- - -
- - -
Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles / Université libre de Bruxelles Institutional Repository
Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:
Vander Velde, C. (1978). Contribution à l'étude de la surveillance continue des malades en unités de soins intensifs, en vue d'une mise en oeuvre sur systèmes informatiques. Application à la fonction cardio-pulmonaire (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des sciences appliquées, Bruxelles.
Disponible à / Available at permalink : https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/214156/1/28bb0d24-9d4e-404b-bf32-1bbcb7bc7f14.txt
(English version below)
Cette thèse de doctorat a été numérisée par l’Université libre de Bruxelles. L’auteur qui s’opposerait à sa mise en ligne dans DI-fusion est invité à prendre contact avec l’Université ([email protected]).
Dans le cas où une version électronique native de la thèse existe, l’Université ne peut garantir que la présente version numérisée soit identique à la version électronique native, ni qu’elle soit la version officielle définitive de la thèse.
DI-fusion, le Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles, recueille la production scientifique de l’Université, mise à disposition en libre accès autant que possible. Les œuvres accessibles dans DI-fusion sont protégées par la législation belge relative aux droits d'auteur et aux droits voisins. Toute personne peut, sans avoir à demander l’autorisation de l’auteur ou de l’ayant-droit, à des fins d’usage privé ou à des fins d’illustration de l’enseignement ou de recherche scientifique, dans la mesure justifiée par le but non lucratif poursuivi, lire, télécharger ou reproduire sur papier ou sur tout autre support, les articles ou des fragments d’autres œuvres, disponibles dans DI-fusion, pour autant que :
Le nom des auteurs, le titre et la référence bibliographique complète soient cités;
L’identifiant unique attribué aux métadonnées dans DI-fusion (permalink) soit indiqué;
Le contenu ne soit pas modifié.
L’œuvre ne peut être stockée dans une autre base de données dans le but d’y donner accès ; l’identifiant unique (permalink) indiqué ci-dessus doit toujours être utilisé pour donner accès à l’œuvre. Toute autre utilisation non mentionnée ci-dessus nécessite l’autorisation de l’auteur de l’œuvre ou de l’ayant droit.
--- English Version ---
This Ph.D. thesis has been digitized by Université libre de Bruxelles. The author who would disagree on its online availability in DI-fusion is invited to contact the University ([email protected]).
If a native electronic version of the thesis exists, the University can guarantee neither that the present digitized version is identical to the native electronic version, nor that it is the definitive official version of the thesis.
DI-fusion is the Institutional Repository of Université libre de Bruxelles; it collects the research output of the University, available on open access as much as possible. The works included in DI-fusion are protected by the Belgian legislation relating to authors’ rights and neighbouring rights.
Any user may, without prior permission from the authors or copyright owners, for private usage or for educational or scientific research purposes, to the extent justified by the non-profit activity, read, download or reproduce on paper or on any other media, the articles or fragments of other works, available in DI-fusion, provided:
The authors, title and full bibliographic details are credited in any copy;
The unique identifier (permalink) for the original metadata page in DI-fusion is indicated;
The content is not changed in any way.
It is not permitted to store the work in another database in order to provide access to it; the unique identifier (permalink) indicated above must always be used to provide access to the work. Any other use not mentioned above requires the authors’ or copyright owners’ permission.
BRUXELLES
Contribution à l'étude de la surveillance continue des malades en unité de soins intensifs, en vue d'une mise en oeuvre sur systèmes informatiques
Application à la fonction cardio-pulmonaire.
Thèse présentée en vue de l'obtention du grade de Docteur en Sciences Appliquées.
Année Académique 1977-1978
VANDER VELDE Christian
UNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES LABORATOIRE D'AUTOMATIQUE
CENTRE D'INFORMATIQUE MEDICALE DES HOPITAUX UNIVERSITAIRES DE BRUXELLES
Contribution à l'étude de la surveillance continue des malades en unité de soins intensifs, en vue d'une mise en oeuvre sur systèmes informatiques
Application à la fonction cardio-pulmonaire.
Thèse présentée en vue de l'obtention du grade de Docteur en Sciences Appliquées.
Année Académique 1977-1978
VANDER VELDE Christian
l'Industrie et l'Agriculture (I.R.S.I.A.) pour lui avoir octroyé la bourse de spécialisation d'une durée de trois ans couvrant la période d'élabora
tion de cette thèse de Doctorat.
Il tient également à exprimer ses remerciements les plus sin
cères à Monsieur le Professeur R. PERETZ, Directeur du Laboratoire
d'Automatique de la Faculté des Sciences Appliquées de l'Université Libre de Bruxelles, pour avoir pris la responsabilité de ce travail peu tradi
tionnel au sein de son service, Monsieur le Docteur M. DEMEESTER,
Directeur du Département de Physio-pathologie du Centre d'informatique Médicale des Hôpitaux Universitaires de Bruxelles (C.I.M.H.U.B.), pour l'intérêt constant qu'il a porté à la réalisation de ces travaux et à l'é
laboration de ce texte, et Monsieur H. LECOCQ, Chercheur Qualifié au
Fonds National de la Recherche Scientifique, pour les discussions fructueu
ses que l'auteur a pu avoir à propos de l'utilisation des micro-processeurs dans les systèmes décentralisés hiérarchisés et de l'orientation générale à donner à cet ouvrage pluri-disciplinaire.
Que se voient également remerciés ici Monsieur Ph. GREVISSE, pour son aide précieuse dans l'identification des processus physiologiques et l'interprétation des résultats expérimentaux. Messieurs Y. DELCAMBRE et M. SAJET pour leur assistance continuelle dans l'utilisation de 1 'ordinateur.
Messieurs A. SWIETOCHOWSKI et S. OZKAN pour la réalisation rapide et effi
cace de tous les montages électroniques nécessaires à l'expérimentation.
Monsieur K. JANK pour la mise au point et l'utilisation de l'instrumentation et enfin. Monsieur le Professeur P. MUNDELEER, Chef du Service d'Anesthésio- logie de l'Hôpital Saint-Pierre, les anesthésistes et tout le personnel de l'unité de réanimation chirurgicale pour la collaboration étroite qui a pu être entretenue au cours de l'expérimentation.
L'auteur tient en outre à adresser ses remerciements les plus vifs à
Mademoiselle M. GRAMBRAS pour la dactylographie de ce texte dont la clarté de présentation relève de sa seule initiative.
TABLE DES MATIERES
Page
I. INTRODUCTION 1
II. CONTEXTE DE LA THESE 3
11.1. L'évolution des moyens de traitement de l'information. 4 11.2. L'informatique et l'automatique en médecine. 8 11.3. Les problèmes originaux spécifiquement posés par l'auto
matisation en milieu hospitalier. 12
11.4. Résumé de la présente thèse. 16
III. LE PROCESSUS PHYSIOLOGIQUE ETUDIE (LA FONCTION CARDIO-PULMONAIRE) 18 DESCRIPTION - MODELISATION.
111.1. Généralités. 19
111.2. La mécanique ventilatoire. 23
111.3. Les échanges gazeux. 46
IV. LA MESURE DES GRANDEURS D'ENTREE ET DE SORTIE DU SYSTEME.
LES MOYENS D'INVESTIGATION DONT ON DISPOSE. 53
IV.1. Objet de ce chapitre. 54
IV.2. Les grandeurs d'entrée. 55
IV.3. Les grandeurs de sortie. 56
IV.4. Les grandeurs de perturbation. 57
IV.5. La mesure des pressions partielles dans les gaz respirés. 58 IV.6. La mesure des pressions intervenant en mécanique ventilatoire. 59
IV.7. La mesure du débit aérien à la bouche. 60
IV.8. Les mesures continues "in vivo" en phase sanguine. 63 IV.9. L'organe de commande ; le respirateur artificiel à pression
positive Servo-ventilator 900. 67
IV. 10. Les types de sollicitations appliquées à la fonction cardio
respiratoire : les tests fonctionnels. 72
V. LES METHODES D'IDENTIFICATION ET DE CALCUL DES PARAMETRES PHYSIO
LOGIQUES ASSOCIES A LA FONCTION CARDIO-PULMONAIRE. 74
V. l. Remarques préliminaires. 75
V.2. Estimation des volumes inspirés et expirés. 77
V.4. Estimation des pressions partielles alvéolaires, 90 V.5. Estimation des pressions partielles moyennes. 93 V.6. Identification des résistances et compliances inspiratoires
et expiratoires. 95
V.7. Estimation de la consommation d'oxygène et de la production
d'anhydride carbonique. 105
V. 8. Traitement des tests fonctionnels. 110
VI. CONCEPTION D'UN SYSTEME INFORMATIQUE D'INVESTIGATION CONTINUE DE LA FONCTION CARDIO-PULMONAIRE EN UNITE DE SOINS INTENSIFS OU EN
SALLE D'OPERATION ; MATERIEL ET LOGICIEL. 142
VI. 1. Objectifs visés par la réalisation de ce système d'investi
gation. 143
VI.2. Structure matérielle du système d'investigation. 145 VI. 3. Structure logicielle du système d'investigation. 151 VII. UTILISATION DU SYSTEME D'INVESTIGATION CONTINUE DE LA FONCTION
CARDIO-PULMONAIRE EN MILIEU HOSPITALIER (Service d'Anesthésiologie,
Hôpital Saint-Pierre, Bruxelles). 180
VII. 1. Avertissement. 181
VII.2. Quelques exemples de résultats obtenus par le système d'in
vestigation utilisé en unité de réanimation. 183 VII.3. Premiers apports de l'utilisation de notre système d'inves
tigation continue en milieu hospitalier. 205
I. INTRODUCTION
1 .
Cette introduction sera brève, vu que le chapitre suivant de ce texte est entièrement consacré à la description détaillée du contexte assez particulier dans lequel nos travaux se sont déroulés. Le résumé de nos objectifs et de nos réalisations se trouve exposé au paragraphe II.4, Nous l'avons expressément placé à cet endroit car il nous est ap
paru plus judicieux que le lecteur prenne d'abord connaissance des problè
mes spécifiques posés par le travail en milieu médical et hospitalier, avant que de s'enquérir des buts visés par la présente thèse.
Celle-ci sera présentée en vue de l'obtention du grade de Docteur en Sciences Appliquées. Elle s'adresse donc à un jury constitué principalement d'ingénieurs. Cependant, vu le caractère essentiellement pluri-disciplinaire de la thèse, qui en fait d'ailleurs une partie de son originalité, l'auteur a voulu la rendre également accessible aux médecins qui auraient le désir d'en prendre connaissance. Cette accessibilité de notre texte par des gens ayant une formation, une méthodologie et un voca
bulaire aussi différents, a compliqué quelque peu la structure de cet ou
vrage. Que les ingénieurs, les médecins et tous ceux concernés par notre sujet veuillent nous excuser des éventuels rappels, définitions ou mises au point qui leur semblent évidents dans leur propre sphère de connaissan
ces .
Il s'agit d'un ouvrage de synthèse qui fait le point sur les moyens technologiques et scientifiques nouveaux dont on peut, ou on pourra bientôt, disposer pour la surveillance continue par calculateurs numériques des patients critiques en unité de soins intensifs.
Jusqu'ici, ce domaine n'a été que peu abordé. .Nous avons donc essayé de cerner la question le mieux possible, en mettant en évidence et en définis
sant clairement les problèmes divers y afférents, à savoir la mesure auto
matique et continue des paramètres physiologiques chez l'être humain, le choix des paramètres à estimer et leurs algorithmes de calcul, la visuali
sation synthétique et l'archivage de nombreux résultats, la relation entre la "machine" et le personnel soignant, etc ...
A chacun de ces problèmes, nous proposons une solution ou une ébauche de solution, selon leur complexité eu égard à nos compétences propres, au temps relativement court qui nous était imparti et à l'intérêt immédiat que la solution pouvait présenter pour la poursuite de nos recherches.
Il est important de souligner que toutes nos idées ont été tes
tées et validées "sur le terrain" par l'utilisation en unité de soins inten
sifs, en collaboration avec le Corps Médical, d'un système numérique "en temps réel" d'investigation physiologique automatique, que nous avons réali
sé à partir des ressources actuelles»
Cette thèse, loin de tirer des conclusions définitives dans un domaine aussi neuf, ouvrira la porte, du moins l'espérons-nous, à des re
cherches plus spécifiques des multiples aspects qui se trouvent abordés ici.
II. CONTEXTE DE LA THESE
11.1. L'évolution des moyens de traitement de l'information.
11.2. L'informatique et l'automatique en médecine.
II.2.1. Préliminaires : quelques définitions.
II.2.2. Les divers champs d'application de l'informa
tique en médecine.
II.3. Les problèmes originaux spécifiquement posés par l'auto
matisation en milieu hospitalier.
II.3.1 . Le processus étudié : l'être humain.
II.3.2. La méthodologie du diagnostic et de la prise de décision.
II.3.3. L'aspect ergologique de l'application.
II.3.4. La relation entre l'homme et la machine.
II.3.5. Réalisations existant dans le domaine de la sur
veillance continue des patients en état critique II.4. Résumé de la présente thèse
II CONTEXTE DE LA THESE
II.1. L’EVOLUTION DES MOYENS DE TRAITEMENT DE L’INFORMATION.
Il n’y a pas de doute que c’est presqu’essentiellement grâce aux progrès constants de la technologie des semi-conducteurs durant les trois dernières décades, qu’ont été rendues possibles la commande et la surveillance automatiques de processus de plus en plus complexes, alliant une productivité croissante à une fiabilité et une rentabilité sans cesse accrues.
En effet, par l’avènement du transistor au silicium à la fin des années 50, la technique électronique commence à apparaître dans de nombreux aspects de la conception et de l’exploitation des processus.
Des circuits transistorisés interviennent dans le filtrage, l’amplifica
tion et les prétraitements éventuels des signaux électriques provenant des appareils de mesure, et dans la réalisation de régulateurs industriels simples. Jusqu’à cette époque, la complexité, le coût élevé et l’encombre
ment des systèmes électroniques à lampes en avaient limité l’utilisation à quelques applications très spécialisées et rares.
Depuis, la technologie des semi-conducteurs a progressé sans discontinuité, en visant à obtenir l’intégration la plus grande possible, c’est-à-dire le plus grand nombre de "transistors” et partant de fonctions sur un même support physique, tout en conservant un comportement dynamique acceptable. Ainsi, depuis 1960, le taux d’intégration a doublé chaque an
née et on prévoit que cette loi se maintienne jusqu’en 1980 ( Lecoq,1977).
A la fin des années 60, apparaissent donc les circuits intégrés réalisant sur un seul support des fonctions courantes telles que l’amplifie tion, la limitation, l’addition de signaux électriques, etc ..., et des portes logiques.
C’est par le biais de ces circuits intégrés qu’apparaissent les calculateurs de processus encore couramment utilisés de nos jours pour la conduite et la surveillance des processus. Apportant la souplesse et la puissance du calcul numérique, ils furent le catalyseur de nombreux développements en automatique qui permirent l’amélioration des algorithmes d’identification et de régulation (régulation non linéaire, régulation pa
ramétrique, etc ...).
5.-
Dans certains cas, la précision obtenue pour l'identification et la régu
lation du processus rendit possible l'utilisation d'algorithmes d'optima
lisation selon certains critères économiques choisis par l'exploitant.
Il faut cependant faire remarquer que le coût élevé, d'une part de l'ordinateur de processus et de ses périphériques, et d'autre part du développement du matériel et du logiciel par des gens spécialisés limitait malgré tout les applications à des processus importants (réacteurs chimi
ques à plusieurs centaines de boucles de régulation, dispatchings dans le domaine des transports, etc ...).
C'est en 1971 qu'apparaît le premier micro-processeur : il s'agit d'un circuit intégré à haute densité d'intégration comportant sur un même support physique toutes les fonctions nécessaires à la constitution d'un processeur central d'ordinateur. En associant à ce micro-processeur des éléments intégrés de mémoire, on constitue un micro-ordinateur possé
dant potentiellement les mêmes capacités de traitement que n'importe quel ordinateur de processus.
Envisageons quel est l'impact pratique de cette nouvelle techno
logie ( Jauquet,1977;Lecoq,1976b,1977):
- Les éléments constitutifs d'un micro-système (processeurs centraux + mémoires + interfaces et périphériques) constituent de simples compo
sants totalement banalisés, ou comme on les appelle neutres ou "à but général". C'est l'utilisateur qui, par la programmation, les rend fonctionnels pour une application donnée. Ces composants ont donc un caractère universel, indépendant de l'application.
- Le prix de vente de ces composants décroît continuellement. Ce phéno
mène s'explique par le fait que vu le faible coût de fabrication vis-à- vis du coût de conception, le prix de vente ne dépend plus que des quan
tités produites, lesquelles sont en rapide augmentation avec la diversi
fication des applications, rendue possible par le caractère universel des composants.
- La puissance de traitement des micro-processeurs conduit à des réductions importantes de matériel et donc de coût. On considère qu'actuellement, la solution programmée sur micro-processeur a l'avantage sur la solution par logique câblée traditionnelle dès que l'application nécessiterait plus de quarante portes logiques.
La fiabilité du contrôle de processus par micro-systèmes est forte
ment augmentée par rapport aux réalisations avec ordinateur de pro
cessus centralisé. En effet :
. le nombre de circuits intégrés est fortement diminué;
. le faible coût permet le doublement de certaines fonctions vitales;
. la décentralisation des tâches sur plusieurs unités est rendue pos
sible ;
. la souplesse de la solution programmée permet l'écriture de program
mes d'auto-diagnostic.
Les micro-processeurs, de par la décentralisation qu'ils permettent, conduisent à une informatisation en partant de la base, c'est-à-dire du processus et des gens qui l'exploitent; la centralisation par un micro-ordinateur de processus pouvant se faire ultérieurement, par exemple à des fins d'archivage ou d'optimalisation. Cette approche progressive, intéressant beaucoup plus directement les utilisateurs, est certainement psychologiquement beaucoup plus favorable. Elle per
met un investissement échelonné.
De par le caractère universel des composants, le hardware ne dépend pratiquement plus de l'application considérée. La maintenance des systèmes en est grandement simplifiée (procédure de l'échange stan
dard) .
La souplesse de la solution programmée facilite la conception et l'u
tilisation par l'existence d'un dialogue plus ou moins évolué entre la machine et l'opérateur. Cet avantage existe bien sûr également pour des modifications et extensions ultérieures éventuelles.
»
Les points évoqués ci-dessus apparaissent comme d'indiscutables avan
tages offerts sur le plan matériel par cette nouvelle technologie.
Du côté du logiciel, il faut cependant reconnaître qu'elle présente encore des faiblesses. En effet, l'utilisation de langages relative
ment évolués, et donc pratiques et simples, nécessite une infrastruc
ture complémentaire en mémoires et périphériques assez lourde et coû
teuse, et elle conduit de toute façon à des programmes volumineux et peu efficaces. Reste alors la programmation en langage assembleur, mais on en connaît les difficultés pour l'écriture des programmes et la détection des erreurs.
7.
On voit donc que l'élaboration du logiciel pour des applications sur micro- systëmes reste encore l'affaire de spécialistes. De nombreux efforts sont actuellement soutenus pour "démocratiser" le logiciel de façon à le rendre accessible à du personnel non informaticien, tout en conduisant à des solu
tions suffisamment efficaces.
Ayant décrit brièvement l'évolution de la technologie, mais aussi de la "philosophie" intervenant actuellement dans la commande et le contrôle numériques des processus, voyons comment se présente la situation dans le domaine médical.
II.2. L'INFORMATIQUE ET L'AUTOMATIQUE EN ÎIEDECINE
II.2.1. Prëliminaires : quelques définitions.
Arrivé à ce stade de notre exposé, il apparaît indispensable de définir les trois vocables suivants qui figureront souvent dans la suite, à savoir informatique, automatique et automatisation. Ces mots, relativement nouveaux dans la langue française, du moins dans le sens que leur prêtent la science et la technologie modernes, sont définis de multi
ples façons parfois contradictoires. Malgré les vastes domaines que ces disciplines recouvrent, essayons de les préciser à notre point de vue.
- L'informatique est l'ensemble des méthodes et des technolo
gies modernes qui permettent le traitement rapide de l'information, en en
tendant par traitement de l'information : l'acquisition de l'information sous toutes ses formes, sa conversion numérique si nécessaire, tous les calculs réalisés sur l'information, sa mémorisation, sa restitution pra
tique sous forme de visualisation synoptique par exemple, etc ...
- L'automatique est la discipline basée sur la théorie des systèmes, c'est-à-dire sur la théorie qui permet de décrire et d'analyser les relations, statiques et dynamiques, qui existent entre les entrées, les sorties, et l'état d'un processus. L'automatique permet l'étude sys
tématique de processus complexes (modélisation, simulation, identification) de même que la synthèse de systèmes, appelés régulateurs, qui adjoints à un processus donné permettent d'en modifier le comportement suivant un cri
tère préétabli : diminution du temps de réponse, diminution du dépassement indiciel, filtrage, etc ... L'automatique est donc une discipline à la
quelle on fera appel pour le choix de l'information à acquérir et le choix des algorithmes de calcul à lui appliquer.
- L'automatisation consiste à mettre en oeuvre les techniques offertes par l'informatique et l'automatique, de façon à simplifier l'uti
lisation d'un processus en réduisant, voire en supprimant totalement, l'in
tervention de l'utilisateur dans le déroulement de certaines phases, à aug
menter la fiabilité de fonctionnement en prévoyant des régulateurs adéquats et des détections d'alarmes, à estimer continuellement l'état du processus, à tenir un "journal de bord" des événements, etc ...
9.-
II.2.2. Les divers champs d'application de l'informatique en médecine.
Depuis une dizaine d'années en Europe, et un peu plus tôt aux Etats-Unis, l'informatique a fait son apparition en médecine sous divers aspects que nous décrivons ci-dessous.
- L'informatique est fréquemment utilisée pour la gestion hos
pitalière au sens le plus large, c'est-à-dire pour l'automatisation des opé
rations de paie du personnel, de facturation des patients, de gestion des stocks de matériel et de produits pharmaceutiques, etc ..., en somme tous des problèmes très similaires à ceux rencontrés dans les entreprises.
Nous n'insisterons donc pas sur ce point. Aux débuts de l'informatique de gestion, tant dans les industries que dans les hôpitaux, il y eut des échecs attribuables en bonne partie à une sous-évaluation des problèmes financiers et humains, l'impact réel d'un tel outil étant alors difficilement prévisible.
Actuellement, la gestion informatique des hôpitaux est unanimement considé
rée comme rentable et le nombre d'hôpitaux qui en sont équipés est en augmen
tation.
- Une application également relativement courante de nos jours est l'automatisation des laboratoires d'analyses de chimie médicale. Les échantillons, collectés vers le laboratoire manuellement ou par transmis
sion pneumatique, sont analysés par des appareils de plus en plus automatisés nécessitant de la part des opérateurs le moins de manipulation possible.
Les résultats sont transmis par réseau d'imprimantes vers les points où ils sont nécessaires, soit directement par les analyseurs eux-mêmes connectés à l'ordinateur, soit après introduction manuelle au laboratoire. Parfois, un système de priorité intervient pour distinguer les analyses urgentes en pro
venance des salles d'opération, des unités de soins intensifs ou de la garde, des analyses de routine effectuées dans l'hôpital. Notons que cette automa
tisation fut rendue possible par les progrès réalisés au niveau des analy
seurs proprement dits, qui permettent actuellement le transport en série de plusieurs échantillons sans contamination, et leur analyse rapide et automa
tique par des capteurs miniaturisés ne nécessitant que des échantillons de petite quantité. Pour l'informaticien, ce genre de systèmes ne pose pas de gros problèmes d'ordre technologique, mais davantage d'ordre ergologique au niveau de l'organisation du travail du personnel. Nous reviendrons plus loin sur ce problème capital que constitue la relation entre l'homme et la machine dans le milieu médical.
pratique, utile et rentable pour des hôpitaux suffisamment importants.
- Moins connus sont les projets de constitution de banques de données médicales actuellement à l'étude. Il s'agit de fichiers très com
plets constitués à l'échelon international le plus souvent, et consultables par de multiples utilisateurs simultanément. Comme exemples de ce type d'ap
plications, nous citerons :
. la centralisation des données concernant l'emploi des produits chimiques et pharmaceutiques, et des thérapeutiques à entreprendre en cas d'intolé
rance ou de surdosage.
. la gestion d'un éventuel répertoire international des organes à greffer disponibles à un moment donné, compte tenu des impératifs posés par les mécanismes immunitaires.
. la constitution d'un dossier médical informatisé pour chaque citoyen, con
sultable au cabinet du généraliste ou à l'hôpital, ...
. la mise à la disposition du généraliste de "ressources d'information" pou
vant l'aider à poser son diagnostic malgré l'éloignement du milieu hospita
lier.
Notons que ce genre d'application n'en est à l'heure actuelle qu'à son tout début.
- Un aspect également moins connu est l'utilisation de calcula
teurs numériques en recherche médicale. Ils permettent l'utilisation sys
tématique en médecine des outils mathématiques de l'ingénieur, et plus par
ticulièrement de 1'automaticien. En effet, au début de l'emploi des calcu
lateurs numériques, les médecins se trouvèrent dotés d'outils extrêmement puissants de traitement, sans posséder l'infrastructure théorique et métho
dologique nécessaire pour les utiliser à bon escient. C'est l'automatique qui fournit cette infrastructure "grâce à la complète généralité de ses concepts, à savoir les notions de système dynamique, de régulation, de ré
troaction, de stabilité, de modélisation, de simulation, d'identification, etc ..."(Lecocq, 1976). Ce type de développements fut donc rendu possible par la création d'équipes pluridisciplinaires nécessitant entre autres des ingénieurs et des médecins. L'efficacité de ce genre de collaboration pluri
disciplinaire ne peut bien sûr pas encore se chiffrer en termes de rentabi
lité financière, mais nous pouvons être assurés de leur impérieuse nécessité par les nombreux résultats encourageants obtenus par diverses équipes. En exemple, nous citons la simulation par des modèles mathématiques des proces
sus physiologiques, l'analyse statistique de données médicales (épidémiologie, étiologie des maladies), les études conduisant à la lecture automatique de l'électrocardiogramme, etc ...
11
- Le plus à l'avant-garde et d'ailleurs encore souvent au stade expérimental dans les hôpitaux de pointe, sont les utilisations de l'informa
tique où la machine effectue un travail qui se substitue ou participe d'une manière ou d'une autre à celui du personnel médical et para-médical.
Ce rôle de support que peut jouer l'informatique en clinique et en recher
che physio-pathologique est précisément celui qui est développé dans le Dé
partement de Physio-pathologie du C.I.M.H.U.B..
1. Un système d'analyse automatique par ordinateur de l'électro- et du vec- tocardiogramme y a été développé. Il fonctionne en routine dans plu
sieurs hôpitaux depuis 1974 (M. Demeester, 1976a, I977a;M. Sajet, 1976).
2. La détection automatique des arythmies cardiaques chez les patients souf
frant de maladies coronariennes aiguës est réalisée en temps réel et uti
lisée en pratique clinique depuis 4 ans à l'Hôpital Saint-Pierre. Ce do
maine de la surveillance des patients est très fréquemment désigné sous le terme de "monitoring" (R. Bernard, 1974, 1977; M. Boothroyd, 1975).
3. L'utilisation de calculateurs numériques travaillant en temps réel pour surveiller et régler les appareils médicaux complexes représente un do
maine d'avenir important (respirateur artificiel, hémodialyse, oxygéna- teur extra-corporel, etc ...). Il s'agira de contrôler, voire de pren
dre en charge, les fonctions vitales de un ou plusieurs patients en unité de soins intensifs ou au cours d'intervention chirurgicale sous anesthé
sie totale.
Le développement de ces applications est évidemment lié de façon étroite aux progrès réalisés dans l'appareillage médical proprement dit (respira
teurs artificiels, capteurs de mesure bio-médicaux, etc ...), progrès ré
sultant d'une collaboration étroite entre de multiples disciplines, et sans lesquels aucune automatisation ne serait possible.
Attardons-nous plus particulièrement sur le dernier exemple, celui de la surveillance continue de patients critiques en unité de soins intensifs, puisqu'il constitue l'objet principal de nos recherches, et voyons quels sont
les problèmes spécifiquement posés par l'introduction de l'informatique en milieu hospitalier.
II.3. LES PROBLEMES ORIGINAUX SPECIFIQUEIIENT POSES PAR L'AUTOMATISATION EN MILIEU HOSPITALIER.
II.3.1. Le processus étudié : l'être humain.
L'être humain est un processus qui du point de vue de l'auto- maticien, c'est-à-dire sous l'aspect de la théorie des systèmes (notion de dynamique) est très mal connu, et ceci pour trois raisons fondamentales.
1°) Les sous-systèmes que l'on désire étudier, par exemple la fonction cardio-pulmonaire dans notre cas, sont très difficiles à "isoler".
Les interactions avec d'autres fonctions vitales sont nombreuses, elles a- gissent par le biais de boucles de régulation internes à l'organisme
dont il est parfois impossible de tenir compte. Pour illustrer ceci, notons l'influence encore très mal connue du système nerveux sur le contrôle de la ventilation. De plus, les modifications fonctionnelles et structurelles
introduites par les diverses affections peuvent rendre un modèle mathémati
que, et partant son utilisation, totalement caduc.
2°) Un obstacle fondamental auquel on se heurte à l'heure ac
tuelle est qu'il est encore quasi impossible de réaliser de manière simple en routine des mesures continues, in vivo, prolongées et précises sur l'être humain hospitalisé, mesures indispensables à la surveillance continue des patients en état critique. C'est tout le problème des capteurs ou transduc
teurs bio-médicaux qui ne font l'objet de recherches que depuis peu. Il y a là sans aucun doute la pierre d'achoppement à l'application à l'être hu
main des méthodes numériques de contrôle de processus. C'est par la colla
boration de médecins, de physiologistes, d'ingénieurs, de chimistes, de physiciens que la métrologie appliquée à l'être humain atteindra un niveau de précision suffisant pour poursuivre l'étude systématique, par les méthode numériques, de la physiologie générale de l'homme normal et pathologique, en mettant l'accent sur la dynamique des phénomènes observés. De ces études pourront découler des systèmes automatiques, pratiques et fiables de surveil lance continue des patients en état critique.
3°) Il est primordial de noter que le processus étudié est pré
cisément un être humain, et non une machine ! Ceci conditionne de manière absolument impérative les caractéristiques des engins utilisés au chevet du patient. Il faut éviter un encombrement excessif, la pollution sonore, veiller à la stérilité, à la tolérance des transducteurs par le patient
(éruptions cutanées, phlébites, infections, douleurs, impact psychologique, etc . . . ) .
13.-
11.3.2. La méthodologie du diagnostic et de la prise de décision.
Le diagnostic du médecin clinicien s'appuie en général sur rela
tivement peu de données numériques, mais par contre, sur un nombre assez im
portant de signes cliniques difficilement chiffrables. Citons la coloration de la peau pour le diagnostic de la cyanose, la localisation des points dou
loureux à la palpation, les bruits à l'auscultation, les examens radiographi
ques, les réflexes, etc ... Les résultats de ces examens cliniques, élémen
taires mais souvent longs à pratiquer, jouent un rôle essentiel dans l'établis sement du diagnostic par le médecin.
Par contre, un système de surveillance continue des patients ne pourra se baser, lui, que sur des critères tout à fait concrets, c'est-à-dire des mesures de paramètres physiologiques au départ desquelles il calculera des "index " devant intervenir dans des critères statistiques de prise de décision. Or, comme nous l'avons dit plus haut, le nombre de paramètres me
surés à l'heure actuelle est faible, et lorsqu'ils sont mesurés, les mesures sont souvent impropres aux buts que nous poursuivons (constante de temps des transducteurs trop grande, impossibilité d'utilisation longue durée, etc ...).
On ne connaît donc pas encore, ou très mal, quels sont les in
dex dont on pourra disposer et quels sont, parmi eux, les plus judicieux à calculer, ni les critères statistiques qu'il faut leur appliquer. Toute la méthodologie pratique de prise de décision est donc encore à définir.
Cette tache est rendue très difficile par la quasi impossibilité qu'ont les cliniciens de définir exactement tous les critères sur lesquels s'appuie leur décision. Ce qui est pour eux Expérience et Intuition devra nécessaire
ment être explicité en termes d'ensembles de critères objectifs. Cette dis
section analytique du mode de pensée du clinicien ne se fera que lentement par une collaboration étroite entre chercheurs et cliniciens, lorsque ces derniers seront convaincus de la possibilité et de la nécessité d'une systé
matisation de leurs méthodes de diagnostic.
11.3.3. L'aspect ergologique de l'application.
Sur le plan de l'organisation du travail, il faut être conscient que les faits et gestes du personnel soignant en unité de soins intensifs comme en salle d'opération sont ancrés dans une routine particulièrement exi- gente : de nombreux actes techniques tolèrent mal un écart par rapport à l'ha
bitude. On a donc là un milieu où l'expérimentation et l'innovation ne sont pas faciles, toute nouveauté étant ressentie, à raison sans doute, comme une charge supplémentaire avec tous les problèmes psychologiques et pratiques qui en résultent.
11.3.4. La relation entre l'hoimne et la machine.
Une question non encore résolue est celle de la relation entre le personnel et la machine. Quelle est la manière la moins perturbante et la plus efficace pour le personnel d'entrer des données concernant un pa
tient ? Comment visualiser de manière explicite, accrochante, l'évolution d'une affection et le dépassement des limites statistiques de tolérance ? Comment le clinicien peut-il rapidement accéder à un résumé de l'histoire d'un patient pendant les dernières 24 heures passées à l'unité de soins in
tensifs ? etc ... Autant de questions auxquelle seule la pratique pourra donner une réponse. Ici plus qu'ailleurs, il est primordial que "l'informa
tisation" soit définie par les utilisateurs eux-mêmes, et non imposée par des gens qui ne seraient pas intégrés dans l'organisation du travail
(Boothroyd, 1975).
11.3.5. Réalisations existant dans le domaine de la surveillance continue de patients en état critique.
Nous ferons la distinction suivante : 1) _Les_ réa_lisations commercialisées
Des systèmes de surveillance continue de patients critiques par ordinateur furent créés il y a plusieurs années par des firmes importantes telles que IBM, UNIVAC, SIEMENS, ... Il s'agissait de systèmes basés sur ordinateur universel ou plus récemment sur mini-ordinateur. Voyons quels en étaient
les principaux inconvénients qui conduisirent ces réalisations à un échec presque général : certains systèmes n'existent déjà plus sur le marché.
- Tous se caractérisent par un coût très élevé. Ils sont prévus pour un nombre très important de lits (jusqu'à 24), or, peu d'hôpitaux dispo
sent d'un tel nombre de lits de soins intensifs.
- Ils ne peuvent traiter qu'un nombre restreint de paramètres, à savoir la température corporelle, la pulsation cardiaque, les pressions moyennes diastoliques et systoliques, et l'électrocardiogramme; en bref, seule la fonction cardiaque est surveillée.
- Ils disposent d'un logiciel permettant l'archivage des données rela
tives à chaque patient. Toutefois, ils ne permettent pas toujours de mémoriser tous les paramètres que l'utilisateur souhaite pour un pa
tient, ce qui oblige le personnel à tenir à jour un dossier manuscrit, parallèlement à l'entrée des données dans le système. Or l'expérience a montré que l'automatisation du dossier des patients ne constituait un gain de temps que si elle était totale.
15.
- La structure des programmes de ces systèmes étant inconnue de l'uti
lisateur, il lui est impossible de faire les adaptations qu'il souhai tarait. Ces systèmes ont donc une structure, à la fois logicielle et matérielle, rendant presqu'inutile toute tentation d'incorporation dans un système plus évolué, englobant par exemple l'analyse automa
tique des examens de laboratoire, ou d'amélioration par l'adjonction de programmes propres à l'utilisateur.
- Il est inutile d'insister sur les problèmes pratiques que posèrent l'introduction en milieu hospitalier de systèmes aussi rigides, con
traignants et somme toute considérés comme très peu efficaces.
2) ^es^ _réa^lJ^s£t^o_ns_enc£re^ a^c_tu£ll^ement_au_ s_t^de^ expérimental.
Celles-ci sont encore fort peu nombreuses à l'heure actuelle, surtout dans le domaine de la fonction cardio-pulmonaire. Nous en avons expliqué les raisons en détail (complexité du processus humain, facteurs psychologiques importants, non existence de la méthodologie du diagnostic, non existence des transducteurs bio-médicaux adéquats, ignorance de la dynamique des évo
lutions des processus physiologiques, etc ...)(Turney, 1973; Osborn, 1974).
Les difficultés liées à la surveillance continue par calcula
teurs numériques, de patients en unité de soins intensifs ayant été expo
sées dans leur contexte, voyons quels sont les objectifs que nous nous sommes donnés dans cette thèse.
Les développements exposés dans les paragraphes précédents ont suffisamment montré la complexité et la diversité des problèmes liés à l'introduction de l'automatisation en milieu hospitalier, et plus par
ticulièrement à l'unité de soins intensifs. Il en résulte qu'avant de passer à la réalisation proprement dite de systèmes numériques de surveil
lance continue de patients critiques, il était absolument indispensable de procéder à de nombreuses études préliminaires originales.
C'est ainsi que nous avons été tout d'abord amenés à étudier des modèles mathématiques de certains aspects de la fonction cardio
pulmonaire : modèles linéaires de la mécanique ventilatoire (Vander Velde, 1975), modèle continu de la distribution de la ventilation prenant en compte l'espace mort anatomique (Lecocq, 1976,a), modèle des échanges et du trans
port des gaz respiratoires (Warzée, 1975; Grévisse, 1976). Le but de ce genre d'étude est double.
- la comparaison du comportement statique et dynamique des mo
dèles simulés sur calculateur numérique et du processus physiologique asso
cié, pour des sollicitations bien définies applicables sans danger à l'être humain, nous a permis de nous rendre compte de la validité de ces modèles et partant, de les améliorer de façon à obtenir des modèles de connaissance les plus complets possibles (Grévisse, 1976) . Ces modèles sont destinés à servir de "système de référence", pour prédire les différentes évolutions possibles d'un patient au départ d'un état donné, par "extrapolation"; ou encore, pour expliquer a posteriori, mais le plus rapidement possible, des événements passés dont on s'explique mal les causes.
- au départ de ces modèles ont pu être étudiés un certain nom
bre de tests fonctionnels, consistant en des agressions, ou du moins des sollicitations délibérées et contrôlées, sur le système cardio-pulmonaire, de façon à observer son comportement dynamique. Les réponses indicielles ou impulsionnelles ainsi obtenues permettent l'identification de modèles simples (1 ou 2 paramètres) associés à la fonction cardio-pulmonaire. De façon à pouvoir suivre en temps réel, de façon continue et automatique, les patients en état critique à l'unité de soins intensifs, ces tests fonc
tionnels ont été rendus entièrement pilotables par calculateur numérique et réalisables sans intervention humaine. Ces tests fonctionnels permettent donc l'identification de paramètres physiologiques utiles au diagnostic et à la conduite du traitement, qu'il est impossible d'acquérir autrement
(Demeester, 1976).
17.-
Ensuite,les divers algorithmes d'identification furent implantés sur un mini-ordinateur PDF 11/34,pour constituer un système expérimental d'inves
tigation continue,en temps réel,de la fonction cardio-pulmonaire.
Notre but n'était pas d'arriver à une réalisation achevée,pouvant fonctionner en routine à l'unité de soins intensifs. C'eut d'ailleurs été utopique.
Nous avons plutôt cherché à définir le plus complètement possible ce que pour
rait être un système automatique de surveillance continue de patients criti
ques en unité de soins intensifs,en mettant en oeuvre les outils de l'automati- cien,mais en ne perdant pas de vue les problèmes spécifiques de cette appli
cation tels qu'ils ont été décrits au paragraphe II.3.
Le système expérimental d'investigation réalisé au Département de Physio- -pathologie du Centre d'informatique Médicale des Hôpitaux Universitaires de Bruxelles (CIMHUB) fut connecté à une salle d'opération et à l'unité de soins intensifs du Service d'Anesthésiologie de l'Hôpital Saint-Pierre,à Bruxelles.
Son utilisation systématique nous a permis:
-de tester facilement nos algorithmes d'identification des para
mètres physiologiques,d'évaluer leur sensibilité aux perturbations et leur possibilité de détection d'éventuelles complications des pathologies.
-de définir les caractéristiques des transducteurs bio-médicaux nécessaires dans une telle application,et de tester différents transducteurs en les comparant à des appareils de mesure de référence (spectromètre de masse, wet gas meter,analyseur de gaz sanguins in vitro).
-de comprendre les problèmes spécifiques posés par le travail à l'unité de soins intensifs,et d'envisager aussi le meilleur dialogue pos
sible entre l'ingénieur et les cliniciens,mais aussi entre les cliniciens et 1'ordinateur.
-d'étudier la présentation la plus efficace et synthétique des résultats des calculs et des alarmes, par écrans de visualisation alpha
numériques et graphiques.
-de définir une structure matérielle et logicielle répondant aux impératifs de décentralisation et de hiérarchisation qui conduiront à des systèmes de monitoring modulaires présentant les qualités indispensables à l'introduction de l'automatisation en milieu hospitalier, à savoir : la fa
cilité d'utilisation par du personnel non informaticien, la possibilité d'ac
quisition de modules échelonnée dans le temps (investissement progressif), la possibilité de modifier ou d'ajouter des programmes pour répondre aux besoins spécifiques de chaque utilisateur, l'augmentation de la fiabilité des appareils médicaux complexes,etc...
DESCRIPTION - MODELISATION.
III.1. Généralités.
III.1 .1 . 111.1.2.
111.1.3.
111.1.4.
Objet de ce chapitre But de la modélisation
Pourquoi surveiller la fonction cardio
pulmonaire .
Schéma global de la fonction cardio
pulmonaire .
III.2. La mécanique ventilatoire.
111.2.1. Description anatomique élémentaire.
111.2.2. Les forces à considérer
. forces élastiques des poumons : la compliance pulmonaire.
. forces élastiques du thorax : la compliance thoracique.
. forces musculaires
. forces dynamiques : les résistances.
111.2.3.
111.2.4.
111.2.5.
111.2.6.
111.2.7.
111.2.8.
111.2.9.
III.2.10
Equilibre statique des forces : la capacité résiduelle fonctionnelle.
Mécanisme de la respiration spontanée.
Mécanisme de la respiration contrôlée.
Mécanisme de la respiration assistée.
Modèle mathématique linéaire de la mécanique ventilatoire faisant intervenir les poumons et
le thorax.
Modèle mathématique linéaire de la mécanique ven
tilatoire faisant intervenir uniquement les poumons.
Les espaces morts et la distribution de la perfusion sanguine capillaire pulmonaire.
Distribution spatiale et temporelle de la ventilation.
III.3. Les échanges gazeux.
19.-
III. LE PROCESSUS PHYSIOLOGIQUE ETUDIE (LA FONCTION CARDIO-PULMONAIRE).
DESCRIPTION - MODELISATION.
III.1. GENERALITES
III.1.1. Objet de ce chapitre.
L'objet de cette partie est de décrire aussi simplement que pos
sible certains aspects de la fonction cardio-pulmonaire, en exposant pour chacun d'eux le ou les modèles mathématiques y afférents. Ceci nous oblige
ra bien sûr à introduire quelques éléments de physiologie ou de physio
pathologie : pour simplifier, nous n'introduirons que les notions que nous prenons en compte dans nos modèles, ou celles pouvant intervenir plus tard dans la suite du texte. Il ne s'agit donc pas d'un exposé exhaustif en la matière.
III.1.2. But de la modélisation.
Le but poursuivi par la modélisation est triple :
1° Certains modèles sont élaborés afin d'améliorer nos connais
sances sur les phénomènes que nous observons chez l'homme normal ou patholo
gique. Ils sont établis en plusieurs étapes en suivant une procédure récur
rente. Un premier modèle est établi en se'basant sur les lois physico
chimiques, mécaniques, etc ..., qui semblent gouverner le phénomène à étudier, tout en posant un grand nombre d'hypothèses simplificatrices a priori.
La comparaison entre le comportement du modèle et le comportement réel pour une sollicitation bien définie applicable à l'être humain permet alors d'a
méliorer, s'il y a lieu, le modèle initial, par exemple en prenant en compte un effet que l'on avait négligé. Lorsqu'on obtient un modèle "satisfaisant", les hypothèses simplificatrices peuvent être justifiées a posteriori. Par approximations successives, on obtient ainsi un modèle "permettant d'évaluer l'ordre de grandeur des interactions entre divers facteurs, l'influence de ces facteurs sur les grandeurs que l'on peut mesurer et, inversément, l'effet d'erreurs de mesure sur l'estimation de certains paramètres" (S.R.B.E., 1975).
2° La modélisation, et plus particulièrement les schémas fonction
nels qui en découlent, constituent un "support intellectuel" très aisé pour les discussions pluri-disciplinaires. Le caractère tout à fait intuitif et général de ce genre de représentation semble constituer un excellent trait d'union entre 1'automaticien et le physiologiste ou le médecin, malgré le mode de pensée nettement différent qui les distingue.
3° D'autres modèles sont étudiés dans le but de permettre l'i
dentification (chapitre V) de paramètres physiologiques pouvant être utiles pour la surveillance continue de patients en état critique. Ces modèles sont nécessairement beaucoup plus simples. On souhaite en effet avoir un minimum de paramètres à identifier, de façon à garder un sens physique évident aux pa
ramètres ainsi calculés. En conséquence, même si le modèle à petit nombre de paramètres décrit mal le processus qu'il est sensé représenter, on espère que les paramètres identifiés varieront qualitativement de la même façon que si le processus répondait au modèle; or, dans le but que nous poursuivons, c'est précisément les évolutions relatives, brusques ou en tendance, qui nous inté
ressent pour détecter si le patient surveillé s'écarte trop de la "trajectoire"
normale. Nous reviendrons plus loin sur la crédibilité que l'on peut accorder à ces paramètres physiologiques dérivés de modèles simplifiés à l'extrême.
Ces modèles à fin d'identification sont donc obtenus au départ des modèles de connaissance décrits en 1°, après simplification, par linéarisation par
exemple.
III.1.3. Pourquoi surveiller la fonction cardio-pulmonaire ?
des gaz
En très bref, la fonction cardio-pulmonaire assure le transport intervenant dans le métabolisme :
. It
- apport d'oxygène de la bouche du sujet vers tous les tissus de 1'organisme.
- élimination de l'anhydride carbonique (CO
2
) produit par le métabolisme de ces mêmes tissus.
Nous croyons qu'il est inutile d'insister sur l'importance capi
tale de l'oxygène dans le métabolisme des cellules des organismes vivants.
Un très grand pourcentage des complications survenant ou existant chez les patients en unité de soins intensifs est dû à une oxygénation insuffisante des tissus, particulièrement dangereuse au niveau du muscle cardiaque ou de
l'encéphale. L'intérêt de la surveillance continue de cette fonction est donc évident.
21
III.1.4. Schéma global de la fonction cardio-pulmonaire.
Considérons le schéma fonctionnel suivant :
Schéma fonctionnel global du système cardio-pulmonaire.
Nous avons déjà décrit ci-dessus (III.1.3.) le rôle joué par la fonction cardio-pulmonaire. Nous voyons sur ce schéma que le transport des gaz peut être décomposé en trois temps, qui sont, donnés dans l'ordre pour l'oxygène :
1°) Le transport des gaz, dissous en phase gazeuse, de la bouche du patient vers les ultimes alvéoles de l'arbre bronchique,et vice versa pour le CO
2
. Cette partie-ci du phénomène de transport est du ressort de ce qu'on appelle la mécanique ventilatoire, qui sera longuement décrite au para
graphe III.2.
2°) Le passage de l'oxygène des gaz alvéolaires vers le sang des capillaires pulmonaires, ou vice versa pour le CO
2
. Ce sont les échanges alvéolocapillaires, qui seront décrits au paragraphe III.3.
3°) Le transport du sang vers tous les tissus de l'organisme et son retour vers les capillaires pulmonaires. Cette partie est du ressort de ce qu'on appelle 1'hémodynamique. Il s'agit du fonctionnement du muscle
(pompe) cardiaque (pouls, détection d'arythmies, etc ...) et de l'écou
lement du sang dans le système circulatoire (pression sanguine, vaso
dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux, etc ...).
Il est intéressant de constater que, contrairement à l'étude des échanges gazeux alvéolo-capillaires et de la mécanique ventilatoire, l'hémo- dynamique a déjà fait l'objet de nombreux développements fructueux. Ceci ré
sulte de ce que son étude dépend essentiellement :
- de mesures de pression sanguine en divers endroits du système circulatoire (tension)
- de mesures de potentiel électrique sur la surface du corps (électro- et vectocardiogramme).
transducteurs de pression sont simples et peu coûteux, et les techniques du cathétérisme permettent l'introduction d'une sonde de pression jusque dans les cavités du coeur; en ce qui concerne l'électro- et le vectocardlogramme, aucun transducteur n'est à proprement parler nécessaire puisque la grandeur à mesurer est directement sous forme de tension électrique. Les déveloo- pements en hêmodynamique ne furent donc pas entravés par la nécessité de concevoir des transducteurs bio-médicaux complexes, comme c'est actuellement le cas pour l'étude des échanges alvéolo-capillaires.
Ce domaine ayant également fait l'objet de recherches au Centre d'informatique Médicale des Hôpitaux Universitaires de Bruxelles (C.M.H.U.3.)
(Demeestar,1976a,1977a; Sajet,1976; Bernard,1977 ; Boothroyd,1977), nous n'avons pas eu à l'aborder dans notre travail. Le C.I.M.H.U.B. a mis au point un
système de détection automatique par calculateur numérique des arythmies cardiaques, fonctionnant en routine à l'Unité Coronaire de l'Hôpital Saint- -Pierre à Bruxelles. Ce système est transposable sans difficulté dans un en
semble plus complet de surveillance continue de la fonction cardio-pulmonaire, tel que nous voulons le concevoir.
23.
III.2. LA MECANIQUE VENTILATOIRE
Remarque
Les modèles que nous établissons dans ce chapitre serviront uniquement à l'identification des paramètres physiologiques caractérisant
le fonctionnement de la fonction cardio-pulmonaire dans son aspect de la mécanique ventilatoire, c'est-à-dire celui du transport des gaz entre la bouche et la membrane alvéolo-capillaire. Ce ne sont pas des modèles de connaissance : ils sont donc simples.
Par contre, nons insisterons sur les hypothèses simplificatrices que nous sommes amenés à introduire de manière à bien connaître les causes d'écart possible entre la réalité et le modèle, et l'influence des modifications fonctionnelles et structurelles introduites par les affections pulmonaires.
La validité des hypothèses devra donc être discutée dans chaque cas, afin d'éviter des interprétations abusives des paramètres calculés.
III.2.1. Description anatomique éIémentaire(Weibel,1963)
Figure 4. Idealization of the human airways according to Weibel. Noce chat the first 16 générations (Z) make up the conducting airways and the last 7 the respiratory zone (or the transitional and respiratory zone). BR. bronchus:
BL, bronchiole: TBL. terminal bronchiole; RBL, respiratory bronchiole: .-^D, alveolar duct; .AS. alvolar sac. (From Weibel. E. R. Morphometry of the Human Lung. Berlin; Springer-Verlag. 196.3, p. 111.)
Figure III.1.(West,1974)
Les voies respiratoires sont constituées par un réseau dichotomique (figure III.1) de conduits circulaires, la trachée (génération 0), les bronches prin
cipales (génération I), les bronches et les bronchioles, qui deviennent plus étroits, plus courts et plus nombreux au fur et à mesure que l'on descend dans l'arbre bronchique. Il en résulte que la section totale présentée au débit gazeux à l'inspiration augmente très rapidement (exponentielle) en fonction du nombre de générations (figure III.2.) (Weibel,1963).
£
U
03 G3
CO OO CO enen Oe.
O lô
g
500
400
300 -
2001-
100U
-
---1--- 1 1 1 1
\ (
-
1 1
4
1 1
CONOUCTING
1
ZONE 1 ZONE
J»
4
/
^ TERMINAL BRONCHIOLES
.
3 5 10 15 20 23
Airway Génération
Figure 5. Diagram to show the extremely rapid increase in total cross-sec- tional area ot the airways in the respiratory zone (compare Figure 4). As a resuit, the torward velocity of the gas during inspiration becomes very small in the région of the respiratory bronchioles and gaseous diffusion becomes the dominant mechanism of ventilation.
Figure III. 2 .(West,1974)
L'écoulement des gaz dans les voies respiratoires est turbulent dans la cavité buccale, la trachée et les bronches jusqu'à environ la quin
zième génération. Ensuite, comme le montre la figure III.2., la section offerte au débit inspiré augmente fortement, diminuant ainsi la vitesse axiale de l'écoulement qui devient laminaire. A partir de la 17ème généra
tion environ, la vitesse des gaz devient à ce point lente que le transport par diffusion vers la membrane alvéolo-capillaire l'emporte largement sur la conduction. Cette région terminale de l'arbre bronchique où se déroule la diffusion est appelée la zone de diffusion. On lui attribue une épaisseur d'environ 5 mm.
25.-
Les bronchioles terminales, grosso modo les générations 20 à 23, sont tapissées de petits sacs, les alvéoles, dans les parois desquelles le sang circule dans un réseau très dense de minuscules capillaires pulmonaires au travers desquels le transport des gaz se fait par diffusion. Ces alvéoles, de 0.3 mm de diamètre moyen, sont au nombre d'environ 300 millions et procu
rent une surface d'échange entre le sang et les gaz comparable à la superfi
cie d'un terrain de tennis. La surface des alvéoles est recouverte d'un li
quide physiologique, le surfactant, dont l'action est de diminuer les tensions superficielles des parois. Lorsque ce surfactant fait défaut, ou est altéré, les alvéoles ont tendance à s'écraser. On dit qu'elles collabent ou qu'il y a collapsus des alvéoles. Ce phénomène, même limité à une région des poumons, est un problème potentiel qui apparaît fréquemment dans les conditions de res
piration sous respirateur artificiel.
Chaque poumon est constitué par l'ensemble des alvéoles, bronchio
les et bronches issues de la mime bronche principale (gauche et droite).
P : pression à la bouche p^^: pression intrapleurale P : pression "alvéolaire"
A
Patm’ pression atmosphérique
Lp^p=p^-p^^: gradient transpulmonaire Ap , =p -p : gradient transthoracique
^th ‘^atm " ^
V: volume pulmonaire
Figure III.3.
Les poumons se trouvent placés dans la cavité thoracique limitée latéralement et supérieurement par les côtes, et inférieurement par le dia
phragme. L'espace situé entre les poumons et les parois thoraciques est ap
pelé espace pleural. En fait, il ne s'agit pas d'un "espace" à proprement parler puisque les poumons restent contre les parois de la cage thoracique tout au long du cycle respiratoire : cette cohésion des poumons au thorax est maintenue aussi longtemps que l'espace pleural reste fermé. Si celui- ci est mis en communication avec la pression atmosphérique, on dit que l'on a un pneumothorax.
Dans ce cas, les poumons prennent leur volume minimum, appelé volume en col- lapsus, Vp sous l'effet des tensions élastiques rétractives du paren
chyme pulmonaire, tandis que le thorax a tendance à lëxpansion sous l'effet des tensions élastiques des tissus adhérents à la cage thoracique, pour pren
dre le volume appelé volume thoracique à plèvre ouverte.
III.2.2. Les forces à considérer (Geubelle, 1966) .
- Les forces élastiques des poumons : _la_compl^ance_ pujjnon^i_re.
Chaque alvéole d'un poumon normal est élastique, ce qui signifie que ses parois se distendent sous l'effet d'une pression effective positive appliquée à l'intérieur, ou d'une pression effective négative appliquée à l'ex térieur. Nous caractérisons cette élasticité par la compliance alvéolaire, c donnée par :
où AV^ représente la variation de volume consécutive à la variation de pres
sion Apa, variations mesurées à partir de la position de repos pour laquelle les tensions élastiques sont nulles.
Les poumons peuvent également être globalement considérés comme deux sacs élastiques capables de se gonfler sous l'effet d'une pression effec
tive positive appliquée dans la trachée, ou d'une pression effective négative appliquée sur leur surface extérieure (espace intra-pleural). Nous caractéri
sons cette élasticité par la compliance pulmonaire, Cp , donnée par ;
AV AV (III.2.)
C = AP Ap
tp Pa - Ppl
où AV représente la variation de volume pulmonaire consécutive au gradient transpulmonaire ‘^P^.p (figure III.3.), AV étant mesuré à partir du volume des poumons en collapsus, V^ lorsque les tensions élastiques dans le paren
chyme pulmonaire sont nulles.
Certains auteurs utilisent l'élastance pulmonaire définie par :
Pour donner un ordre de grandeur, disons que l'inspiration d'un volume de 500 ml (valeur courante) nécessite un gradient transpulmonaire de seulement 3 cm H
2
O. Ces valeurs de compliance aussi grandes par rapport à celles présentées par un ballon d'enfant par exemple, sont dues aux propriétés particulières du surfactant dont nous avons parlé ci-dessus. En patho
logie, la compliance pulmonaire peut être facilement réduite par un facteur trois ou quatre.
27.
Remarque
La notion de compliance est essentiellement statique. Elle est définie lor
sque les gaz sont immobiles dans le système respiratoire. On l'appelle d'ail leurs parfois compliance statique, ce qui est un pléonasme, mais ce terme est alors utilisé par opposition à la compliance dynamique, qui est une esti
mation de la compliance dans des conditions de mesure où l'on n'est pas tou
jours assuré du repos des gaz respiratoires.
- I^ej_ _for^ce^s_é_la_st_iq^es_ du_thorax : la compliance thoracique.
Les tissus et les muscles fixés à la cage thoracique, et le dia
phragme possèdent également une élasticité propre que nous caractérisons par la compliance thoracique, , donnée par :
AV___
^Pth
AV Ppl Patm
(III.3.)
où AV représente la variation du volume thoracique consécutive au gradient transthoracique ùp^^^ (figure III.3.), AV étant mesuré à partir du volume V^j^ ^ du thorax à plèvre ouverte, lorsque les tensions élastiques sont nul- les, et en l'absence de toute activité musculaire.
Certains auteurs utilisent l'élastance thoracique définie par :
Eth (III.4.)
Chez un sujet normal, la compliance thoracique est du même ordre de grandeur que la compliance pulmonaire.
Nous pouvons également considérer l'ensemble constitué par les poumons et le thorax. En l'absence de toute activité musculaire, nous carac
térisons l'élasticité de l'ensemble, par analogie avec ce qui a été fait pré
cédemment, par la compliance pneumothoracique ou totale définie par :
^p.th
AV Pa Patm
(III.5.)
où AV représente la variation de volume pulmonaire ou thoracique (ils sont égaux puisqu'il y a cohésion des poumons à la paroi thoracique), consécutive à la différence de pression entre l'intérieur des poumons et l'extérieur de la cage thoracique p^ - la variation de volume AV étant mesurée ici à partir du niveau expiratoire de repos ou capacité résiduelle fonctionnelle qui sera introduite en III.2.3.
définie par :
1
"p.th C (III.6.)
P. th
Un calcul trivial montrerait les relations suivantes :
^p. th
7^ + 7^ ou E = E + E^,
C C , p.th P th
P th ^
(III.7.)
- Les forces musculaires
Les forces musculaires agissent au niveau du diaphgrame et des muscles de la cage thoracique pour créer la respiration selon un mécanisme dé
crit en III.2.4. Les forces musculaires provoquent des modifications de vo
lume de la cage thoracique. Ces variations de volume provoquent à leur tour des variations de la pression intra-pleurale Pp]^> donc des variations du gra
dient transpulmonaire.
- Les for^ce^s_dynamiqiies_ : l^es_ _rés^i^ta^nc^e_s *
Les forces dynamiques sont les forces qui sont provoquées par les mouvements des gaz et des tissus du système respiratoire. Nous distinguerons
les composantes suivantes : |
• ■ t
. Les forces aérodynamiques.
Nous avons vu que l'écoulement des gaz était turbulent depuis la bouche jusqu'à environ la 1 Sème génération de l'arbre bronchique et qu'ensuite, l'écoulement devenait laminaire. Les lois des écoulements dans les tuyaute
ries permettent d'exprimer les relations existant entre le débit de l'écou
lement et la différence de pression nécessaire à l'engendrer (figure III.4).
P1 V P2 P=p J-p
2
Figure III.4.
Pour un écoulement laminaire :
P = RjV (III.8.)
où Rj est la résistance laminaire.
Pour un écoulement turbulent : P = R
2
V’^ n = 2 où R2
est la résistance turbulente.(III.9.)
29.-
Ces lois ne modélisent bien sûr que les pertes de charge aéro
dynamiques "microscopiques" au niveau de chaque segment de l'arbre bronchique.
C'est pourquoi, on introduit une modélisation globale reliant la résultante de toutes les pertes de charge aérodynamiques, au début à la bouche, seul endroit où il est mesurable. Pour ce faire, nous allons supposer que toutes les alvé
oles sont identiques et que par conséquent, la pression est à tout moment dy
namiquement la même dans toutes les alvéoles des poumons. C'est l'hypothèse de l'homogénéité des poumons sur laquelle nous reviendrons plus tard. Dans le cadre de cette hypothèse, nous pouvons définir à tout moment la pression alvéolaire, p^ , comme étant la pression régnant uniformément dans les pou
mons .
En l'absence de débit dans le système respiratoire, à la fin d'une expiration normale par exemple, il n'y a aucune perte de charge dynamique et la pression alvéolaire, p^ , est égale à la pression à la bouche, Pg . Par contre, si nous voulons pousser un débit inspiratoire dans les poumons, nous devons avoir une pression à la bouche, p„ , supérieure à la pression alvéolai-
D
re, p^ ; et si V représente le débit entrant à la bouche, on modélise l'effet des pertes de charge aérodynamiques par la relation :
Pb - Pa = ^ (III.10.)
ou parfois par ;
p„ - P, = R' . où n = 1.6
. Les forces de frottement tisssulaire.
Ce sont les forces de frottement des tissus glissant les uns sur les autres et contre la paroi thoracique. Ces frottements se marquent également par un terme de différence de pression Pg ~ ?a ’ s'ajoute à celui dû aux forces aérod)mamiques. On modélisera l'ensemble des forces dynamiques (aérodynami
ques et tissulaires) par une relation globale décrivant leur effet en liaison avec le débit mesuré à la bouche :
Pb - Pa = ^1^ + (III.ll .)
ou plus souvent sous la forme linéaire plus simple :
(III.12.)
C'est cette dernière relation qui définit la résistance pulmonaire qui en
globe donc les pertes de charge aérodynamiques dans l'arbre bronchique et les pertes par frottement visqueux des tissus pulmonaires.
De même, si l'on considère les mouvements de la cage thoracique sous l'effet d'un gradient transthoracique, il interviendra des pertes dues aux frottements visqueux internes des tissus du thorax. On tiendra compte de ces pertes dans
les modèles où la cage thoracique intervient, en introduisant la résistance thoracique, , qui s'ajoute à la résistance pulmonaire, , pour consti
tuer la résistance pneumo-thoracique ou totale, R^ .
III.2.3. Equilibre statique des forces ; la capacité résiduelle fonctionnelle (Geubelle, 1966).
: forces élastiques du thorax
^ : forces élastiques des poumons poumons en collapsus V ,
^ p.col thorax à plèvre ouverte V ,
* th.o
ensemble poumons-thorax au repos à la fin d'une expiration normale, plèvre fermée et activité musculaire nulle : capacité résiduelle fonctionnelle VCRF
Figure III.5.
Considérons le système poumons-thorax au repos, à la fin d'une expiration normale, au moment où tous les muscles respiratoires sont relâchés et où les gaz sont immobiles dans les poumons. Le volume pulmonaire dans ces conditions est appelé niveau expiratoire de repos ou capacité résiduelle fonctionnelle, • Ce niveau est déterminé par l'équilibre entre les forces élastiques des poumons qui ont tendance à se rétracter, et les forces élastiques du thorax qui a tendance à l'expansion. Nous avons donc :
VP .col. < V
CRF < V
th.o (III.13.)
