinique auprès des sujets sains, la manière de mesurer l’intensité de l’effort physique s’est inspirée de l’article de Marcadet (2011) et du protocole hospitalier universitaire Reims (2009) [62, 63]. Nous avons effectué deux conditions à l’effort de dix minutes sans et avec masque à gaz. Un tapis roulant a été utilisé pour la réalisation de l’effort (Nordic Track A2155; #Modèle 30234.0; 120 Volts; 0 Hertz; 13 Ampères). Les cibles consistaient en une marche à 3.5 milles par heure (MPH). L’intensité fut de 10 pourcent d’inclinaison sur le tapis roulant. Comme exprimé par Marcadet, la dépense énergétique de METS de 7.4 fixée pour tous les sujets sains s’apparentait : i. À porter 30 kilogrammes (kg); ii. Effectuer des travaux extérieurs; creuser, bêcher et marcher. À notre connaissance, l’étude de Kaufman et Hasting (2006) a été la seule à évaluer l’effort physique avec le masque à gaz dans un contexte de tâches militaires typiques [31]. Les travaux de Spivock servent de référence sur l’évaluation de dépenses métaboliques, de paramètres respiratoires et cardiovasculaires en lien avec l’ensemble des tâches demandées aux militaires canadiens sans le masque à gaz [49, 50].Montage pour la procédure d’hypoxémie induite
Dans l’étude sur les sujets sains, trois conditions hypoxémiques ont été testées: i. Sans masque; ii. Avec masque à gaz; iii. Avec correction de l’hypoxémie avec FreeO2 dans le masque à gaz. Le montage utilisé pour l’induction de l’hypoxie induite chez les sujets sains est illustré par la Figure 12. Ce montage s’apparentait à celui de Lellouche et L’Her (2012) [64]. L’hypoxémie était induite chez les sujets sains en faisant respirer un mélange d’air médical et d’azote à des débits variables pour obtenir la FiO2 désirée
(mesurée dans le circuit par un oxymètre). Ainsi, dans notre étude, une FiO2 de 14%±2% a été obtenue par un mélange d’azote et d’air médical aux débits respectifs de 11.0 L/min et 21.8 L/min. La zone de désaturation modérée de ce mélange fut estimée entre 87-95% d’après l’expérience dans ce domaine du Dr Lellouche.
Figure 12. Montage de l'induction hypoxémique chez les sujets sains.
De façon similaire à la procédure utilisée dans l’étude de Lellouche et L’Her, une désaturation trop rapide ou importante à moins de 84% de SpO2 déclenchait l’arrêt de la condition hypoxémique en cours [64].
Les étapes prévues pour la sécurité du sujet humain furent: i. Retrait du masque; ii. Application d’un wash-out à l’air ambiant pour 10 min; iii. Monitoring de l’état du sujet; iv. Administration d’oxygène via lunette nasale et à l’aide de FreeO2. Ces mesures n’ont pas été utilisées chez nos sujets puisqu’aucune désaturation sévère n’est survenue pendant l’étude.
La confection des montages d’induction hypoxémique ont été similaires durant les trois conditions d’hypoxémie. Un sac de plastique a été utilisé pour réaliser un « réservoir » du mélange gazeux entre les bouteilles d’azote, de gaz médical et le sujet. Pour la condition hypoxémique sans masque, le montage fut fixé sur le pneumotachographe. Pour la condition hypoxémique avec le masque à gaz, le montage fut connecté à la cartouche filtrante. Quant à la condition d’hypoxémie corrigée avec le FreeO2 dans le masque à gaz, le montage fut également connecté à la cartouche filtrante à l’exception d’une entrée d’oxygène à travers le masque à gaz.
Dans les études pour les sujets humains, l’interface utilisée pour toutes les conditions « sans le masque à gaz » était un masque médical (3M, Brampton, Canada) (Figure 13). Le pneumotachographe était connecté à l’entrée du masque.
Figure 13. Masque utilisé pour les
mesures sans masque à gaz. (3M, Brampton, Canada)
Quant à l’interface principale dans les évaluations avec le masque à gaz, le masque C4 (Airboss Defense, Bromont, Canada) fut employé (Figure14). Pour les sujets sains, ce masque était muni de la cartouche filtrante C7A1 (3M, Brampton, Canada). Pour les patients MPOC, le masque C4 était muni de la cartouche C7A1 (Désigné A) et de la cartouche ABD-81 (Désigné B, Airboss Defense, Bromont, Canada).
Figure 14. Masque à gaz C4
(Airboss Defense, Bromont, Canada)
Dans l’étude sur la relation pression-débit des composantes du masque et de huit cartouches filtrantes, le masque C4 fut le masque sur lequel les mesures ont été prises. Les neufs cartouches filtrantes utilisées furent : C7A1 (Désignation A); ABD81 (Désignation B); C2A1 (Désignation C, Approved Gas Mask, San Diego, États-Unis) ; C1(Désignation D, Approved Gas Mask, San Diego, États-Unis); Mestel (Désignation E, Approved Gas Mask, San Diego, États-Unis); FR-57 (Désignation F, Approved Gas Mask, San Diego, États-Unis); MSA 10046570 (Désignation G, Approved Gas Mask, San Diego, États-Unis); AVON GPC F50 Flier (Désignation H, Approved Gas Mask, San Diego, États-Unis).
Figure 15. Masque à gaz Low-Burden.
(Airboss Defense, Bromont, Canada)
Dans l’étude chez les sujets sains, il y avait l’option de faire essayer le masque Low-burden (LBM, Bromont, Canada) (Figure 15). Ce masque fut monté avec la cartouche C7A1 (Désigné A) et la cartouche ABD-81 (Désigné B).
Capillaires sanguins
Un ensemble de prélèvements capillaires usuel fut utilisé. À la fin de toutes les conditions avec les sujets, des gaz capillaires sanguins furent prélevés au bout des doigts pour mesurer les niveaux de PCO2, Ph et HCO3-. Nous n’avons aucunement considéré les valeurs PO2. Cela fut consécutif à la méta-analyse de Zavorsky et al. (2006) [65]. Celle-ci a montré que les valeurs de PaO2à partir des capillaires sanguins ne sont pas parfaitement fiables en comparaison avec les gaz artériels. Les auteurs ont comparé 664 et 222 paires d’échantillons capillaires respectifs des lobes d’oreilles et des extrémités des doigts et les ont comparés à des gaz artériels. Les résultats ont été :
• La mesure de la PO2 artérielle par le lobe d’oreille est assez précise (R2 ajusté = 0.88; biais moyen = 3.8 mmHg comparé à l’artériel). Dans le cas de la mesure effectuée du bout des doigts, elle est moins précise (R2 ajusté = 0.48; biais moyen = 11.5 mmHg comparé à l’artériel);
• Les mesures de la PaCO2, tant par le lobe d’oreille que le bout du doigt, s’avèrent précises.
(Total de 880 paires échantillonnées). Cependant, la mesure du lobe d’oreille est légèrement plus précise comparée à celle du bout du doigt en comparaison avec la PCO2 artérielle (artérielle versus lobe d’oreille, R2 ajusté= 0.94; moyenne du biais = 1.9 mmHg; artérielle versus bout du doigt; R2 ajusté= 0.95; biais moyen = 2.2 mmHg comparé à l’artérielle).
Pour la valeur du Ph, les deux sites reflètent de manière précise le Ph artériel. Or, il n’y a aucune différence réelle entre les deux d’échantillons (Total de 587 paires échantillonnées; R2 ajusté= 0.90–0.94; biais moyen = 0.02). En nous basant sur les conclusions des auteurs, nos analyses des gaz sanguins des sujets n’ont pas considéré la PO2.
Installation de la sonde œsophagienne
Figure 16. Schéma illustrant l’emplacement de la sonde œsophagienne.
Le positionnement se fait dans le second-tiers de l’œsophage.
La sonde oesophagienne avec ballonet simple (Type Cooper. dimension 5 French) fut installée à travers l’une des narines du sujet humain à l’aide de pulvérisations de Xylocaïne à cinq pourcent. La technique suivante fut appliquée. Trois pulvérisations furent effectuées le long de la cloison nasale pour l’anesthésie locale. La manœuvre d’insertion de la sonde s’est fait avec une minine application d’hydrogel. Au passage de la sonde dans la gorge, le sujet fut instruit de prendre de petites quantitées d’eau via une paille afin de faciliter le passage dans l’œsophage.
L’emplacement recherché de la sonde oesophagienne fut le second-tiers de l’œsophage soit légèrement en deça du xyphoïde (Figure 16) [54]. La sonde était insérée entre 35-45 cm. Cet emplacement
l’emplacement était satisfaisant, le balonnet était gonflé avec 1 cm d’air via une seringue. Enfin, la sonde était branchée au capteur de pression du système d’acquisition de données, le « banc ». Nous couvrirons plus loin les étapes de calibration dont celles liées à l’emplacement de la sonde qui se faisaient par la manœuvre de Mueller.
Description du banc de mesures et autres appareils de mesures
Pour la prise des mesures principales, la sonde œsophagienne et deux pneumotachographes jetables étaient branchés au banc. La Figure 17 indique les branchements sur le banc de mesures. Il était opéré par le logiciel Acqknowledge (version 3.9, Biopac Inc, Santa Barbara, Californie, USA) via un portable standard. Ce logiciel traduisait les signaux en données à partir de Biopac (MP100, Santa Barbara, Californie, USA, 200 Hertz) branché à quatre capteurs différentiels (Validyne : 1x MP45±100 cmH2O; 2x MP100±5 cmH2O; 1x MP100±100 cmH2O) et à quatre amplificateurs (Validyne; CT-15 Carrier D-Modulator ;120 Volt ; 60 Hertz ; 5Watts ; Modèle CD15-A-2-A-1).Figure 17. Le banc de mesures utilisées.
Pour les autres appareils et accessoires de mesures, ces derniers sont listés comme suit. La prise des paramètres cardiaques usuels, soit le pouls et la tension artérielle, ont été faites à l’aide d’un appareil Welch Allyn. Quant aux mesures de la SpO2, le système FreeO2 a assuré une mesure continue dans l’ensemble des conditions (un oxymètre Nonin est intégré au FreeO2). Étant un prototype, un oxymètre standard fut utilisé en tandem et par précaution (Radical - Signal Extraction Pulse Oximeter). Dans la
préparation des inclusions, chaque sujet sain et MPOC a subi un test spirométrique via l’appareil Médisoft (Micro 5000 Provo2).
Calibration du banc de mesures
Les cinq étapes de la Figure 18 illustrent les diverses calibrations requises pour les études sur les sujets humains. Ainsi, les étapes 1 à 3 s’effectuaient sans la présence du sujet. Pour les étapes 4 et 5, celles- ci se firent avec le sujet. Le test d’occlusion était une manœuvre de Mueller où nous recherchions une concordance des signaux de la Pes et de la pression des voies aériennes lors de l’occlusion (Figure 19). Ce test permettait de valider l’emplacement adéquat du ballonnet œsophagien dans le second-tiers de l’œsophage des sujets. Trois tests de Mueller réussis ont été établis comme un critère d’emplacement de la sonde. Le logiciel Acqknowledge (ACQ), version 3.9, fut employé dans l’enregistrement de la calibration.
Figure 19. Méthode de confirmation pour l'emplacement de la sonde œsophagienne.
Trois réussites de la manœuvre de Mueller ont été établies comme un critère confirmant l’emplacement de sonde (elles sont représentées par les cercles A, B et C).
L’étape 5 est un enregistrement de 30 secondes des sujets respirant au repos dans le masque à gaz. La confirmation se basait sur des valeurs normales: i. Le ratio égal entre le débit inspiratoire et expiratoire; et ii. La pression œsophagienne. En présence de fuites d’air, la correction sur le port du masque a été effectuée en se fiant sur le ratio inspiratoire et expiratoire.
Pour la calibration des équipements, une seringue d’un litre (Hans Rudolph; Séries/Model5540; Kansas City; USA; Connector #7000) et une colonne d’eau (Salck Tube; Dwyer. Maximum Pressure 50 PSI; Maximum temperature 130 Degree F) ont été utilisés. Ces équipements servaient aux étapes 2 et 3 illustrées à la Figure 18 qui décrit les étapes de calibration. Il y avait également un montage comprenant une valve anti- retour muni d’un filtre pour le test d’occlusion ou la manœuvre de Mueller (RX1463; Montréal; Québec; Canada). Il servait à l’étape 3.
Préparation des données
Pour les fins d’analyse, un traitement de données a été fait sur les enregistrements du logiciel ACQ et du FreeO2. Lors de la préparation de données, une version 4.2 du logiciel Acqknowledge (ACQ) fut employée
(Biopac Inc, Santa Barbara, Californie, USA). Dans le cas des données de SpO2, le système FreeO2 a été
utilisé et est présenté plus loin dans ce chapitre.
Dans le cas des enregistrements ACQ, ceux-ci s’avéraient également cruciaux pour le calcul du WOB avec le logiciel de Mayaud et al. 2014 [53]. Sur chaque enregistrement ACQ des sujets, nous utilisions les 120 dernières secondes de chacune des conditions, représentant l’état d’équilibre après deux minutes de
combinaient les signaux des débits respiratoires et de la Pes. Par la suite, nous faisions la sélection de 10 à 20 cycles respiratoires réguliers. Les cycles artéfactés (ex. : déglutition) étaient écartés.
Dans notre étude, nous devions effectuer une étape supplémentaire qui tenait compte des caractéristiques du masque à gaz nécessitant l’utilisation de deux capteurs de débit : un pour le débit inspiratoire et l’autre pour le débit expiratoire. Nous devions donc additionner dans un second temps les signaux de ces débits pour aboutir à un seul signal de débit respiratoire. Le tout s’est accompli automatiquement par la fonctionnalité du logiciel Acqknowledge. Dans les mesures réalisées sans masque, les signaux inspiratoires et expiratoires étaient mesurés par un seul capteur.
Dans le cas des enregistrements par FreeO2, nous avons traité les données de deux façons : i. Les 120 dernières secondes des conditions stables au repos; ii. Sur l’ensemble des 600 secondes pour les conditions à l’effort physique. Les valeurs de SpO2 (une valeur de SpO2 enregistrée chaque seconde par le dispositif FreeO2) ont tenu compte des possibles messages d’erreur avec le capteur d’oxymétrie du FreeO2 et des valeurs aberrantes. Dans un premier temps, une formule d’exclusion a été appliquée à chaque donnée marquée comme erreur lors des enregistrements du FreeO2 (correspondant habituellement à moins de 10% des valeurs enregistrées). Cela a fait en sorte de ne conserver que les données que FreeO2 indiquait comme étant fiables. Pour les autres valeurs aberrantes, l’identification s’est faite manuellement à partir du logiciel Excel. Les données erronées et aberrantes furent donc retirées.
Méthode de calcul du WOB
Figure 20. Schéma qui résume le calcul du WOB.
Dans la mesure et le calcul du WOB, nous nous sommes appuyés sur plusieurs auteurs (Maynaud et al (2014); Cabello et al (2006); Tobin 1998; Baydur et al. (1982); Milic-Emili et al. (1964)) [51, 53-56]. Ces derniers sont, par ailleurs, souvent référenciés dans la pratique médicale des soins intensifs. Le calcul du WOB s’est effectué à parti du logiciel gratuit de l’étude de Maynaud et al. 2010 [53]. Le logiciel opère un algorithme pour analyser les enregistrements du débit respiratoire et la Pes en calculant automatiquement tous les index de travail respiratoire (WOB, PTPes et Swing Pes), la PEEPi et les paramètres respiratoires.
Tel que montré dans la Figure 20, nous résumons le calcul du WOB par cinq étapes. Voici quelques indications pour les cinq étapes. Par ailleurs, l’Annexe C détaille les étapes nécessaires à ce calcul du WOB.