Académie d’Orléans –Tours Université François-Rabelais
FACULTE DE MEDECINE DE TOURS
Année 2015 N°
Thèse pour le
DOCTORAT EN MEDECINE Diplôme d’Etat
Par
NAY Mai-Anh Née le 13 mars 1985 à Paris
Présentée et soutenue publiquement le 30 avril 2015
Modifications des interactions patient-respirateur induites par la fibroscopie bronchique lors du syndrome de détresse respiratoire
aiguë.
Expérience clinique, évaluation sur un modèle expérimental et perspective d’innovation.
Jury
Président de Jury : Monsieur le Professeur Pierre François DEQUIN Membres du jury : Monsieur le Professeur Marc LAFFON
Monsieur le Professeur Dominique PERROTIN Monsieur le Docteur Thierry BOULAIN Monsieur le Docteur Antoine GUILLON
03 avril 2015
UNIVERSITE FRANCOIS RABELAIS FFAACCUULLTTEE DDEE MMEEDDEECCIINNEE DDEE TTOOUURRSS
DOYEN
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2
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5
RESUME
Introduction : La réalisation d’une fibroscopie bronchique dans un contexte de syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) peut accroître les lésions induites par la ventilation mécanique du fait de l’obstruction générée par le fibroscope à l’intérieur de la sonde d’intubation. L’objectif de ce travail était de déterminer à partir de quelle réduction de diamètre externe du fibroscope le retentissement sur les paramètres de ventilation serait négligeable. En plus de ce travail expérimental, nous rapportons dans cette thèse une expérience clinique et proposons une perspective d’innovation.
Matériels et méthodes : Nous avons utilisé un poumon artificiel en ventilation mécanique invasive simulant les caractéristiques physiopathologiques du SDRA sévère et d’une situation contrôle. Nous avons modélisé 5 fibroscopes de diamètre croissant (de 2,6 à 5,3 mm de diamètre externe) qui ont été insérés dans des sondes d’intubation de 6,5 à 8,0 mm de diamètre externe. Deux niveaux de limite de pression inspiratoire positive (PIPmax) ont été réglés. Au total, 96 situations cliniques ont été analysées expérimentalement. Après insertion des fibroscopes, nous avons mesuré le pourcentage de ventilation minute effectivement délivré et l’impact sur les pressions pulmonaires inspiratoires et expiratoires.
Résultats : L’insertion d’un fibroscope de diamètre habituel (5,3 mm) impactait considérablement les volumes de ventilation effectivement délivrés : (i) avec une PIPmax à 60 cmH2O, seule une sonde d’intubation de 8 mm permettait de conserver les paramètres de ventilation ; (ii) avec une PIPmax à 100 cmH2O, la ventilation était possible mais induisait une élévation immédiate et significative de la pression positive en fin d’expiration (PEEP) : +6 cmH2O et +5 cmH2O avec des sondes d’intubation respectivement de 7 et de 7,5 mm de diamètre externe. Un fibroscope de 4 mm de diamètre externe n’entraînait aucune modification des paramètres de ventilation et limitait l’élévation des pressions pulmonaires, à l’exception de son utilisation avec une sonde de 6,5 mm.
Conclusion : Un fibroscope d’un diamètre inférieur ou égal à 4 mm de diamètre externe limiterait l’obstruction à l’intérieur d’une sonde d’intubation et permettrait de ne pas modifier les interactions patient-ventilateur lors d’un SDRA sévère.
Mots-clés : Fibroscopie bronchique ; dispositif à usage unique ; syndrome de détresse respiratoire aiguë ; soins intensifs.
6
ABSTRACT
Introduction: Bronchoscopy performed through endotracheal tubes (ETTs) in patients receiving mechanical ventilation can significantly impact the ventilation, especially in acute respiratory distress syndrome (ARDS). The main objective was to describe the impact of bronchoscopy during protective-ventilation strategy, in order to determine the optimal diameter of bronchoscope we need to avoid acute ventilator induce lung injury. In addition to the experimental study we report clinical experience and offer a perspective of innovation.
Materials and methods: We simulated a healthy and a severe ARDS lungs mechanically ventilated and we evaluated 24 combinations with ETTs (6,5 to 8,0 mm) and 5 modeled bronchoscopes (2,6 to 5,3 mm). After the insertions of the bronchoscopes in the ETTs, we measured the percentage of minute ventilation (MV) delivered compared to baseline and we measured the inspiratory and expiratory pressures with 2 levels of limits of inspiratory pressure (PIPmax).
Results: In “healthy and ARDS lungs” conditions, with a 5.3 mm-bronchoscope, when the PIPmax was set at 60 cmH2O, 100% of MV was delivered only for 8.0 mm ETT. With PIPmax up to 100 cmH2O, the ventilation was possible but the total-PEEP immediately increased: +5 cmH2O and +6 cmH2O with 7.5 mm and 7.0 mm ETTs respectively. Finally, with a 4.0mm-bronchoscope, there was no significant modification of ventilation except with 6,5 mm ETT.
Conclusion: We need a bronchoscope of 4.0 mm external diameter to avoid significant ETT obstruction in particulary in protective ventilation for severe ARDS.
Key words: bronchoscopy; single use; intensive care; acute respiratory distress syndrome.
7
Remerciements
A monsieur le Professeur Pierre François Dequin pour me faire l’honneur de présider et juger cette thèse.
A monsieur le Professeur Marc Laffon pour la richesse de son enseignement durant mon internat.
A monsieur le Professeur Dominique Perrotin pour avoir contribué à mon apprentissage de la médecine et son soutien à chaque étape de ma formation. C’est une fierté que d’avoir été formée à Tours.
A monsieur le Docteur Thierry Boulain d’avoir accepté de juger ce travail. Je suis ravie de bientôt travailler à vos côtés.
A monsieur le Docteur Antoine Guillon pour m’avoir proposé ce travail et guidé avec patience, rigueur et bonne humeur.
A madame le Docteur Julie Mankikian pour avoir participé à ce projet, pour m’être de bons conseils et pour ces jolis moments passés pendant mon semestre en réa.
A tous les médecins que j’ai pu côtoyer pendant mon internat et qui m’ont tant appris durant mes stages d’anesthésie et de réanimation. Tout particulièrement : Anne, Armelle, Dalila en réanimation d’Orléans ; Didier et Rémi à la mat ; Dominique et Annette à Blois ; Martine et Anne-Cha en réa chir ; Christian et Béné en réa ccv ; Agnès en neurotrau ; Djilali en neurochir ; Anne, Fabien, Stéphanie au bloc ; Annick, Denis, Emmanuelle, Emma, Stephan en réa med ; Véro et Patrick au samu.
A toutes les équipes paramédicales et aux secrétaires, avec qui j’ai eu plaisir à travailler, pour leur professionnalisme et leur sympathie.
8
Merci à Vanessa et Seb (et mon filleul Alexandre), Sarra et Manu (et les twins), Chachou, Aude, Aurore, Lauriane C., Julien et Suzanne, Charlotte B., Caro, Maud pour leurs amitiés.
A mes amis corses, qui même de loin, sont toujours dans mon cœur et me manquent.
A Adrien, mon binôme durant ces 5 années d’internat, pour son amitié, ses bons conseils aussi bien au niveau médical qu’en informatique et pour m’avoir mise au footing !
A mes co-internes et bien plus encore, Anne-Blandine, Amélie et Raph, Fallys (mon interne, pour toujours), Lauriane P., Thomas, Pascaline, Hélène, Juliette, Stephanie, Sofian, Lucile, Jérôme, Clémence pour ces bons moments passés ensemble.
A mes co-internes et ceux devenus chefs d’anesthésie-réanimation, et à mes co-internes lors de mes stages de réa.
A ma famille, qui de près ou loin, m’a toujours encouragée. Tout particulièrement à tonton Aroun et Tata Eng pour leur soutien et leur relecture.
A mes parents pour leur amour et leur soutien depuis toujours. Merci à vous, pour tout.
A Thierry pour être à mes côtés et pour sa patience chaque jour.
9
SERMENT D’HIPPOCRATE
En présence des Maîtres de cette Faculté, de mes chers condisciples
et selon la tradition d’Hippocrate,
je promets et je jure d’être fidèle aux lois de l’honneur et de la probité dans l’exercice de la Médecine.
Je donnerai mes soins gratuits à l’indigent,
et n’exigerai jamais un salaire au‐dessus de mon travail.
Admis dans l’intérieur des maisons, mes yeux ne verront pas ce qui s’y passe, ma langue taira les secrets qui me seront confiés et mon état ne servira pas
à corrompre les mœurs ni à favoriser le crime.
Respectueux et reconnaissant envers mes Maîtres, je rendrai à leurs enfants
l’instruction que j’ai reçue de leurs pères.
Que les hommes m’accordent leur estime si je suis fidèle à mes promesses.
Que je sois couvert d’opprobre et méprisé de mes confrères
si j’y manque.
10
Table des matières
LISTE DES PROFESSEURS ... 2
RESUME ... 6
ABSTRACT ... 7
REMERCIEMENTS ... 8
SERMENT D’HIPPOCRATE ... 10
TABLE DES MATIERES ... 11
INTRODUCTION ... 12
Historique de la fibroscopie bronchique ... 13
De l’apport de la fibroscopie en réanimation, à la difficulté de sa mise en place ... 15
Cas particulier des patients ventilés lors du syndrome de détresse respiratoire aiguë ... 17
Objectifs ... 19
RESULTATS ... 20
Manuscrit 1: Investigation of a cause-effect relationship between flexible bronchoscopy and pneumothorax in patients with severe ARDS ... 21
Manuscrit 2 :Fiberoptic bronchoscopy in the severe acute respiratory distress syndrome drastically disrupts the protective-ventilation strategy: experimental evidences on a lung model ... 29
Manuscrit 3: Perspective d’innovation (Déclaration d’invention) ... 50
CONCLUSION ET PERPSPECTIVES ... 59
ABREVIATIONS ... 62
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 64
ANNEXES ... 70
1- Illustrations du modèle utilisé ... 71
2- Présentations à des congrès ... 73
11
Introduction
12
Historique de la fibroscopie bronchique.
En 1806, Philipp Bozzini crée le conducteur de lumière (« Lichtleiter ») permettant de voir à l’intérieur d’organes creux [Bozzini, 1806]. A la fin du XIXème siècle, apparaissent les instruments, l’électricité et l’anesthésie locale. Tous ces éléments contribuent à ce que Theodore Rosenheim inspecte accidentellement la trachée lors de la réalisation d’une oesophagoscopie en 1891. La fibroscopie bronchique naît alors quelques années plus tard avec Gustav Killian (1860-1921) [Figure 1]. Chez des patients trachéotomisés, il parvient à passer la bifurcation trachéale, à l’aide d’un bronchoscope, oesophagoscope de Rosenheim modifié, et remarque que les bronches sont élastiques et flexibles [Figure 2]. Il réussit également, en 1897, à extraire des corps étrangers de la bronche principale droite. Une étape majeure est franchie dans l’histoire de la fibroscopie bronchique. Il présente ainsi ses travaux au 6ème séminaire de la Société des oto-rhino-laryngologistes de l’Allemagne du Sud en 1898 et reste considéré comme le père de la fibroscopie bronchique. Un congrès portant son nom a eu lieu en 1999 pour les 100 ans de la fibroscopie bronchique [Grünwald, 1999].
13
Figure 1 – Gustav Killian et son équipe en 1912 (d’après Google images).
Figure 2 – Gustav Killian effectuant une bronchoscopie chez un patient trachéotomisé (d’après [Grünwald F, 1999]).
Chevallier Jackson écrit le 1er livre sur la bronchoscopie et l’oesophagoscopie en 1907, et améliore la bronchoscopie de Gustav Killian. A partir de 1927-1930, se développe l’utilisation des fibres de verre pour leurs propriétés optiques. La première biopsie pulmonaire transbronchique est réalisée en 1965 à l’aide d’un fibroscope bronchique rigide.
14
En 1966, Shigeto Ikeda introduit le fibroscope souple à fibre-optique, il s’agit d’une avancée majeure qui va bouleverser son utilisation aussi bien au niveau médical que chirurgical. L’apport vidéo, quant à lui, date de 1987.
La fibroscopie souple contient un système de fibres optiques qui transmet une image de la pointe de l’instrument à un oculaire ou un écran. La plupart des fibroscopes flexibles contiennent également un canal opérateur pour l’aspiration ou instrumentation plus petit que celui des fibroscopes rigides. La fibroscopie souple est très largement utilisée car elle diminue l’inconfort du patient et ne nécessite pas d’anesthésie générale [Ernst, 2009]. Elle peut être réalisée non seulement dans les services de pneumologie adulte et pédiatrique, mais également dans les services de réanimations, d’urgences et de chirurgies (cardio-thoraciques).
En moyenne, il est réalisé une dizaine de fibroscopies quotidiennes dans les unités d’endoscopie respiratoire c’est donc une pratique courante en pneumologie.
De l’apport de la fibroscopie en réanimation, à la difficulté de sa mise en place.
La fibroscopie bronchique souple est rapidement utilisée par les médecins réanimateurs dès son apparition. C’est un outil indispensable en réanimation qui permet de faire face à des situations d’urgence (intubation difficile, désobstruction trachéo-bronchique par fibro-aspiration) ou pour réaliser des actes à visée diagnostique (lavage bronchoalvéolaire) [Décret n°2002-466, 2002 ; Du Rand, 2013]. Elle peut être considérée comme une procédure simple et relativement peu agressive. Toutefois, chez les patients de réanimation, ventilés mécaniquement, il faut tenir compte de l’hypoxémie fréquente qu’elle risque d’aggraver, des interactions patient-ventilateur et de la mécanique ventilatoire qu’elle risque de perturber.
Les services de réanimation doivent s’organiser pour garantir la disponibilité permanente d’un fibroscope bronchique fonctionnel, impératif difficile à respecter. Les contraintes de désinfection sont une première difficulté [Circulaire DHOS/E2/DGS/SD 5C n°
15
2003-591, 2003]. De plus il est important de considérer que ces procédures longues et coûteuses de désinfection ne permettent malheureusement pas d’éradiquer les infections croisées de patient à patient, via le fibroscope. En effet, le risque d’infection nosocomiale persiste et est probablement sous-estimé [Spach, 1993 ; Kerschke, 2003 ; Mehta, 2005]. La deuxième difficulté est la fréquence des pannes de ce matériel. A titre d’exemple, dans le service de réanimation polyvalente de Tours, 100 fibroscopies bronchiques sont réalisées par an en moyenne. La durée de vie d’un fibroscope bronchique est de 2,8 ans avec un coût de maintenance de 2000 euros par an, le temps d’indisponibilité cumulé des fibroscopes pour les soins du fait de désinfection était de 587 heures [Mankikian, 2014].
Le développement de matériel à usage unique est une solution séduisante permettant de disposer en permanence d’un fibroscope et potentiellement de limiter les risques d’infections nosocomiales. Des tentatives de développement de ce type de matériel ont précédemment été proposées avec un système de gaine de protection jetable mais la qualité d’utilisation était inférieure au fibroscope habituel [Colt, 2000 ; Margery, 2004]. Un autre endoscope complètement à usage unique mais sans canal opérateur a été développé plus récemment avec plus de succès pour les intubations difficiles ou les trachéotomies percutanées [Vijayakumar, 2011 ; Krugel, 2013].
Récemment, plusieurs fibroscopes à usage unique avec un large canal opérateur ont été développés et montrent des résultats encourageants [Piepho, 2010 ; Mankikian, 2014]. Les qualités techniques de ces nouveaux vidéo-endoscopes bronchiques à usage unique sont amenées à évoluer rapidement. Ces nouvelles technologies se généralisent dans nos services de réanimation.
16
Cas particulier des patients ventilés pour un syndrome de détresse respiratoire aiguë.
Les complications lors de la réalisation d’une fibroscopie bronchique sont rares.
L’hypoxémie est une conséquence connue de la fibroscopie bronchique, mais les mécanismes des interactions patient-ventilateur induites par la fibroscopie bronchique resntent mal connus.
Sur une série prospective portant sur 147 fibroscopies réalisées chez 107 patients ventilés mécaniquement, aucun décès n’était constaté. Les complications étaient rares, mais un cas de pneumothorax et 2 cas d’hémorragies avait été constatés [Turner, 1994]. Cependant il y a peu de données dans la littérature étudiant l’impact d’une fibroscopie bronchique chez des patients ventilés pour un syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA). Or la fibroscopie bronchique est un outil majeur aidant au diagnostic des pneumopathies acquises sous ventilation mécanique, complications fréquentes chez les patients en SDRA. La seule série de 110 patients ventilés pour un SDRA (PaO2/FiO2 <200) qui ont eu une fibroscopie bronchique avec un lavage broncho-alvélolaire rapportait un cas d’hypoxie avec une SpO2<80% durant le geste et un cas de pneumothorax [Steinberg, 1993]. Il est à noter que la fibroscopie bronchique n’a pas été réalisée chez les patients les plus graves, puisque moins de 12 patients avaient un SDRA sévère. De plus, cette seule étude clinique évaluant l’impact de la fibroscopie bronchique chez des patients en SDRA est trop ancienne pour pouvoir être extrapolée à nos pratiques actuelles. Les recommandations de ventilation pour les patients atteints de SDRA (ventilation protectrice) n’avaient pas encore été clairement définies à cette époque.
La présence d’un fibroscope à l’intérieur d’une sonde d’intubation orotrachéale (IOT) génère une obstruction qui limite la ventilation mécanique. L’élévation de la pression inspiratoire de pic est une conséquence connue de l’obstruction générée par le fibroscope, qui engendre un rétrécissement du calibre de la sonde d’intubation ce qui augmente la composante résistive de la pression des voies aériennes. Deux études anciennes, sur des
17
modèles expérimentaux et animaux, retrouvaient une élévation de la pression positive expiratoire (PEEP) corrélée au diamètre interne relatif de la sonde d’intubation, c’est-à-dire au pourcentage restant de la lumière de la sonde d’intubation après insertion du fibroscope [Lindholm, 1978 ; Lawson, 2000]. Il n’y a cependant pas d’information concernant l’élévation de la PEEP lors de la ventilation spécifique du SDRA.
Pour limiter les perturbations induites par une fibroscopie bronchique sur la ventilation, des recommandations d’experts ont proposé d’augmenter la fraction inspirée en oxygène à 100% et de monter la limite de la pression inspiratoire positive (PIPmax) jusqu’à 100 cmH2O [Les recommandations des experts de la SRLF, 2000]. On comprend aisément qu’il est difficile de monitorer la pression de plateau (Pplat) et l’élévation de la pression totale de fin d’expiration (PEEP totale) lors d’une fibroscopie bronchique chez des patients en SDRA, alors même qu’il existe des recommandations (fortes) sur la surveillance des pressions respiratoires chez le patient ventilé pour un SDRA [Richard, 2005 ; Jaber, 2007].
Avec l’essor des fibroscopes à usage unique dans les services de réanimation, nous pensons qu’à l’avenir, il sera possible de développer des fibroscopes bronchiques à usage unique avec un diamètre externe encore plus fin tout en conservant un canal opérateur d’un diamètre adéquat (afin de maintenir une aspiration optimale et permettre de pouvoir réaliser des gestes tels que les lavages broncho-alvéolaires) et ainsi réduire l’impact sur la ventilation.
18
Objectif
Nous avons donc cherché à évaluer la faisabilité de la fibroscopie bronchique sous ventilation mécanique, en particulier sur un terrain pathologique, celui du SDRA sévère. Notre travail comporte trois parties :
- une expérience clinique d’une complication secondaire à la fibroscopie bronchique chez un patient en SDRA
- une étude expérimentale permettant de définir les innovations nécessaires afin d’améliorer la tolérance de la fibroscopie bronchique sous ventilation mécanique
- enfin, nous proposons une potentielle perspective d’innovation.
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Résultats
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Manuscrit 1: Investigation of a cause-effect relationship between flexible bronchoscopy and pneumothorax in patients with severe acute respiratory distress syndrome.
Lors de la prise en charge d’un patient en SDRA sévère, nous avons constaté un pneumothorax à l’occasion d’une fibroscopie bronchique. Aucune cause évidente n’avait été retrouvée, il n’y avait notamment pas eu de geste endobronchique. Nous avons alors décidé de revenir a posteriori sur ce dossier, c’est-à-dire la réalisation d’une fibroscopie bronchique sans geste associé chez un patient en SDRA sévère. Pour cela, nous avons modélisé cette situation afin de créer un environnement propice à la réflexion et à la compréhension [Annexe 1 : Illustrations 1 et 2].
L’activité de simulation médicale est en plein essor et prend une place de plus en plus importante dans la formation médicale. Cet outil peut également être utilisé comme outil de
« débriefing » dans le but de mieux comprendre une situation clinique pathologique, d’en tirer les conséquences et éventuellement d’améliorer les pratiques cliniques.
Nous avons observé que l’obstruction générée par la présence du fibroscope dans la sonde d’intubation orotrachéale augmentait les résistances à l’inspiration mais également à l’expiration ; au temps expiratoire cette résistance avait pour conséquence une évacuation incomplète du volume ventilatoire administré et était donc responsable d’une hyperinflation dynamique. L’augmentation des pressions expiratoires entrainait secondairement une augmentation de la Pplat.
Cette démarche scientifique a été soumise et acceptée sous forme de « Letter to the Editor » dans la revue « European Journal of Anaesthesiology » :
- Le 27 janvier 2015 : « Manuscript submitted »
- Le 26 février 2015 : « Acceptable for publication pending appropriate revision » - Le 13 mars 2015: « Revision submitted to journal »
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- Le 24 mars 2015: “Accepted for publication »
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European Journal of Anaesthesiology
Investigation of a cause-effect relationship between flexible bronchoscopy and pneumothorax in patients with severe acute respiratory distress syndrome
--Manuscript Draft--
Manuscript Number:
Full Title: Investigation of a cause-effect relationship between flexible bronchoscopy and pneumothorax in patients with severe acute respiratory distress syndrome
Article Type: Letter to the Editor
Corresponding Author: Antoine Guillon, M.D., Ph.D.
(1)CHRU de Tours, Service de Réanimation Polyvalente FRANCE
Corresponding Author Secondary Information:
Corresponding Author's Institution: (1)CHRU de Tours, Service de Réanimation Polyvalente Corresponding Author's Secondary
Institution:
First Author: Mai-Anh Nay
First Author Secondary Information:
Order of Authors: Mai-Anh Nay
Julie Mankikian Denis Garot
Antoine Guillon, M.D., Ph.D.
Order of Authors Secondary Information:
Manuscript Region of Origin: FRANCE
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Title page
Title: Investigation of a cause-effect relationship between flexible bronchoscopy and pneumothorax in patients with severe ARDS
Authors: M-A. NAY (1,2,3), J.MANKIKIAN (1), D. GAROT (1), A. GUILLON (1,3,4) Affiliation:
(1) CHRU de Tours, Service de Réanimation Polyvalente, F-37000 Tours, France (2) CHRU de Tours, Département d’anesthésie-réanimation, F-37000 Tours, France (3) Université François Rabelais de Tours, EA 6305, F-37032 Tours, France
(4) INSERM, Centre d'Etude des Pathologies Respiratoires, UMR 1100/EA6305, F-37032 Tours, France
Corresponding author: A. GUILLON Email: [email protected]
CHRU Bretonneau, Réanimation Polyvalente, 2 boulevard Tonnellé, 37000 Tours, France Phone Number: (+33)02.47.47.38.55 / Fax Number: (+33)02.47.39.65.36
Acknowledgements relating to this article Assistance with the article: none.
Financial support and sponsorship: none.
Conflicts of interest: none.
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Dear Editor,
Simulation-based education is becoming an increasingly important part of medical training.
Indeed, simulation provides a unique opportunity for anesthesiology residents to acquire technical skills and expertise in a controlled environment [1]. Moreover, we demonstrate herein that simulation also presents an ideal environment to provide structured feedback in a retrospective analysis of a clinical complication of unknown cause. We report the case of a patient with severe acute respiratory distress syndrome (ARDS) complicated by pneumothorax following a flexible bronchoscopy procedure. We simulated the bronchoscopy procedure with an artificial ventilated lung modeling this clinical situation to investigate the physiopathological link between bronchoscopy and pneumothorax.
A 54 year-old man was admitted to the intensive care unit (ICU) for community-acquired pneumonia. He had no relevant medical history. On admission to the ICU, his vital signs were:
Glasgow Coma Scale 15, temperature 36.6°C, oxygen saturation 75% with 15L/mn of oxygen, respiratory rate 36/min, blood pressure 152/87mmHg, and heart rate 118/min. Physical examination revealed bilateral crackles. Assessment of blood gases during the respiration of ambient air showed a pH of 7.24, a pCO2 19 of mmHg, a pO2 of 55 mmHg and a HCO-3 of 25 mmol/L. Chest radiography showed bilateral alveolar consolidation and interstitial infiltrates.
The patient rapidly required invasive mechanical ventilation neuromuscular blockers in addition to sedation, and was placed in the prone position. The initial PaO2/FiO2 was 58 with lung ventilator protective settings (described later). Urine was positive for Streptococcus pneumonia; therefore, the initial antimicrobial therapy (ceftriaxone and spiramycin) was replaced with amoxicillin. Bronchoalveolar lavage was performed on day 4 to examine the cause of persistent fever. During the bronchoscopy procedure, FiO2 was increased up to 100%, the high-pressure limit set on the ventilator was increased to recover the tidal volume delivered and 30 mL of saline was infused and collected (repeated three times). Biopsy was not attempted and no immediate peri-procedure complications were described. Right pneumothorax was diagnosed two hours later and evacuated immediately. Veno-venous extracorporeal membrane oxygenation was initiated to control respiratory failure in addition to conventional treatments. The patient eventually died after one month of ICU care, despite extracorporeal respiratory support.
Here, a link between pneumothorax and bronchoscopy was suspected but not proven.
Thus, we reproduced this scenario in an artificial setting with an accurate model of mechanical
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ventilation: a breathing simulator (Model 5600i, Dual Adult Pneuview System, Michigan Instruments, Grand Rapids, USA) ventilated with an EVITA XL ventilator (Dräger Medical GmBH, Lübeck, Germany). We programmed the patient’s ventilator conditions with the exact parameters reported in the case: volume-controlled ventilation, an endotracheal probe with an internal diameter of 7.5 mm, tidal volume 400 mL (6 mL/kg), respiratory rate 35/min, inspiratory/expiratory ratio 0.5, peak inspiratory flow 60 L/min, positive end-expiratory pressure (PEEP) 14 cmH2O, compliance 27 cmH2O/L, resistance of respiratory System 10 cmH2O/L/s, peak inspiratory pressure 40 cmH2O, plateau pressure (Pplat) 30 cmH2O, and total positive end-expiratory pressure (totalPEEP) 15 cmH2O. Finally, we performed the bronchoscopy in this model with a single-use flexible bronchoscope (Bronchoscope SU, AXESSVISION, Saint-Pierre-des-Corps, France; external diameter 5.5 mm) [2] and assessed changes in airway pressure. In particular, the lung model provided readings of alveolar pressure, which were used to determine totalPEEP. First, we set the high-pressure limit at 60 cmH2O and confirmed that it was not possible to ventilate the lung. Thus, the high-pressure limit was increased up to the maximal value and the artificial lung was efficiently ventilated (measured/theoretical minute ventilation ratio 0.97). As expected, peak inspiratory pressure immediately increased (100 cmH2O). Interestingly, we observed also an increase of Pplat (38 cmH20) and totalPEEP (22 cmH2O) in the intra-lung pressure gauge.
An increase of peak inspiratory pressure is a well-known consequence of endotracheal probe obstruction (herein secondary to bronchoscope insertion). However, large increases of Pplat and totalPEEP have never been recorded during the performance of flexible bronchoscopy in clinical practice, because it is inappropriate to perform an inspiratory or expiratory hold maneuver during this procedure. The increased system resistance may be overcome at the inspiratory phase when the high-limit pressure is elevated, but is not during the expiratory phase because of the limitation to expiratory flow and the reduced expiratory time set by the ventilator that is required for patients with severe ARDS. At the end of expiration, dynamic inflation may occur because of the incomplete emptying of the lungs. The hyperinflation increases the alveolar pressure, resulting in high totalPEEP (here +8 cmH2O from PEEP), and high Pplat. The probe obstruction secondary to bronchoscope insertion is generally uneventful, but could have serious consequences for an injured lung, as observed in this case report. Indeed, one case of pneumothorax was reported in both of the two main observational studies examining the safety of bronchoalveolar lavage in ventilated patients [3, 4].
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The aviation industry has post-flight debriefings with simulated environments to ensure information exchange and quality management [5]. We developed the same approach for a clinical scenario regarding an unexplained medical complication, from which we were able to draw practical conclusions. We found that the insertion of a flexible bronchoscope into the endotracheal probe of a patient ventilated for severe ARDS rapidly increases totalPEEP and may have live-threatening consequences such as pneumothorax. As a new generation of bronchoscope is being developing [2, 6], we hope that it will be soon possible to design a flexible bronchoscope with a reduced external diameter and a large suction channel.
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REFERENCES
[1] Blum RH, Boulet JR, Cooper JB, Muret-Wagstaff SL. Simulation-based assessment to identify critical gaps in safe anesthesia resident performance. Anesthesiology 2014; 120:129-41
[2] Mankikian J, Ehrmann S, Guilleminault L et al. An evaluation of a new single-use flexible bronchoscope with a large suction channel: reliability of bronchoalveolar lavage in ventilated piglets and initial clinical experience. Anaesthesia 2014; 69:701-6
[3] Steinberg KP, Mitchell DR, Maunder RJ, Milberg JA, Whitcomb ME, Hudson LD. Safety of bronchoalveolar lavage in patients with adult respiratory distress syndrome. Am Rev Respir Dis 1993; 148:556-61
[4] Turner JS, Willcox PA, Hayhurst MD, Potgieter PD. Fiberoptic bronchoscopy in the intensive care unit--a prospective study of 147 procedures in 107 patients. Crit Care Med 1994; 22:259- 64.
[5] Fanning RM, Gaba DM. The role of debriefing in simulation-based learning. Simul Healthc 2007; 2:115-25
[6] Krugel V, Bathory I, Frascarolo P, Schottker P. Comparison of the single-use Ambu(®) aScope™ 2 vs the conventional fibrescope for tracheal intubation in patients with cervical spine immobilisation by a semirigid collar. Anaesthesia 2014; 68:21-6
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Manuscrit 2: Fiberoptic bronchoscopy in the severe acute respiratory distress syndrome drastically disrupts the protective-ventilation strategy: experimental evidences on a lung model.
La précédente réflexion nous a permis de comprendre le mécanisme physiopathologique de la survenue d’un pneumothorax lors d’une fibroscopie bronchique dans ce contexte de SDRA sévère. L’objectif suivant était d’optimiser la réalisation d’une fibroscopie bronchique dans cette situation particulière.
Dans un premier temps, nous avons défini à partir de quelle réduction de diamètre externe du fibroscope, le retentissement sur les paramètres de ventilation serait négligeable.
Pour répondre à cette question, nous avons mis en place un modèle expérimental composé d’un poumon artificiel ventilé par un respirateur de réanimation [Annexe 1 : Illustrations 1 et 2]. Dans ce modèle, des procédures de fibroscopie avec des fibroscopes de tailles décroissantes, ont été simulées lors de différentes situations cliniques.
Par ce travail, nous avons démontré qu’un fibroscope bronchique d’un diamètre inférieur ou égal à 4 mm de diamètre externe limitait l’obstruction à l’intérieur d’une sonde d’intubation et permettait de ne pas modifier les interactions patient-ventilateur.
Ce manuscrit a été rédigé selon les recommandations du journal Anaesthesiology. Il a pour ambition d’être soumis rapidement.
Dans un deuxième temps, nous avons essayé de dégager un message pratique quant au réglage du respirateur dans la situation d’une fibroscopie bronchique chez un patient en SDRA sévère. Nous avons tout d’abord exprimé l’augmentation des pressions expiratoires en fonction des résistances engendrées par l’insertion du fibroscope dans la sonde d’intubation.
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Ensuite, nous avons rappelé que cette résistance pouvait être calculée au temps inspiratoire en fonction d’une différence de pressions et du débit inspiratoire.
Finalement, dans nos conditions expérimentales, nous avons défini le seuil de PIPmax qui permettrait de prévoir une élévation significative des pressions au temps expiratoire. Ces résultats sont présentés après le manuscrit n°2.
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Dr Antoine Guillon,
Service de Réanimation Polyvalente, CHRU Bretonneau, 2 Bd Tonnellé, F-37044 Tours Cedex 9, France.
Phone: 0033247471322; Fax: 0033247396536; [email protected] Title
Fiberoptic bronchoscopy in acute respiratory distress syndrome severely disrupts the protective- ventilation strategy: experimental evidence from a lung model.
Authors
Mai-Anh Nay, Julie Mankikian, Antoine Guillon Affiliations
(1) CHRU de Tours, Service de Réanimation Polyvalente, F-37000 Tours, France
(2) CHRU de Tours, Département d’Anesthésie-Réanimation, F-37000 Tours, France
Corresponding author
Dr Antoine Guillon, Service de Réanimation Polyvalente, CHRU Bretonneau, 2 Bd Tonnellé, F-37044 Tours Cedex 9, France. Phone: 0033247471322; Fax: 0033247396536; [email protected] E-mail addresses of all authors:
Mai-Anh Nay: [email protected] Julie Mankikian: [email protected] Conflict of interest
We have no conflict of interest to declare.
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SUMMARY:
Flexible bronchoscopy is essential for appropriate care of ventilated patients for both diagnostic and therapeutic purposes. However, bronchoscopy through endotracheal tubes can significantly affect ventilation settings, in particularly for patients with acute respiratory distress syndrome. The objective of this work was to assess alterations to the lung-protective ventilation during flexible bronchoscopy in conditions modeling adult patients with severe acute respiratory distress syndrome.
Immediately after the insertion of the bronchoscope into the tracheal tube, the minute-ventilation decreased significantly or the positive end-expiratory pressure increased substantially according to the setting of the maximum peak pressure alarm. The increase of the end-expiratory pressure led to an equivalent increase of the plateau pressure. Indeed, lung-protective ventilation was significantly altered during the procedure. We showed that a flexible bronchoscope with an external diameter of 4 mm (or less) would allow safer bronchoscopic interventions in patients with severe acute respiratory distress syndrome.
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Flexible bronchoscopy (FB) is essential for optimal management of ventilated patients, and is used for both diagnostic and therapeutic purposes. Bronchoscopy in ventilated patients is generally safe [1-3]. However, bronchoscopy involving passage through the endotracheal tubes (ETTs) in patients receiving mechanical ventilation can significantly affect ventilation: the bronchoscope in the airway increases resistance and thereby limits inspiratory and expiratory flow [4]. The rapid decrease of expiratory flow results in trapped volume within the lung and may eventually lead to pneumothorax [5]. Indeed, cases of pneumothorax were reported in both the major observational studies examining the safety of bronchoalveolar lavage in ventilated patients [2, 6,]. Bronchoscopy can be particularly challenging in patients with ARDS: the incidence of pneumothorax in mechanical ventilated patients with ARDS is about 6.5-12% [7, 8]. Patients with acute respiratory distress syndrome (ARDS) require lung-protective ventilation strategies to avoid ventilator-induced lung injury [9]. Fiberoptic bronchoscopy may disrupt protective-ventilation and lead to large variations of airway pressures. To make fiberoptic bronchoscopy as safe as possible for intubated patients, narrower bronchoscopes have been developed [10]. It has not previously been possible to reduce the external diameter of the bronchoscope other than by reducing the diameter of the suction channel. This solution cannot be considered to be satisfactory, as ARDS patients have thick secretions to be removed and a large suction channel is required for such cases or to perform broncho-alveolar lavage. A bronchoscope with a small external diameter but a large suction channel is required, but no such device has been available until now. However, a single-use flexible bronchoscope with a large suction channel has recently been developed [11, 12]. This new generation of flexible bronchoscope is promising: in particularly, as there are no optical fibers passing along the length of the bronchoscope, we believe that it will be soon possible to develop flexible bronchoscopes with small external diameters and large suction channels. To facilitate such developments, it would be useful to determine precisely the maximal external diameter of bronchoscope that avoids significant increases of total positive end- expiratory pressure (total-PEEP) in patients ventilated for ARDS. The objective of this work was to describe the consequences of bronchoscopy during protective-ventilation in a bench study, and thereby to determine the optimal diameter of bronchoscope for avoiding acute ventilator-induced lung injury.
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MATERIALS AND METHODS The lung model
We used a controlled, high fidelity breathing simulator (Model 5600i, Dual Adult Pneuview System, Michigan Instruments, Grand Rapids, USA) to simulate respiratory mechanics in adults (a) with normal lung compliance and airway resistance (thereafter called “healthy lungs”) (b) with pathological lung functions corresponding to severe ARDS (thereafter called “ARDS lungs”).
Parameters for the ARDS lung were based on the PROSEVA study [13] and correspond to severe ARDS according to the Berlin definition criteria. An EVITA XL ventilator (Dräger Medical GmBH , Lübeck, Germany) was used for mechanical ventilation; it was connected to the ETT and lung model using standard ventilator tubing, and a volume control ventilation mode was used. “Healthy lungs”
were ventilated as follows: tidal volume at 550 ml, respiratory rate at 14/min, PEEP at 5 cmH2O, inspiratory flow (IF) at 60 L/min, compliance at 100 mL/cmH2O, inspiratory time at 0.5. “ARDS lungs”
were ventilated as follows: tidal volume at 380 ml, respiratory rate at 27/min, PEEP at 10 cmH2O, inspiratory flow at 60 L/min, compliance at 35 mL/cmH2O, inspiratory time at 0.5.
Models of bronchoscopes
As no single-use flexible bronchoscope with various size of external diameter is currently available, we used urinary probes to simulate a range of bronchoscope diameters. We used urinary probes from 8 to 16 Ch (Sonde Rusch 100% silicon, Teleflex Medical, Westmeath, Ireland) to simulate bronchoscopes with external diameters of 2.6, 3.3, 4.0, 4.6 and 5.3 mm. The urinary catheters were clamped to avoid outflow.
Measures
Measures of interest were minute ventilation (MV), tidal volume (Vt), peak inspiratory pressure (PIP), average pressure, plateau pressure (Pplat), and total-PEEP. Measures were taken both with and without the simulated bronchoscopes in place. The lung model provided readings for alveolar pressure, which were used to determinate Pplat and total-PEEP. In preliminary experiments, we tested and confirmed that the results obtained with the 5.3 mm simulated-bronchoscope (urinary probe) and with a true flexible bronchoscope (Bronchoscope SU, AXESSVISION, Saint-Pierre-des- Corps, France) were comparable (data not shown).
Determination of the optimal diameter of bronchoscope
The internal diameters of the ETTs were between 6.5 mm and 8.0 mm (Mallinckrodt, Covidien, Tullamore, Ireland). Consequently, we evaluated 24 bronchoscope/ETT combinations for each of the two lung conditions (Figure 1). In practice, when a bronchoscope is in place in a ventilated patient,
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the high-pressure limit is often increased up to the maximal value to maintain ventilation. First, we set the high-pressure limit arbitrarily to 60 cmH2O and we observed the efficiency of ventilation. The high-pressure limit was then increased up to the maximal value. The two levels of maximal peak inspiratory pressure were: 60 cmH2O and 100 cmH2O. Finally, a total of 96 clinical situations were simulated.
Statistical analysis
Descriptive statistics were used to express changes in values for the primary outcome measures: MV, PIP, and total-PEEP. Average values from one-minute run are reported. We calculated the percentage of minute ventilation delivered compared to the baseline for each combination. We decided a priori that the following changes in ventilatory parameters were important to identify: a decrease in MV and an increase in total-PEEP. We arbitrary chose three clinically significant levels for MV: 95-100% of baseline MV = “unmodified”, 75-95% of baseline MV = “acceptable”, below 75% of baseline MV=
“significantly altered”. We also considered that increases of less than or equal to 2 cmH2O of total- PEEP were clinically acceptable.
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