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1 - Bibliothèque et Archives Canada

1. Pvaz cm H20 Fig 3 11 Courbes IVPD et de d bit critique Vcrit dans la voie respiratoire voir relation 3 8 pour les g n rations z 0 2 Lignes grasses D bit critique Verit Lignes fines IVPD la pression alv olaire au d bit expiratoire nul V 0 ml s m Lorsqu on se d place en amont dans les poumons g n ration 4 6 la situation est l g rement diff rente figure 3 12 une pression alv olaire sup rieure 5 cm H20 le d bit volumique expiratoire V s approche du d bit critique Vcrit Ainsi le d nominateur de l quation 3 6 ne peut plus tre n glig car la vitesse de l coulement U tend vers la vitesse de propagation d une onde de pression U c Le d bit maximal est alors d termin par un couplage entre les pertes de charge par friction visqueuse APv la section des voies respiratoires A au carr quation 3 9 et la vitesse c A une pression alv olaire basse Palv lt 5 cm H20 le d bit est limit par le m me m canisme que pour les voies centrales soit par les pertes visqueuses et l lasticit des voies respiratoires 3 22 Chapitre 3 Mod le stationnaire 5 Generation z 3 Generation z 4 Generation z 5 as a Se a V ml s m lt x Q p set ge Pere RS CRE Pva cm H20 Fig 3 12 Courbes IVPD et de d bit critique Verit dans la voie respiratoire voir relati
2. 4 8 4 19 Chapitre 3 Mod le stationnaire Le coefficient de friction f est calcul partir de l quation de Blasius relation 4 9 pour un nombre de Reynolds Re lt 1x10 Ce nombre de Reynolds n est jamais atteint dans la plus petite section du circuit fluide 0 316 Re f 4 9 Quant aux changements de section qui g n rent des pertes de charge singuli res points 2 5 8 et 10 le coefficient des pertes de charge Kz d pend du rapport des sections La vitesse de P coulement pour chaque section U est calcul e en utilisant la formule U V A 4 10 4 2 2 R sultats En effectuant la somme des pertes de charges r guli res et singuli res la relation 4 11 a t d termin e pour plus de d tails voir en annexe B Cette quation permet de calculer les pertes de change dans le circuit fluide uniquement La valeur des r sistances R et Re2 est indiqu e dans le tableau 4 4 pour le PFOB et le PFDEC P RV R V2 pgAh Re wV pgah 4 11 Tableau 4 4 Coefficients R et R 2 pour le PFOB le PFDEC et l eau tube endotrach al de 5 5 mm PFOB PFDEC Eau Unit gt 1A y IN 14d IN ARS IN LAN nE Ra 1 43x 10 1 42 x 10 7 46 x 10 cmH20 s m Ra 261x10 3 23x10 1 29x10 cmH0Os 7 m La pression exerc e sur le piston en fonction du d bit dans le circuit du respirateur est pr sent e a la figure 4 18 pour diff rents diametres de tube endotrach al Ces pertes sont
3. Ep ao Ep 0 C 16 On isole a Eo 2E p 0 Ep a Satie eee ad A Be C 17 R 2E Ep lineaire Lorsque r 0 on peut faire ressortir le terme a a partir de la relation C 14 KR ao 2a 1 KR eaire Ea 25 a KE KE pn E KE vs ER Pa 2 lineaire 0 C 18 En distribuant on obtient KR sare 2KR Eo ac KR lineaire ineaire Eo 2KE aKE w KE p 0 C 19 On isole a 2 2 2 a Riineaire Hp T 2E SD E Ta C 20 Rineaire o 2Riineainve EGO E 0 lineaire lineaire C 3 Calculs de la r sistance du montage in vitro C 3 Annexe C Systeme de commande Pour les sections identifi es la figure C 1 les pertes de charges se calculent avec les quations C 21 C 27 Le tableau C 1 r sume les param tres importants Les hypoth ses suivants ont t pos es 15 Le liquide utilis est suppos incompressible 16 L coulement dans les tubes est suppos turbulent 17 La rugosit des sections circulaires est gale a z ro 18 On n glige les effets instationnaires qui ont lieu au niveau des changements de sections 19 L coulement est consid r stationnaire 20 La paroi des tubes est rigide R servoir fixe Tube endotrach al Tube de latex Fig C 1 Description du parcours du PFC au travers du montage exp rimental servant reproduire les poumons _ 03164 p p _ 03166 u
4. Fig 2 20 Exemple de respirations en mode VC 2 4 3 Modes ventilatoires avanc s Les modes de ventilation r cents permettent de contr ler la pression ou le volume selon une boucle de feed back Il est important de garder en t te que le respirateur contr le seulement la pression ou le volume mais jamais les deux simultan ment Les modes peuvent tre double boucles de commande pression et volume intra respiration soit l int rieur d une respiration ou inter respiration soit de respiration en respiration La double boucle de commande intra respiration d crit un mode o le respirateur bascule d un contr le en pression un contr le en volume au cours d une respiration Cette technique est connue sous le nom de volume assur pression support e VAPS de l anglais Volume Assured Pressure Support et pression augment e PA de l anglais Pressure Augmentation La double boucle de commande inter respiration est plus simple car le respirateur op re soit en pression support e ou en pression contr l e au cours d un cycle respiratoire Quand la boucle de feed back est en fonction la limite en pression est ajust e pour rencontrer le V fix par le 2 36 Chapitre 2 Etats des connaissances clinicien et les modifications de la consigne sont effectives au cycle suivant Ce mode de ventilation est connu sous l appellation pression et temps limit e de l anglais Pressure Limited Time Cycled Certains
5. nase 50 l af 100 RES E eer N EI i isl ir rs y inl pee iil al soaa ir ri 10 10 10 10 10 10 10 10 0 MRE Li at AE Tey Ls TT DT SRE AT f EE eT 0 an N LA p P a B r ea A AENA re tt 100 0 La aie a 1507 200 ii tial pa iit po nn sul po viril po iil po iil boi iit 10 10 10 10 10 10 10 40 Fr quence Hz Fig 5 18 Lieu de Bode de P s et de L s Lors d une modification importante de la r sistance des voies respiratoires la figure 5 15 indiquait une modification du gain de boucle La figure 5 19 pr sente l impact de la modification du gain de boucle sur le syst me Une augmentation ou une diminution importante de la r sistance ne modifie pas beaucoup le gain de boucle du syst me Par contre lors d une diminution importante de la r sistance le d phasage se rapproche de 180 degr s mais en basse fr quence seulement et la marge de phase n est pas modifi e Cette constatation est importante car le collapsus expiratoire se traduit par une augmentation marqu e de la r sistance et ce ph nom ne ne semble pas affecter la marge de phase du syst me Cependant l augmentation de la r sistance augmente le gain du syst me ce qui peut venir affecter la marge de gain lorsque les dynamiques en haute fr quence entrent en jeu 5 32 Chapitre 5 Syst me de commande Lieu de Bode de la fonction de transfert 150 TT ToT LEE Tey A
6. Mod le stationnaire Finalement on reprend l quation A 24 pour trouver la r sistance totale d bit nul Dans cette relation la section 4 d pend directement de la pression alv olaire 16 9 Ra D ES A 30 0 Annexe B Syst me a commander B 1 Algorithme d identification r sistance exp rimentale 8 P L objectif recherch par les algorithmes d identification est de d terminer l aide des entr es et des sorties la valeur des param tres recherch s pour avoir une erreur la plus petite possible entre les sorties mesur es et estim es Les algorithmes LMS de l anglais Least Mean Square et RLS de l anglais Recursive Least Square utilisent sensiblement la m me approche Les param tres recherch s w new sont mis jour en fonction des param tres pr c dents w old et du gradient de la fonction co t dw pond r par un facteur u L quation B 1 exprime cette relation Selon l algorithme d identification utilis la fonction co t donc la forme du gradient sera diff rente w new w old u z old B 1 Le RLS performe chaque chantillonnage une minimisation exacte de la fonction co t J qui est la somme des erreurs au carr pond r e par une fonction d oubli 4 Plus la valeur n est lev e plus les valeurs ant rieures de l erreur seront consid r es dans le calcul Ainsi l algorithme prendra un certain temps pour r agir une variation importante de
7. Lexique A m section de la voie respiratoire la g n ration z A ml s amplitude de la rampe inspiratoire A ml s amplitude de l exponentielle pour le profil volumique expiratoire A m s variation de la section la g n ration z a cm H 0 s ml facteur au niveau de l quation de Rohrer 1 5 de ml kg asymptote inf rieure au niveau de la courbe PV expiratoire g n r e Am ml kg asymptote inf rieure au niveau de la courbe PV moyenne b cm H20 s7 ml facteur au niveau de l quation de Rohrer 0 0035 be ml kg asymptote sup rieure au niveau de la courbe PV expiratoire g n r e Be ml s constante au niveau de l quation du volume expiratoire en fonction du temps bn ml kg asymptote sup rieure au niveau de la courbe PV moyenne C ml cm H20 Compliance Ci ml constante au niveau de la rampe inspiratoire C2 ml constante au niveau de la rampe inspiratoire C3 ml constante au niveau du profil exponentiel expiratoire C4 ml constante au niveau du profil exponentiel expiratoire Cdyn ml cm H20 compliance pulmonaire dynamique Citat ml cm H20 compliance pulmonaire statique Ce cm H20 point d inflexion de la courbe PV expiratoire g n r e Ce ml constante au niveau de l quation du volume expiratoire Cm cm H20 point d inflexion de la courbe PV moyenne Cz m s vitesse de propagation d une onde de pression dans un
8. la figure 3 1 Ce dernier englobe toutes les voies respiratoires de la g n ration z 0 16 Les conditions initiales connues sont la pression alv olaire Palv et le volume pulmonaire l expiration V Les hypoth ses de d part sont 1 Le d bit volumique expiratoire V est identique dans toutes les voies respiratoires lorsqu impos au niveau du tube endotrach al tube ET 3 2 Chapitre 3 Mod le stationnaire 2 La vitesse de l coulement U dans l alv ole est nulle 3 La perte de charge ou de pression locale au niveau de l entr e du tube ET n est pas prise en compte 4 L coulement est stationnaire 5 Le liquide est incompressible Pos Cage thoracique Poy Tube ET RSR ee es p a Tree Rang hy oo Bi Alveole Fig 3 1 Volume de contr le pour le mod le Le point de d part pour mod liser l coulement incompressible est l quation de Bernoulli avec le terme des pertes de charge par friction visqueuse Cette quation met en relation la pression dans les voies respiratoires Pva la pression alv olaire Pay la vitesse de l coulement U et les pertes de charge par friction visqueuse APv par unit de distance sur la longueur totale des voies 16 respiratoires L gt L Sous une criture g n rale z 0 l rz Pva Pa 3 PU APvdx pgh 63 Dans cette relation la Pva est d finie comme tant la somme de la Ptm et de
9. la temp rature d sir e Le condenseur est install sur l oxyg nateur et r cup re les vapeurs de PFC sous forme liquide pour les retourner directement dans l oxyg nateur Le condenseur est un changeur de chaleur ailettes 2 8 Chapitre 2 Etats des connaissances refroidies par deux modules thermo lectriques L automate programmable industriel module la tension au condenseur et a l l ment chauffant en fonction de la temp rature mesur e par des thermocouples Une interface personne machine cran tactile permet de modifier les param tres en cours de VLT Ainsi on peut faire fonctionner le respirateur sans l aide d un ordinateur Le cycle respiratoire en VLT suit la s quence d action repr sent e a la figure 2 5 Avant de d buter l inspiration la pompe inspiratoire retire du liquide le volume courant V du r servoir auxiliaire lorsque la valve 2 est ouverte et la valve 1 est ferm e Au d marrage de la phase inspiratoire la valve 1 s ouvre les valves 2 et 3 sont ferm es et le liquide est ins r dans les poumons du patient selon le profil d sir Pendant ce temps la valve 4 s ouvre et la pompe d expiration expulse son liquide dans le filtre du premier oxyg nateur Par gravit le liquide tombe dans la section int rieure de l oxyg nateur et par trop plein le liquide se retrouve finalement dans le r servoir auxiliaire Lorsque l inspiration est termin e toutes les valves se ferment
10. une fr quence 4 29 Chapitre 3 Mod le stationnaire donn e Dans notre cas les signaux de la figure 4 23 ont t chantillonn s la fr quence de 1000 Hz donc la fonction de transfert analytique doit tre transpos e en temps discret cette fr quence Pour se faire la fonction c2d m de Matlab a t utilis e et le r sultat de cette transformation est pr sent l quation 4 21 V z bz b U z 7 z az a a O b 0 00049 b2 0 00050 a 2 049 et az 1 049 Les p les les racines du d nominateur de cette fonction de transfert sont situ s 1 0 et 0 953 Un p le z ro en temps discret indique la pr sence d un int grateur et le second p le entre 1 et 1 correspond la constante de temps m canique du syst me En d composant de nouveau la relation 4 21 l quation 4 22 peut tre d termin e V 7 ag V 0a q ult b q7 ultb q elt 4 22 Cette derni re relation prend la forme d un mod le param trique de type ARX d ordre 2 2 1 L ordre du mod le ARX fait intervenir le nombre de param tres a et b La forme g n rale associ e ce mod le param trique est repr sent e math matiquement par la relation 4 23 A q y t B g u t nk elt A q 1 a q a q 7 a q 4 23 B q b b q b q 7 b q Ou y t est la sortie u t est l entr e e f est l erreur entre le mod le estim et la sortie mesur e du syst me a et b s
11. valuer la constante de temps du syst me respiratoire Si l on consid re le mod le lin aire du poumon C R le temps n cessaire pour remplir ou vider 63 du volume est appel la constante de temps te La constante de temps permet de d terminer le temps minimum respecter lors de l expiration pour que le volume inspir puisse tre expuls des poumons Elle est calcul e directement partir de la valeur de la compliance C et de la r sistance R des voies respiratoires selon l quation 2 10 En pratique il faut multiplier par un minimum de 3 cette valeur pour assurer un temps expiratoire suffisamment long t RC 2 10 e 2 20 Chapitre 2 Etats des connaissances 2 2 8 Vitesse d une onde dans un tube flexible voie respiratoire Par d finition la vitesse du son correspond a la vitesse de propagation d une perturbation de pression dans un milieu compressible En VLT le liquide utilis est incompressible et la vitesse du son l int rieur du liquide est tr s importante Dans le cas du tube flexible voie respiratoire la figure 2 12 pr sente le volume de contr le tudier P pression p densit du liquide A Section du tube c vitesse de propagation de l onde Fig 2 12 Volume de contr le pour d terminer la vitesse du son dans un tube flexible Dans ce cas il est important de consid rer la diff rence de pression entre l ext rieur et l int rieur du tube la pression
12. 10 Corno C Fiore GB Martelli E Dani C Costantino ML Volume controlled apparatus for neonatal tidal liquid ventilation ASAIO J 2003 May Jun 49 3 250 8 2 53 Chapitre 2 Etat des connaissances 11 Sekins KM Nugent L Mazzoni M Flanagan C Neer L Rozenberg A et al Recent innovations in total liquid ventilation system and component design Biomed Instrum Technol 1999 May Jun 33 3 277 84 12 Shaffer Thomas H Wolfson Marla R Heckman James L Hoffman John Liquid Ventilator San Diego Calif Philadelphia Pa patent WO 99 24100 1999 may 20 13 Tredici S Komori E Funakubo A Brant DO Bull JL Bartlett RH et al A prototype of a liquid ventilator using a novel hollow fiber oxygenator in a rabbit model Crit Care Med 2004 Oct 32 10 2104 9 14 Hirschl Ronald B Montaya Jean P Merrz Scott I Liquid ventilator with venturi inducing patient connector US patent US5492109 1996 February 20 15 Nugent Lawrence J Liquid Breathing Gas Exchanger San Diego CA patent WO 99 62626 1999 dec 9 16 Reichner Thomas W Agitator mixer US patent US5226727 1993 July 13 17 Degraeuwe PL Dohmen LR Geilen JM Blanco CE A feedback controller for the maintenance of FRC during tidal liquid ventilation theory implementation and testing Int J Artif Organs 2000 Oct 23 10 680 8 18 Faithfull Nicholas Simon and Schutt Ernest G Methods and Apparatus for Closed Circuit Ventilation Therap San Diego Calif patent us60
13. V ml s Volume et d bit ml et ml s Fig 5 31 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire de type collapsus La pression de r f rence P 10 cm H O Si on fixe la pression de r f rence 2 cm H20 la figure 5 32 pr sente la r ponse du syst me Sur la figure 5 32 B le d bit expiratoire atteint le d bit limite un volume de 30 ml Ce volume correspond une Palv de 5 cm H20 En de de cette valeur le d bit expiratoire est sup rieur au d bit limite En ventilation m canique une Palv aux environs de 5 cm H2O est couramment maintenue dans les poumons pour maintenir les alv oles ouvertes Par cons quent une Prey autour de 2 cm H20 semble un bon choix 5 45 Chapitre 5 Systeme de commande Pva a la trach e et Palv pour une Pref 2 cm H2O N re a T 1 1 1 1 1 1 1 l 1 I 1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 1 1 1 1 I Pression cmH20 4 5 6 7 8 9 V ml s Volume et d bit ml et ml s Temps sec Fig 5 32 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire de type collapsus La pression de r f rence P 2 cm H 0 La figure 5 33 pr sente l influence du gain statique du contr leur sur la r ponse du syst me Une diminution du gain statique du tiers modifie le temps de stabilisation de la r ponse Sur le plan de phase ceci
14. oSUL SU Op quey IUN SUEP SJZULJJU JUOS Zed SOT p UOTJIVOIIOI OP 9 ONO UN p 9PIE Y S99 Q UOD JUOS SIAJLA sx CO V die Ze8 onbeyo nod o4jeA oun e jp somojyerdsul SOAJEA Z Jed g n3o1 yso juoned ne SJAI Op zes op q p T Ind 9ug3AxO p 99HUA Z QUILIdWOD Ie pseyuq I soouessieuuod sap s4 Z aideys Chapitre 2 Etat des connaissances 2 4 5 1 Inspiration R gulation en d bit La figure 2 28 pr sente le sch ma bloc du syst me pour contr ler l inspiration en d bit lors de la s lection du mode ventilatoire VC Le chemin ombrag d crit le parcours suivre D abord la r f rence en d bit est g n r e et transmise au m langeur mixer qui g re alors l ouverture des valves inspiratoires pour avoir le m lange air O voulu Le d bit de r f rence est alors s par en deux gas flow ref soit 1 pour chaque gaz Ces deux r f rences sont compar es leur mesure r elle en utilisant le capteur de d bit pr sent sur l entr e de chaque gaz et le contr leur Proportionnel Int grateur bo te Flow PI control donne la position souhait des valves inspiratoire desired position value De nouveau la position souhait e est compar e la position r elle de la valve insp valve position Gr ce au contr leur Proportionnel D rivateur PD une consigne en courant desired current value sera transmise au contr leur des sol no des et compar e de nouveau la valeur mesur
15. 060106 082406 091106 100506 Modele 60 10 0 Erreur ml s m I 20 30 40 Fig 3 26 IVPD une pression alv olaire de 15 cm H O et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFDEC Pression alv olaire de 4 cm H O PFC utilis PFDEC 150 052306 053006 060106 082406 h 091106 it 100506 m Modele V ml s m L I e L et i Distribution de l erreur nombre d chantillons 4560 150 Paw cm H20 4 40 45 50 100 50 Nombre d chantillons Erreur ml s m2 Gaussienne L Li I i 1 L i 1 1 1 eee _ 50 Fig 3 27 IVPD une pression alv olaire de 4 cm H O et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFDEC 3 40 Chapitre 3 Mod le stationnaire 3 4 3 R sultats et discussion La figure 3 28 et 3 29 pr sente les courbes de d bit expiratoire maximal exp rimentale et th orique en fonction de la pression alv olaire Palv pour le PFOB et le PFDEC Pour d terminer cette courbe la moyenne de l cart moyen entre la courbe IVPD th orique et exp rimentale a t calcul e et ajout e la valeur du d bit maximal expiratoire th orique courbe de la figure 3 10 Courbes DEM th orique et exp rimentale versus Palv V ml s m i 5 10 15 20 25
16. 3 27 Chapitre 3 Mod le stationnaire Volume pulmonaire expiratoire pour diff rents niveaux de Peip I 1 1 fi I 1 pS es Es BRE Se ei pe Se Se V_ ml kg e Temps sec Fig 3 15 Courbe du volume pulmonaire expiratoire en fonction du temps En r sum un profil exponentiel expiratoire semble la solution appropri e pour assurer une expiration du volume courant en temps minimal 3 3 5 Transposition en VLT 3 3 5 1 Choix de la limite du d bit expiratoire L objectif premier de la strat gie de commande en VLT ne devrait pas tre de ventiler le patient au d bit expiratoire maximal Cette approche est difficilement applicable en pratique car le d bit maximal en fonction du volume pulmonaire n est pas connu pour chaque patient au d but de la ventilation Des collapsus expiratoires doivent tre rencontr s et ou provoqu s pour d terminer les seuils de d bit limite et l hyst r sis sur la courbe PV vient compliquer la t che Une approche plus raisonnable est de fixer un seuil de pression trach ale ne pas d passer o le risque de d velopper un collapsus expiratoire est minimis ou absent Ainsi il suffit de tracer une ligne 3 28 Chapitre 3 Mod le stationnaire verticale la P rsur la figure 3 9 et d en d terminer le d bit expiratoire La figure 3 16 pr sente cette approche pour une Peip initiale de 10 cm H20 Courbes IVPD pour une Palv de 0 10 cm H20 P
17. Convergent 140 degr s Point 6 Ne 3 Coude 20 degr s Points annn S 4 Entr e raccord 5 Sortie raccord Point 4_ 6 Rayon de courbure la sortie de la pompe b 7 Tube expiratoire menant au Y Point3 2 8 Entr e au tube endotrach al 9 Tube endotrach al 10 Sortie du tube endotrach al TT Q a z cmmnsssssecsesscs sssst v 2 E 3 N vitesses Fig B 1 Description du parcours du PFC travers les composantes du respirateur lors d une expiration Les hypoth ses suivantes ont t expos es dans le chapitre 4 8 Le liquide utilis est suppos incompressible B 3 Annexe B Systeme 4 commander 9 L coulement dans les tubes est suppos turbulent 10 La rugosit des sections circulaires est gale z ro 11 On n glige les effets instationnaires qui ont lieu au niveau des changements de sections 12 L coulement est consid r stationnaire 13 La hauteur entre le piston et la sortie du tube endotrach al est consid r e constante 14 La paroi des tubes est rigide Pour trouver les pertes de charge l quation de Bernoulli sera employ e Elle est exprim e par la relation math matique suivante 1 1 10 P 5 0ur pgh P 5 PU pgh D AP B 8 n 1 On regroupe les termes pour obtenir 1 3 10 P P Po gt Ui U AP pelle h GB n l Les quations de base pour le calcul des pertes de charge sont v pe AP f o B 10 D
18. En reprenant l quation de Bernoulli il est possible d crire de part et d autre d une bifurcation la relation ci dessous p VS pe PE P 0 A lt Pva L CSAP Vx 3 va z 2 A 07 van a SFL 2 A hay f Vz 11 Pour simplifier ce calcul Lambert a pos l hypoth se que le changement de section s effectue sur une tr s courte distance permettant ainsi de n gliger les pertes de charge par friction visqueuse APv En retravaillant la relation pr c dente l quation 3 12 est obtenue a A Praag Pra 0 pe am va va j 2 Ea zy 3 5 Chapitre 3 Mod le stationnaire Dans son mod le Lambert stipule que la diff rence de pression est z ro sur 4 0 gt A L 7 Ainsi il n est pas possible de r cup rer la pression suite une bifurcation si la section de la g n ration qui suit est sup rieure la g n ration pr c dente Toujours dans l quation 3 12 Reynolds a d termin que le facteur de forme pour le profil de vitesse de l coulement dans les voies respiratoires est 1 Par contre Collins et coll ont propos l quation 3 13 Le Puisque nous utilisons les coefficients de Reynolds cette relation est titre informatif seulement 6 54 Re 1 09 3 13 3 1 7 Courbe Pression Volume Pour d terminer le profil volumique expiratoire optimal d crit dans la section 3 3 4 il est alors primordial de faire le lien entre la pre
19. Fig C 2 R sultats du calcul des pertes de charge avec les quations th oriques pour le montage in vitro figure C 1 avec de l eau C 6 XIV Liste des tableaux Tableau 1 1 Propri t s physiques de certains fluides utilis s en ventilation gazeuse et liquidienne 1 3 Tableau 2 1 R capitulatif des modes ventilatoires ainsi que des param tres de contr le Les variables de d part sont les param tres fix s par le clinicien et n cessaire au lancement de la phase inspiratoire 2 47 Tableau 3 1 Param tres de l quation de Venegas pour les courbes PV moyennes pour le PFOB et le PFDEC 3 10 Tableau 3 2 Param tres pour g n rer les courbes PV expiratoires pour le PFOB et le PFDEC 3 12 Tableau 3 3 Dimensions relatives aux voies respiratoires chez l agneau 3 14 Tableau 3 4 Propri t s physiques des perfluorocarbones utilis s en VLT 25 C 3 18 Tableau 3 5 Ventilation minute Vmin mi kg min en fonction de la Peip et du volume courant Vt ml kg pour diff rents PFC utilis s en VLT Les indiquent que le temps d expiration est sup rieur 60 secondes 3 31 Tableau 4 1 Param tres pour l quation 4 5 4 6 Tableau 4 2 Param tres utilis s pour la validation th orique du RLS Les valeurs sont index es par rapport la surface corporelle pour les r sistances et par rapport au poids pour l lastance 4 8 Tableau 4 3 Valeurs moyennes pour les termes de r sistance R et R ainsi q
20. Lif x 3 21 m C e e On constate que le temps expiratoire minimum d pend de la constante de temps Te 1 m et les conditions en d bit volumique au d but et la fin de l expiration Pour l instant il ne faut pas confondre la constante de temps Te avec la constante de temps expiratoire connue en ventilation gazeuse qui est fonction de la r sistance des voies respiratoires R multipli e par la compliance pulmonaire dynamique Cdyn Cette nuance sera apport e dans la section 3 3 6 En regardant de plus pr s la relation 3 21 Paugmentation du volume courant entra nera in vitablement l augmentation du temps expiratoire En contrepartie une augmentation du volume pulmonaire V 0 par une augmentation de la Peip aura effet inverse La figure 3 15 pr sente l volution du volume pulmonaire expiratoire en fonction du temps V f pour diff rentes valeurs de Peip On remarque que le niveau de Peip modifie le temps expiratoire pour un volume courant Vt constant De plus la valeur de la Peip choisie peut limiter le volume disponible pour l expiration Par exemple pour une Peip de 10 cm H2O une modification du volume courant Vt de 25 30 ml kg provoque une augmentation du temps expiratoire Te de 6 5 a 8 5 secondes En contrepartie pour un Vt de 25 ml kg une augmentation de la Peip de 10 12 cm H2O fait chuter le temps d expiration de 6 5 5 secondes mais le volume pulmonaire initial V 0 sera plus important
21. e En 1989 Brunner et coll ont d crit un syst me de ventilation exp rimental pour la station spatiale Ce travail deviendra la base du Adaptative Support Ventilation ASV 2 4 2 Modes ventilatoires usuels des respirateurs gazeux Il existe 2 modes base qui sont disponibles sur la majorit des respirateurs gazeux Le premier est la ventilation en volume contr l VC de l anglais Volume Controlled Ventilation et le second est la ventilation en pression contr l e PC de l anglais Pressure Controlled Ventilation partir de la VC et de la PC des modes avanc s de ventilation ont t mis en place pour tirer avantage des ces deux modes Ils seront pr sent s dans la section suivante 2 4 2 1 Le mode PC Ce mode ventilatoire est disponible sur la majorit des respirateurs gazeux Le clinicien doit fixer sur le respirateur les param tres suivants La fr quence respiratoire Fr La pression de fin d expiration Peep La pression de contr le au dessus de la Peep La fraction du temps de cycle allou e la phase inspiratoire La figure 2 19 pr sente un exemple des respirations que l on peut avoir durant une ventilation en pression contr l e D s le d but de l inspiration le contr leur tente d atteindre la pression de r f rence Per dans l exemple de la figure 2 19 Prep est gal 15 cm H20 calcul e a partir de l quation 2 27 Chapitre 2 Etats des connaissances P
22. e par la force hydrostatique pgAh exerc e sur le piston 18 T T HE T T T T T T 16L 14L wee J if 12 Mi il 10 Volume ml o 1 L feo al L L ns 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Temps sec Fig 4 26 R ponse exp rimentale de la pompe en utilisant un sinus glissant comme consigne la pompe Pour identifier la fonction de transfert exp rimentale on doit retrancher la d rive de la position La figure 4 27 nous donne le signal traiter une fois la d rive retranch e L identification est alors ex cut e de la m me fa on que lors de la validation th orique avec le mod le Simulink On pose l hypoth se que le mod le recherch est de type ARX d ordre 2 2 1 ou 2 1 1 La fonction arx m de Matlab permet d identifier la pr sence de 2 p les gaux 1 et 0 949 pour mod le ARX d ordre 221 Quant au mod le ARX d ordre 211 les p les sont 1 et 0 957 4 32 Chapitre 3 Mod le stationnaire Ind pendamment du mod le le gain statique est de 15 2 La figure 4 28 pr sente la sortie des mod les ARX et la trace exp rimentale Des mod les ARX identifi s celui d ordre 2 2 1 est plus pr cis Cependant tous deux indiquent la pr sence d un int grateur ce qui concorde avec le mod le th orique Quand au second p le la valeur analytique de 0 953 est mi chemin entre les deux mod les mais l intervalle d erreur 0 007 inclut la position du p le analytique On re
23. et de l erreur au cycle pr c dent lors de 5 15 Chapitre 5 Systeme de commande l expiration e k 1 au premier cycle l erreur expiratoire e k est z ro De nouveau si le clinicien demande une augmentation du volume de la CRF AV le volume a expirer sera diminu en cons quence Le groupe d quation 5 5 r sume le calcul du volume a expirer V k au cycle k v k 7 k e k e k 1 si AV lt 0 ee V k e k e k I AV si AV gt 0 A la fin de l expiration le superviseur mesure le volume expir y Te et calcule l erreur expiratoire pour le cycle k ee k avec l quation 5 6 e k V k T 5 6 mmesfe K ef G n rateur Vref t Contr leur Pompe en Ti Re velt Hien exponentiel expiration expiratoire G n rateur Vref t Contr leur Pompe a j rampe inspiration inspiratoire 3 RS V a am mn Vo KI Interface Clinicien ventilateur Fig 5 10 Sch ma de contr le global incluant le Superviseur et les deux contr leurs en volume pour les pompes inspiratoire et expiratoire Consid rations importantes Le superviseur corrige uniquement les erreurs mesurables si une diff rence existe entre les dimensions des cylindres des pompes le volume ject par les valves et autres le volume pulmonaire peut varier posant de nouveau un risque de collapsus des voies respiratoires ou de surdistension pulmonaire Ainsi le clinicien responsable do
24. expiration et en imposant un temps inspiratoire typique de 4 secondes la ventilation minute produit de la fr quence respiratoire Fr par le volume courant Vf peut tre calcul e En r p tant cette d marche avec les diff rents PFC le tableau 3 5 pr sente les r sultats La ventilation minute en ventilation liquidienne doit tre maintenue au dessus de 80 ml kg min pour assurer les changes gazeux 18 Par contre d autres tudes ont utilis une V au dessus de 100 ml kg min 7 ce qui est aussi le cas pour l quipe Inolivent Donc pour les liquides mentionn s dans le tableau 3 5 il est essentiel de maintenir une Peip d au moins 10 cm H2O pour garantir une Vmin suffisante avec les liquides les plus visqueux PFOB et PFDEC On peut aussi remarquer que l augmentation du volume courant Vt ne garanti pas n cessairement une 3 30 Chapitre 3 Mod le stationnaire augmentation de la ventilation minute Selon le niveau de pression choisi un volume courant Vt optimal semble appara tre Cependant il faut mentionner que la forme de la courbe PV est influenc e par la tension de surface du PFC employ qui diff re d un PFC l autre 7 ou par la pr sence de surfactant exog ne Donc l hyst r sis sera influenc e et les r sultats pr sent s dans le tableau peuvent l g rement changer pour le FC77 et le Rimar101 N anmoins ils peuvent servir tablir une bonne strat gie de ventilation Tab
25. gain de 0 dB Par contre les perturbations en basse fr quence au niveau des entr es lt 1 Hz seront att nu es car le gain dans Chapitre 5 Systeme de commande cette r gion est tr s faible La pr sence de l int grateur au niveau de la fonction de transfert du syst me a commander favorise ce gain tr s faible La courbe de sensibilit compl mentaire quant elle diminue rapidement en de de 5 Hz Pour des perturbations basses fr quences sur la sortie le syst me sera en mesure de compenser car la bande passante du syst me en boucle ferm e est inf rieure la bande passante de l actionneur 8 Hz De plus les perturbations en haute fr quence seront filtr es par la boucle d asservissement Il n est donc pas n cessaire d ajouter un filtre suppl mentaire pour retirer les bruits de mesure Finalement la valeur de 7 s 0 est gal 0 dB permettant l obtention d une erreur nulle en position lorsque le temps t Lieu de Bode de la fonction de transfert D in cates ee Eee Gain dB 100 aan pir aaaea oy 2 0 a a aaa En mnt Re Rs a ee 100 4 OG ca ee ee da a ee ele ee ae ta 10 10 10 10 10 10 Fr quence Hz Fig 5 23 Sensibilit S s et sensibilit compl mentaire 7 s du syst me en boucle ferm e 5 37 Chapitre 5 Syst me de commande 5 3 4 5 Simulations num riques Les simulations num riques ont t effectu es
26. h m hauteur L A courant dans le bobinage moteur IVPD _ courbe Iso Volume Pression D bit de l anglais so volume pressure flow curves J kg m inertie de rotation du moteur k Indice pour les cycles K Gain statique de la fonction de transfert moteur et poumons Kpul Amplitude la r sonnance de tube Km V V gain du servo amplificateur K Nm A constante de couple moteur La mH inductance du bobinage moteur Me 1 s coefficient de l exponentielle pour le calcul du volume expiratoire M kg masse des pi ces en mouvement au niveau de la pompe XVII Mofe kg masse du PFC en mouvement au niveau du circuit du respirateur N nombre de bifurcations la g n ration z APv x Pa pertes de charge par friction visqueuse au niveau de la g n ration z la position x dans la voie respiratoire Palv Pa cm H20 pression alv olaire Pao Pa cm H20 pression au niveau de la trach e de l anglais Pressure at the Airway Opening Paw Pa cm H20 pression r sistive dans les voies respiratoires Pva Pa cm H20 pression dans les voies respiratoires la g n ration z Pi cm H20 limites en pression basse Pi cm H20 limites en pression haute Prs Pa cm H20 pression au niveau de la surface corporelle quivalent la pression atmosph rique de l anglais Body Surface Pressure Pa Pa cmH20 pression de rappel lastique au niveau des poumons
27. inspiration est suffisante our expulser l air t 3 p 2 2 1 3 Transport des gaz Le transport de l O2 est effectu par des pigments respiratoires dans le sang appel commun ment l h moglobine une prot ine qui contient du fer C est au fer que l oxyg ne se fixe Divers facteurs environnementaux influent sur la conformation de l h moglobine Une chute de pH par exemple diminue l affinit de l h moglobine pour 1 O2 un ph nom ne appel l effet Bohr tant donn que le CO r agit avec l eau pour former de l acide carbonique un tissu en activit diminuera le pH de ses environs et incitera l h moglobine lib rer plus d O pour les besoins de la respiration cellulaire Environ 7 du CO lib r par la respiration cellulaire est transport sous forme de CO dissous dans le plasma sanguin Un autre 23 se lie aux regroupements amin s de l h moglobine Cependant la majeure partie du dioxyde de carbone environ 70 circule dans le sang sous forme d ions bicarbonates HCO3 qui diffuse dans le plasma sanguin et ensuite dans les rythrocytes globules rouges De cette fa on l h moglobine sert de substance tampon et le transport du CO n a qu un effet minime sur le pH du sang Le pH du sang veineux est de 7 34 en comparaison de 7 4 pour le sang art riel Lorsque le sang circule dans les poumons le processus s inverse La diffusion du CO hors du sang d place l quilibre chimique dan
28. p pins ZE K y1 C 21 Re D 24 ID PANI os oon AP 0 20 gt VE KV C 22 3 0 3162 gop g S 2 Diz itz Ve KV C23 3 3 Ca Annexe C Syst me de commande AP 0 371 F V K V C 24 2 3 as a 0 3166 4 p pars z 71 75 5 2p 4175 e KV C 25 5 5 AP 1 0 2 K V GTR 242 e L6 e C 26 5 AP 1 0 2_ 9 K V ae ae ie a C 27 5 Tableau C 1 Param tres physiques du circuit fluide pour le montage in vitro LD Valeurs Unit _ Ay 3 17x 10 m A3 1 78 x 10 3 16 m 5 59 x 10 0 332 m As 7 13 x 10 3 8 m A tube 2 38 x 10 5 5 mm m l 0 315 Eau m 0 0381 m 0 0762 m D 6 35 x 10 m D 4 76 x 10 m D 8 43 x 10 m AP gt AP E K K Kis K K KV T RVi RyserVe C28 visc2 Le r sultat de cette mod lisation est pr sent la figure C 2 On conserve le crit re sur le point d op ration du respirateur en d bit expiratoire maximal moyen pour borner les pertes de charge 30 ml s Ainsi on peut crire l quation C 29 et la valeur de Rineaire pour l eau est de 7 50 x 10 cm H20 s m gt La longueur du tube en latex sur le montage exp rimental a t choisie pour reproduire la r sistance des voies respiratoires lors d une VLT avec du PFOB et du PFDEC Cette valeur est la moyenne calcul e entre le PFOB et le PFDEC AP oa Rineaire e C 29 Annexe C
29. propagation d une onde de pression dans la voie respiration c 2 Si la pression dans la voie respiratoire la g n ration z atteint la valeur de 500 cm H20 consid r comme tant 00 Pour les PFC les plus fr quemment employ s le mod le a t r solu en suivant la m me d marche Pour le PFOB et pour le PFDEC les courbes PV moyennes respectives ont t utilis es Par contre pour le FC77 et le Rimar 101 la courbe PV du PFOB a t reprise car il n y 3 17 Chapitre 3 Mod le stationnaire a pas eu de test exp rimental sur agneau mort et la viscosit du PFOB s apparente davantage au autre PFC versus le PFDEC Tableau 3 4 Propri t s physiques des perfluorocarbones utilis s en VLT 25 C E FC77 PFOB PFDEC RMi01 au A ee p kg m 997 1780 1920 1917 1770 mPa s 0 90 1 28 2 11 5 10 1 45 tFluorinert FC 77 3M Perflubron Alliance Pharmaceutical Corp Perfluorodecalin F2 Chemical Rimar 101 Miteni 3 3 R sultats num riques et discussions 3 3 1 Les IVPD Les r sultats de la simulation sont les courbes Isovolume Pression D bit de l anglais IVPF pour Isovolume Pressure Flow curve pr sent es la figure 3 9 Pour une valeur de pression alv olaire Paly fixe ce qui fixe le volume pulmonaire d o Isovolume et Pression et un d bit volumique V progressivement incr ment il est alors possible de regarder l volution de la pression dans les voies respiratoire
30. 17 186 Temps heures Fig 3 20 D riv e du volume dans la pompe d expiration en fonction du temps pour obtenir le d bit volumique 3 4 2 Extractions du d bit versus la pression alv olaire Lors de la pr sentation des r sultats num riques les courbes ont t d termin es des intervalles r guliers de pression alv olaire de 1 cm H2O Pour faciliter la comparaison entre les courbes la m me d marche sera entreprise pour extraire les valeurs de d bit exp rimentales De 0 30 cm H20 par intervalle de 1 cm H20 pour tous les cycles et pour tous les agneaux le d bit expiratoire exp rimental est enregistr dans un vecteur et trac sur le m me graphique que les IVPD th oriques voir figure 3 9 La pression dans la trach e Pvajo la figure 3 9 a t remplac e par la pression r sistive dans les voies respiratoires Paw qui consiste retirer de la pression trach ale Pvajo la valeur de la pression alv olaire Palv De cette fa on toutes les IVPD d butent z ro Les nuages de points obtenus sont pr sent s dans les figures 3 22 3 27 pour le PFOB et le PFDEC pour 3 pressions alv olaires distinctes Toutes les valeurs de d bit ont t index es par rapport la surface corporelle voir quation 3 14 3 36 Chapitre 3 Mod le stationnaire Avec ces nuages de points il n est pas vident de valider le mod le avec les donn es exp rimentales Pour d terminer la pr cision de la courbe
31. 24 aP K oY B 11 2 l Le coefficient de friction f est calcul partir de l quation de Blasius relation 4 9 pour un nombre de Reynolds Re lt 1x10 Ce nombre de Reynolds n est jamais atteint dans la plus petite section du circuit fluide 0 316 TR B 12 Pour les sections identifi es la figure B 1 les pertes de charge se calculent avec les quations B 13 B 24 Le nombre entre crochet indique le coefficient de perte de charge pour l inspiration et l expiration inspiration expiration Le tableau B 1 r sume les param tres importants Annexe B Syst me 4 commander Py 52 AP 0 5 107 V K AP 0 2 02 V KV 2 e 3 0 31603 P p2_ 0 3162 u p yin _ g pis Re D 242 9 D 5 4175 T A 13a D 3 3 3 3 AP AP 0 24 0 24 V KV 4 0 3162 Moe 1 75 71 75 AP ame Tory Tama KV 4 4 pP e n AP 0 093 0 1 7577 KP 4 AP 0 1 oha K AP 0 3162 4 p prs 71 75 7 2D 41 K V p AP 0 37 tag K V S 0 3160 u p 0 75 31 75 _ 71 75 AF 2 D s 4175 4 E K V 9 9 1 u u 2 0 7 Ka t 2 AP 0 214 02217 B 13 B 14 B 15 B 16 B 17 B 18 B 19 B 20 B 21 B 22 B 23 B 24 B 5 Annexe B Syst me commander Tableau B 1 Param tres physiques du circuit fluide sur le respirateur liquidien 1 14 x 10 m A3 9 70 x 1
32. 3 5 Courbes PV moyennes sur l agneau poumons sains avec du PFOB Chapitre 3 Mod le stationnaire 3 2 1 3 Courbes PV secondaires g n r es La g n ration de courbes PV secondaires est n cessaire pour calculer le profil expiratoire optimal section 3 3 4 La figure 3 6 pr sente les r sultats typiques en comparaison des courbes exp rimentales Concr tement en VLT comme en ventilation gazeuse seule une portion de la courbe PV est employ e car il n est pas souhaitable de ventiler les poumons la CPT Avec les r sultats exp rimentaux pr sent s ci haut et l quation d crite par Venegas la partie expiratoire de la courbe PV peut tre g n r e pour diff rentes valeurs de Palv Peip Les coefficients pr sent s dans le tableau 3 2 ont t utilis s pour g n rer les courbes sur la figure 3 6 Tableau 3 2 Param tres pour g n rer les courbes PV expiratoires pour le PFOB et le PFDEC de Ce d ml kg cmH20 cmH20 PFOB 6 94 4 5 4 7 PFDEC 14 29 3 8 5 0 Pour une valeur d sir e de Palv Peip le volume pulmonaire V doit tre d termin l aide des valeurs exp rimentales de la courbe PV inspiratoire Avec cette donn e le coefficient be peut ensuite tre calcul En final pour un volume courant Vt ou une pression de fin d expiration donn e sur la figure 3 6 la pression de fin d expiration est 0 cm H20 et une valeur de Peip donn e la pression alv olaire Palv peut tre calcul e
33. 3 5 Mod le utilis en VLT A partir de la g om trie de Weibel l quipe de Costantino amp tabli un mod le pour valuer la pression dans les voies respiratoires en VLT La g om trie des voies respiratoires est pr sent e la figure 2 18 Les g n rations sont repr sent es par la lettre z in int out Fig 2 18 G om trie utilis e pour le mod le de Costantino Le mod le utilise l quation 2 23 qui s inspire de l quation de Bernoulli On y retrouve les pertes de pression par friction visqueuse AP les pertes de pression associ es l nergie cin tique Pin in et Pxinour ainsi que les pertes associ es la variation du d bit volumique dans les voies respiratoires E P z Pij z AP ise z E Prin ou z Pain in z Eun z 2 23 Ensuite chaque terme de cette quation fait r f rence a des r sultats empiriques pr sent s par Pedley et Collins quations 2 20 2 22 Les quations 2 24 et 2 26 r sument les relations utilis es pour les calculs de la pression dans les voies respiratoires AP ZAP vis ae Z sla V 2 24 2 Pret ey 2 25 2 dV Apt dV E I 2 26 kin duct d t aD d t Le mod le consid re les voies respiratoires comme des tubes rigides et qui ne changent pas de longueur en fonction du volume pulmonaire Donc pour r soudre le mod le il suffit d appliquer 2 30 Chapitre 2 Etats des connaissances l qua
34. 300 Pour illustrer le fonctionnement interne d un respirateur gazeux le respirateur Servo 300 de Siemens Elema sera pris en exemple La figure 2 27 pr sente le d tail interne du respirateur Sur cette figure le patient est gauche de l appareil Voici une description des diff rents points identifi s 2 48 6b C uod 99 sed inayesdsai np jusddeys9 s sasojesdxo zed so ZI UOT OBOIAI Op 2 0n0q aun 9948 Ina OHUO9 UN Jed uoissaid UD s91n891 1S9 SI2IUI9P NIJ a11oqesidxs saya 9799 Jed 99 n891 39 soMojesdsal SIOA Sop neoaiu ne d224 sutoyesidxs zed np uoissaid eq uolssaid ap inaydeo un Jed s9sinsou 359 a11oqesidxs uorssaid eq OI 1q9p op nades 9 Jed sinsouu 359 ou0jesdxa IGP IT 6 00 OA1S np 231A19S op januvyy INOS SUSURIS IP NOE OAIIG A1n9 811ds91 NP SSWIJUI 18394 LTT SLA pu prwny q 11u31 Inod odden sun p spdmbs 759 a1eru1op 91192 991U9 9799 Ins 9YyoURIQ Is juorjed np ouozenidxs oqn IT 8 nades 90 Jed s91insoui 359 s8ueJouu 9 SUBP TO P uonenusouos BT ZL OH w ap agssedgp iso oinoriodns aroexidsur uoissaid op UN ep Nona QH wozy ossedop oogerdsur uoissaid ej Is quued ap sed ud IANO S PMNS P AJLA eT TO P Ino deo UN 3 9J91nS OP ajea oun Issne JUdJUOS 911072JIdSUI JINpUO9 oT juaned 9 SIOA Xn ze3 asuL SUI 9 DUQWe s10JeIIdsSUI JINpUOD oT 9 quloyeridsul uoissoid op Inajdeo un p opie g 991NSoUI 4S9 juorzed ne JAIP Zed op oBue 9UI np uoissaid eT
35. 4 et E 3 33 x 10 cm H20 m la r ponse du syst me en boucle ferm e suite un chelon de consigne est trac e la figure 5 26 Dans ce cas on observe un d passement de la consigne de 4 cm H2O au environ de 2 secondes Ce d passement n est pas souhait mais en d but d expiration il n est pas critique parce que la pression au niveau pulmonaire est suffisante pour conserver les voies respiratoires ouvertes De plus il a t d montr dans le chapitre 3 qu une pression n gative plus importante peut tre tol r e dans la trach e au d but de l expiration lorsque la pression alv olaire est plus lev e voir figure 3 9 Pression cmH20 RSR een es Oe Se ees 5 ne KE 1 i 1 T gt st Wa i i i i 3 eae im r mo dei 4 2 Bar pees SE Gees Lee ES i E MG i gipsi l CE T renee re 4 i DR 0 ASENON i L 1 EE a 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Temps sec Fig 5 26 R ponse du syst me en boucle ferm e suite 4 un chelon de consigne pour le cas pr sent a la figure 5 21 Pour valider la r duction du bruit de mesure un bruit blanc a t ajout sur la mesure de la pression dans les voies respiratoires bruit blanc variance 0 5 Ts 0 001 seconde Le r sultat num rique de ce test est pr sent a la figure 5 27 Malgr la pr sence de ce bruit la commande fournie par le contr leur C s est presque exempte de bruit Donc le sys
36. Chapitre 3 Mod le stationnaire 3 1 2 Section des voies respiratoires Pour chaque g n ration du mod le de Weibel la section maximale des voies respiratoires Am a t mesur e la capacit pulmonaire totale CPT Hyatt et coll ont d termin exp rimentalement une loi de tube pour les 3 premi res g n rations qui d crit la relation entre la section A et la pression transmurale Pim au niveau de cette derni re Lambert et coll 1982 ont extrapol cette relation pour l tendre aux autres g n rations du mod le de Weibel Dans les relations a est le ratio entre la section la pression transmurale 4 et la section maximale de la voie respiratoire Am la CPT Pim a CA 1 o P n a Si Pim lt 0 2 P Zz do a D 3 1 Pim i l a tlisa le o P n si Pm gt 0 z P z Qo 3 1 3 Longueur des voies respiratoires La longueur des voies respiratoire L a t mesur e 75 de la CPT En fonction du volume pulmonaire l expiration V la longueur des voies respiratoires est adapt e selon l quation 3 2 13 1 1 15 Ps K 3 2 Vissu 0 75 x CPT tissu O Viissu est le volume de tissu pulmonaire CPT est la capacit pulmonaire totale et L V est la longueur des voies respiratoires au volume pulmonaire expiration V 3 1 4 Mod lisation de l coulement Pour les besoins de la mod lisation le volume de contr le est pr sent
37. Collins et Elad 3 42 Chapitre 3 Mod le stationnaire Courbes DEM th orique et exp rimentale versus Palv SS hf V ml s m g Een ON Collins et Elad 10 15 20 25 30 35 Palv cm H 0 Fig 3 30 Courbes DEM th orique et exp rimentale en fonction la pression alv olaire Palv pour le PFOB avec les coefficients de Collins et Elad pour corriger les pertes de pression par friction visqueuse L cart type calcul partir des points exp rimentaux est trac sur cette figure Les courbes obtenues ne sont pas plus justes et le changement des coefficients pour corriger l quation qui calcule les pertes de pression par friction visqueuse ne modifient en rien l allure du d bit expiratoire maximal basse pression De plus la courbe ne suit pas tr s bien les r sultats exp rimentaux Alors les coefficients propos s par Reynolds semblent appropri s en VLT pour d terminer le d bit expiratoire maximal en fonction de la pression alv olaire 3 43 Chapitre 3 Mod le stationnaire R f rences 1 Weibel ER Morphometry of the human lung Berlin Germany Springer 1963 2 Hyatt RE Wilson TA Bar Yishay E Prediction of maximal expiratory flow in excised human lungs J Appl Physiol 1980 Jun 48 6 991 8 3 Lambert RK Wilson TA Hyatt RE Rodarte JR A computational model for expiratory flow J Appl Physiol 1982 Jan 52 1 44 56 4 Lambert RK Castile RG Tepper RS
38. KM Nugent L Mazzoni M Flanagan C Neer L Rozenberg A et al Recent innovations in total liquid ventilation system and component design Biomed Instrum Technol 1999 May Jun 33 3 277 84 2 Costantino ML Fiore GB A model of neonatal tidal liquid ventilation mechanics Med Eng Phys 2001 Sep 23 7 457 71 3 Ogata K Modern Control Engineering 4th ed Upper Saddle River NJ Prentice Hall 2002 4 Reference to Simon F Reference to Jenayeh I Reference to Rake H Mechatronics in medical engineering advanced control of a ventilation device Microprocessors and Microsystems 2000 4 17 24 2 63 9 5 Astrom KJ Limitations on control system performance Eur J Control 2000 6 1 2 20 5 51 6 Conclusion Depuis maintenant plusieurs ann es la ventilation liquidienne totale VLT est l tude par quelques quipes a travers le monde Mais l un des freins sa progression est l absence d un appareil respirateur permettant de ventiler efficacement les patients Pour r pondre ce besoin l quipe Inolivent a con u trois prototypes visant permettre la recherche animale en VLT et transf rer celle ci dans les soins intensifs Cependant lors de ces essais une probl matique a t rencontr e l expiration forc e en VLT peut mener au collapsus des voies respiratoires ce qui compromet la ventilation minute et par le fait m me la r mission du patient Ainsi l objectif de cette th se est de d velopper
39. MD DR DS D t 1 i i t I t E l ee ge PA bees eo ES CE ie ee 1 pl LA me ee ee 0 05H P nee one oe oc EE eee ot i i i i i i 6 7 8 9 10 11 142 143 144 15 46 Palv cmH 0 Fig 4 3 lastance statique calcul e pour diff rents volumes courants et Peip Ces valeurs ont t calcul es l aide de l quation de Venegas et des courbes PV exp rimentales du chapitre 3 4 1 3 La r sistance pulmonaire th orique La r sistance th orique des voies respiratoires R est calcul e directement partir des courbes IVPD du mod le stationnaire voir la chapitre 3 section 3 3 Ces courbes fournissent le d bit expiratoire maximal dans les voies respiratoires en fonction de la pression r sistive Pay Palv 4 4 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pva et pour une pression alv olaire fixe La r sistance en fonction du d bit et de la pression alv olaire ou de la capacit pulmonaire totale CPT est pr sent e la figure 4 4 et calcul e selon l quation 4 3 _ Palv Pva R EF ay er a a 4 3 7 4 3 e o Palv est la pression alv olaire Pva est la pression dans la trach e et V est le d bit expiratoire Chacune des courbes obtenues peut tre divis e en trois parties distinctes R La premi re partie nous donne la r sistance initiale quand le d bit dans les voies respiratoires est nul Dans le chapitre 3 ce terme a t calcul analytiquement en annexe A Il varie en fonction de la press
40. PFOB 50 0 T i I 1 1 l iar ian ais ein VE NE EE Si i i 1 2 3 4 5 6 Temps sec 50 0 Fig 4 16 R sultat de l identification des param tres R et Rz pour les signaux de la figure 4 15 Lors du collapsus l erreur diverge 4 16 Chapitre 3 Mod le stationnaire Tableau 4 3 Valeurs moyennes pour les termes de r sistance R et R ainsi que le nombre de cycle pour chaque agneau L cart type des valeurs est indiqu entre crochet Date de l essai Ry R 10 Cis Nombre Sains PFOB em H20 s m7 ml em H2O s m m ml cm H20 kg _ de cycle 31 mars 2004 0 126 0 104 4 39 1 17 1 30 1 08 803 16 novembre 2004 0 107 0 203 4 08 2 27 0 87 5 58 595 19 novembre 2004 0 037 0 084 1 01 0 77 0 57 0 90 701 4 f vrier 2005 0 042 0 163 1 29 1 42 0 97 1 67 794 8 f vrier 2005 0 122 0 144 3 12 1 54 1 04 0 81 663 7 septembre 2005 0 050 0 066 0 72 0 31 1 07 0 18 618 15 septembre 2005 0 106 0 238 2 60 2 20 1 22 0 67 874 16 septembre 2005 0 101 0 126 2 92 1 37 1 21 0 78 967 Moyenne 0086 0 032 2 55 1 38 1 20 0 98 Malades PFOB 20 avril 2006 0 099 0 028 3 64 2 12 1 16 0 58 954 25 mai 2006 0 014 0 054 0 07 2 73 1 38 1 66 1392 6 juin 2006 0 051 0 023 0 61 0 64 1 71 0 58 1581 28 juin 2006 0 087 0 041 1 65 1 25 1 93 1 19 1479 19 juillet 2006 0 068 0 028 1 00 0 92 1 38 0 83 1250 Mo
41. Patterns in Models of the Human Bronchial Airways Respir Physiol 1969 7 341 355 2 57 Chapitre 2 tat des connaissances 56 Douglass RW Munson BR Viscous energy dissipation in a model of the human bronchial tree J Biomech 1974 Nov 7 6 551 7 57 Scherer PW A Model for High Reynolds Number Flow in a Human Bronchial Bifurcation J Biomech 1972 5 223 229 58 Zhao Y Lieber BB Steady inspiratory flow in a model symmetric bifurcation J Biomech Eng 1994 Nov 116 4 488 96 59 Zhao Y Lieber BB Steady expiratory flow in a model symmetric bifurcation J Biomech Eng 1994 Aug 116 3 318 23 60 Zhao Y Brunskill CT Lieber BB Inspiratory and expiratory steady flow analysis in a model symmetrically bifurcating airway J Biomech Eng 1997 Feb 119 1 52 8 61 Liu Y So RMC Zhang CH Modeling the Bifurcating Flow in a Human Lung Airway J Biomech 2002 apr 35 4 465 73 62 Pedley TJ Schroter RC Sudlow MF Energie Loss and Pressure Drop in Models of Human Airways Respir Physiol 1970 9 371 86 63 Collins JM Shapiro AH Kimmel E Kamm RD The steady expiratory pressure flow relation in a model pulmonary bifurcation J Biomech Eng 1993 Aug 115 3 299 305 64 Reynolds DB Steady expiratory flow pressure relationship in a model of the human bronchial tree J Biomech Eng 1982 May 104 2 153 8 65 Costantino ML Fiore GB A model of neonatal tidal liquid ventilation mechanics Med Eng Phys 2001 Sep 23 7 457 71 66 Br
42. Paul Method and Apparatus for Conducting Total Liquid Ventilation with Control of Residual Volume and Ventilation Cycle Profile 2500 Boul Universit Sherbrooke Qu bec Canada patent us2004 0134486 A1 2004 jul 15 28 Robert Raymond Micheau Philippe Cyr St phane Walti Herv Praud Jean Paul Method and Apparatus for Conducting Total Liquid Ventilation with Control of Residual Volume and Ventilation Cycle Profile 2500 Boul Universit Sherbrooke Qu bec Canada patent wo 1424090 A1 2004 jun 2 29 Micheau Philippe Praud Jean Paul Robert Raymond Cyr St phane Walti Herv Method and Apparatus for Conducting Total Liquid Ventilation with Control of Residual Volume and Ventilation Cycle Profile Qu bec Canada patent CA 2451261 2003 30 Libros R Philips CM Wolfson MR Shaffer TH A perfluorochemical loss restoration L R system for tidal liquid ventilation Biomed Instrum Technol 2000 Sep Oct 34 5 35 1 60 31 Campbell NA Mathieu R Biologie Editions du renouveau p dagogique ed Saint Laurent Qu bec 1995 2 55 Chapitre 2 tat des connaissances 32 Wikipedia Lung 2 February 2007 2 F vrier 2007 2007 F vrier 1 33 Johnson AT Bronzino JD The Biomedical Engineering Handbook In 1st ed Boca Raton FL CRC Press 1995 p 70 86 34 Blom JA Monitoring of Respiration and Circulation Boca Radon Florida CRC Press 2004 35 Iotti GA Braschi A Measurements of respiratory mechanics during mechani
43. Shaffer Thomas H Wolfson Marla R Lung Cancer Hyperthermia Via Ultrasound And Or Convection with Perfluorocarbon Liquids patent wo 91 03267 1991 mar 21 35 Koen PA Wolfson MR Shaffer TH Fluorocarbon ventilation maximal expiratory flows and CO2 elimination Pediatr Res 1988 Sep 24 3 291 6 36 Baba Y Taenaka Y Akagi H Nakatani T Masuzawa T Tatsumi E et al A volume controlled liquid ventilator with pressure limit mode imperative expiratory control Artif Organs 1996 Sep 20 9 1052 6 37 Baba Y Brant D Brah SS Grotberg J Bartlett RH Hirschl RB Assessment of the development of choked flow during total liquid ventilation Crit Care Med 2004 Jan 32 1 201 8 38 Meinhardt JP Ashton BA Annich GM Quintel M Hirschl RB The dependency of expiratory airway collapse on pump system and flow rate in liquid ventilated rabbits Eur J Med Res 2003 May 30 8 5 212 20 39 Bull JL Reickert CA Tredici S Komori E Frank EL Brant DO et al Flow limitation in liquid filled lungs effects of liquid properties J Biomech Eng 2005 Aug 127 4 630 6 40 Foley DS Brah R Bull JL Brant DO Grotberg JB Hirschl RB Total liquid ventilation dynamic airway pressure and the development of expiratory flow limitation ASAIO J 2004 Sep Oct 50 5 485 90 41 Heckman JL Hoffman J Shaffer TH Wolfson MR Software for real time control of a tidal liquid ventilator Biomed Instrum Technol 1999 May Jun 33 3 268 76 Chapitre 1 Introduct
44. Unit K Gain 1 0 x 10 Tmec Constante m canique du moteur 1 81 x 107 Secondes Riineaire R sistance pulmonaire born e 1 08 x 10 cm H O s m E lastance dynamique 1 67 x 10 cm H0 m Le terme F s implique la pr sence de dynamiques suppl mentaires dont La dynamique du moteur Dans le chapitre pr c dent le p le du moteur lectrique a t retir du mod le car ce dernier est dans les hautes fr quences gt 1 kHz Les dynamiques non mod lis es au niveau pulmonaire Le d bit instationnaire dans les voies respiratoires est un des aspects qui n a pas t consid r Les retards purs caus s par l lectronique de commande La fr quence d chantillonnage fe ajoute un d phase progressif qui m ne in vitablement 180 degr s la fr quence 2 Les r sonnances dans le circuit fluide du respirateur Il a t observ que les propri t s des tubes flexibles peuvent ajouter des r sonnances dans le circuit fluide Pour le circuit fluide une dynamique de tube a t observ e en basse fr quence La figure 5 12 pr sente l oscillation suite un arr t rapide de la consigne la pompe 5 21 Chapitre 5 Syst me de commande Oscillation du tube flexible en fonction de la commande a la pompe Le Oo T 1 1 I 1 mm 1 1 1 1 i Pression cm H 0 Commande Volt Temps sec Fig 5 12 Oscillation de la mesure de pression suite l arr
45. a s a z s R K s U s a Annexe B Syst me commander Finalement on obtient o s KK U s g Ww a s 4 8 a L 5 R Ks B 44 Si on retravaille le tout on obtient As _ 112K Kn U s Ds D s Ds D B 45 O D zm 12d M Mc Ko L D zmn 9 M p M pre EK R Ro star Ranae JA2T KoLa D EA r KoLa Ro mex Rineare 421 Ko Ra ZMK D EAjr KR Si on mesure le volume en ml dans la pompe en fonction de la commande au moteur la fonction de transfert pr c dente se r crit sous la forme y s MK K mrp 4p e U s z Ds D s D s D B 46 R f rences 1 Munson BR Young DF Okiishi TH Fundamentals of Fluid Mechanics 3rd ed John Wiley amp Sons 1998 Annexe C Syst me de commande Cl Equations pour le placement des p les La fonction de transfert du syst me 4 commander P s est RimeaireS E P s K Eiras t C 1 s s p La fonction de transfert du contr leur C s est C s EES C 2 S r La multiplication de la fonction de transfert du contr leur par le syst me commander nous donne la fonction de transfert du syst me en boucle ouverte L s L s C s P s C 3 Le syst me commander avec son contr leur en boucle ferm e donne la relation suivante je L s Romans ENS 81 C 4 1 L s ie s s D Xs r Rues EXs s s Afin de d terminer la valeur du p le et du z ro du cont
46. avec le mod le lin aire La figure 5 24 illustre la r ponse du syst me en boucle ferm e suite 4 un chelon de consigne pour diff rentes valeurs de r sistance des voies respiratoires R sistance moyenne Riineaire Moy Puisque les param tres du contr leur sont calcul s partir de cette valeur la r ponse du syst me est l int rieur des bornes d finies par les diff rents crit res tablis R sistance maximale Riineaire Max Pour une augmentation significative de la r sistance la r ponse du syst me reste l int rieur des crit res de performance fix s On remarque au d part de l expiration un petit d passement de la pression de r f rence mais le comportement du syst me r pond aux crit res tablis R sistance minimale Rjineaire min Le contr leur mis en place permet une diminution de la r sistance Rymuir d un facteur 4 avant de rencontrer des d passements de la consigne et pr senter des oscillations Pour le PFOB les r sistances des voies respiratoires minimale et moyenne identifi es pr sentent un cart de 13 De plus pour la valeur de la r sistance minimale le d bit expiratoire est sup rieur 60 ml s ce qui n a jamais t rencontr en exp rimentation animale Si on regarde de pr s la variation de la r sistance pour le PFDEC cette derni re varie d un facteur 4 entre la r sistance minimale et moyenne Alors il est plus r aliste d utiliser cet cart pour le PFOB
47. b c L NS L teens to i 420 S E E E she i NE eo has y v 0 i 12cmH0 1 t 1 j I IEN ee i l 14 cinH 0 140 ade a eT ete ci T 7 RE 160 i i i g ne 1 i 1 Peip 16 cmH20 20 30 40 50 60 70 80 90 100 V ml kg Fig A 1 Courbe DEMV ainsi que quelques indications pour trouver le profil optimal et le temps d expiration minimum A 3 Temps expiratoire minimum Pour trouver le temps expiratoire minimum pour un volume courant Vt et une Peip sp cifique l quation A 14 doit tre r solue au temps 7e recherch Ainsi V Te Ce B A 16 mMm Si on r arrange les termes L Te Ik ac AAT m C On met tous les termes de gauche sur le m me d nominateur commun On obtient A 4 Annexe A Mod le stationnaire Ee Te B _ gmt A 18 Cem Si on remplace B dans cette derni re relation par l quation A 13 on obtient vt V 0 rE 0 ode A 19 C C m De nouveau si l on remplace en partie Ce par V 0 B m dans la relation pr c dente on Z e le A 20 C La derni re simplification consiste faire dispara tre l exponentielle tout en isolant le temps obtient expiratoire minimum Te Te E n A 21 m C e e A 4 R sistance d bit nul La r sistance d un tube est d finie comme tant la variation de pression l int rieur de ce dernier divis par le d bit qui le travers Appliqu e au syst me pulmonaire
48. bit atteint le seuil bascule du contr le en pression pour le contr le en volume VA PSV P F P F V T Si le Vt n est pas atteint la limite en pression est ajust e Le d bit d termine la fin du cycle VCRP T P F P T Si le volume courant n est pas atteint ajustement des limites en pression T temps P pression V volume F d bit 2 4 4 1 Discussion Les modes de bases devront se retrouver sur les futurs respirateurs liquidiens car c est partir de ceux ci que la majorit de modes avanc s s inspirent En ce qui a trait aux modes avanc s le mode VCRP pr sente une autor gulation int ressante pour atteindre les objectifs ventilatoires en temps et en volume demand s De plus l am lioration des niveaux de pression respiratoire peut tre un indicateur pour qualifier l am lioration de l tat du patient Pour ce qui est des modes VAPS et VA la fin de la phase inspiratoire et ou expiratoire est d termin e par l atteinte d un seuil de d bit En VLT pour l instant ce type de contr le n a jamais t mis en place et il est difficile de conclure sur l utilit de cette approche Cependant chaque mode pr sente ses avantages et ses inconv nients qui doivent tre pris en consid ration en fonction de la pathologie du patient ce niveau le parall le avec la VLT reste encore valider 2 47 Chapitre 2 Etats des connaissances 2 4 5 Structure de commande sur un respirateur Servo
49. ce niveau on retrouve les pneumocytes de type 2 qui s cr tent le surfactant La pr sence de ce dernier est essentielle dans la mesure o il permet de diminuer la tension de surface permettant ainsi une distension pulmonaire plus facile Le CO quant lui effectue le chemin inverse et diffuse du sang a l alv ole au travers de la membrane pith liale Le sang ainsi oxyg n retourne par les veines s PAES 31 32 pulmonaires au c ur gauche qui pompe alors le sang dans la circulation syst mique 2 12 Chapitre 2 Etats des connaissances 2 2 1 2 M canisme de la respiration spontan e L inspiration est g n ralement command e par le muscle appel diaphragme situ au bas de la cage thoracique La contraction du diaphragme d placement vers le bas entra ne une augmentation du volume de la cavit thoracique l int rieur de laquelle les poumons se trouvent Les muscles intercostaux peuvent aussi participer la respiration en augmentant le volume de la cage thoracique mais une respiration au repos est majoritairement effectu e par le diaphragme L augmentation de volume l int rieur de la cage thoracique cr e in vitablement une d pression dans les poumons et l air p n tre alors par les cavit s nasales et buccales pour atteindre en final les alv oles Au repos l expiration est passive et ne requiert pas l action des muscles respiratoires l accumulation des forces lastiques durant l
50. cette phrase est traduite par l expression suivante _ Palv Pya V R A 22 Pour une g n ration z plusieurs r sistances R se trouvent en parall le Pour d terminer la r sistance quivalente il suffit de diviser la r sistance d une voie respiratoire par le nombre de voies a la g n ration z Donc A 23 A 5 Annexe Mod le stationnaire Pour trouver la r sistance totale du syst me pulmonaire il faut faire la somme des r sistances quivalentes Rq mises en s rie Ainsi Ra gt Ra A 24 Lorsque le d bit expiratoire est nul V 0 dans les voies respiratoires il est possible de d terminer analytiquement la r sistance initiale des voies respiratoires En partant de l quation de Bernoulli Pva Palv pU APv dx A 25 0 R utilisons l quation A 22 et r crivons l quation pr c dente en cons quence pi s JEN aa p 2PV N R _ Palv Pva _ BA AN 174 N A26 A VIN e On effectue l int grale sur x qui correspond la longueur de la voie respiratoire la g n ration Z L et on effectue les simplifications pour obtenir gt NV 2pW N jg BO EN ONT S PS oy pV N age V N 2 A N az N En appliquant V 0 les termes suivants restent 2 R Palv Pva au L pag g V N A Pour trouver la r sistance quivalente il faut reprendre l quation A 23 Rq R BamyuN L A 29 N A Annexe A
51. clinicien peut varier le volume pulmonaire AV demandant alors aux pompes de modifier le volume ins rer ou retirer pour influer sur le volume pulmonaire 5 2 3 1 Modes VCi VCe et PCe La figure 5 10 pr sente le sch ma de contr le global pour le respirateur liquidien Les indices k indiquent le cycle respiratoire et les indices le temps Par exemple Ve k signifie que le volume a expirer est fixe pour le cycle respiratoire k tandis que la commande U f change au cours du temps durant la phase expiratoire du cycle k Sur l interface le clinicien indique le volume courant Vt souhait les limites en pression haute et basse Prin Pmax la forme du profil inspiratoire f k la forme du profil expiratoire f k Te k la variation du volume pulmonaire AV en cas de besoin Pour la phase inspiratoire le superviseur impose le volume courant demand V k comme volume inspirer V k Si le clinicien demande une diminution de la CRF AV le Vi k sera diminu proportionnellement Le groupe d quations 5 3 r sume ces actions af si AV gt 0 V k AV si AV lt 0 A la fin de la phase inspiratoire le superviseur mesure le volume inspir y 7 et calcule l erreur inspiratoire pour le cycle k ek avec l quation 5 4 e k V k xT 5 4 Quand vient la phase expiratoire le superviseur ajuste le volume expirer V k en tenant compte de l erreur sur le volume inspir ek
52. commande la dynamique de tube modifie le gain du syst me Z s d environ 10 dB ou d un facteur 3 Par cons quent la n cessit de diminuer le gain statique du contr leur peut s expliquer par cette dynamique non consid r e dans le calcul des param tres du contr leur Si cet ajustement n est pas fait des oscillations sont pr sentes et ne permettent pas de faire un contr le ad quat Pour une r sistance du circuit importante ajustement de la r sistance variable sur le tube en latex le temps de stabilisation pour atteindre la consigne est tr s court soit en de de 1 seconde Parce que la consigne varie rapidement au d part de l expiration la dynamique du tube flexible est pr sente et on observe au d part une oscillation de la pression trach ale et de la consigne la pompe Par la suite la pression et la consigne se stabilisent Malgr la pr sence d un bruit de mesure important la consigne est presqu exempte de bruit et le syst me r ussit poursuivre la pression de r f rence 30 r i i g 20L HR pA oO 10 Q N 8 0 AL a om 10 1 A a i 1 5 150 E 100 gt 1 lasers 2 k g oe a 6 50 Pi G v a E 0 5 E a 2 0 O O O gt 0 a 4 50 Temps sec Temps sec Fig 5 35 R sultat in vitro sur le montage exp rimental pour une r sistance R importante Si l on diminue la r sistance du tube en latex la r ponse de la figure 5
53. constant Pression trach ale profil exponentiel e78 sec Te 8 sec Vt 30 ml kg Pression cm H 0 Volume et d bit ml kg et ml s Temps sec Fig 4 7 Signaux g n r s sans bruit de mesure avec le profil volumique exponentiel 4 9 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pression trach ale profil exponentiel e76 sec Te 8 sec Vt 30 ml kg Pression cm H 0 Volume et d bit ml kg et ml s Temps sec Fig 4 8 Signaux g n r s avec bruit de mesure avec le profil volumique exponentiel Les signaux de la figure 4 9 ont t g n r s avec bruit de mesure et en utilisant la r sistance non lin aire pr sent e la section 4 1 3 Le profil volumique exponentiel a t utilis et aux environs de 3 5 secondes le collapsus survient la pression dans les voies respiratoires chute rapidement Avec ces tests la convergence de l algorithme d identification sera test e et une analyse suivra 4 10 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pression trach ale profil exponentiel 6 sec Te 8 sec Vt 30 ml kg e T T T T T T T T 6 10 WA h te N l q I 1 l E l i 5 me Abst the to RE ee ele ee cate 4 c RS i Ww 1 1 2 j i A0 sise E de Inne i i 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 suuo PPPCEELLLEL Volume et d bit ml kg et ml s 40 0 Fig 4 9 Signaux g n r s ave
54. de d bit est fix 25 du d bit maximal inspiratoire Conceptuellement ce mode ventilatoire combine le d bit inspiratoire initial lev d une respiration pression contr l e avec le d bit constant d une respiration contr l e en volume Chapitre 2 Etats des connaissances La figure 2 21 pr sente l algorithme de d cision de ce mode ventilatoire et la figure 2 22 dresse la gestion des diff rentes situations rencontr es D s l amorce de l inspiration le respirateur tente d atteindre le param tre de pression support e le plus rapidement possible Cette portion de l inspiration est limit e en pression et elle renferme des variations de d bit importantes Quand le niveau de pression support e est atteint le contr leur compare en continu le V d sir au volume d livr les respirateurs mesurent uniquement le volume d livr et non expir pour viter les erreurs li es aux fuites potentielles En r f rence au cas A de la figure 2 22 si le contr leur d termine que le volume mesur est quivalent au V et que le d bit a atteint le seuil de d bit inspiratoire alors l inspiration est termin e et l expiration peut avoir lieu Par contre si le volume d livr n est pas quivalent au V demand et que le seuil de d bit inspiratoire est atteint cas B le contr leur bascule du mode pression contr l e volume contr l L inspiration se poursuit en utilisant le seuil fix de d bit consta
55. des collapsus peuvent survenir et compromettre l efficacit de la ventilation Il est alors essentiel d ajuster manuellement les niveaux de pression et ou le profil expiratoire pour viter ce probl me 5 1 2 Nouveau mode ventilatoire VCi PCe Le premier mode ventilatoire est repris pour contr ler en volume l inspiration L expiration est maintenant contr l e en pression Pour l inspiration et l expiration le clinicien doit maintenant fournir sur l interface les param tres suivants La fr quence respiratoire Fr Le temps d inspiration Ti Le temps de pause inspiratoire 0 50 du temps d inspiration Le temps de mont e 0 50 du temps d inspiration Le temps de descente 0 50 du temps d inspiration Le volume courant Vt Le niveau de la Peep Les limites en pression haute en cas de surpression et basse en cas de collapsus La figure 5 2 pr sente un exemple des respirations que l on peut avoir durant une ventilation liquidienne totale en VCi PCe Sur cette figure la variation du volume dans chaque pompe est illustr e la partie ombrag e indique l endroit o le volume de liquide d plac par les pompes participe la variation du volume pulmonaire La partie claire pr sente le remplissage avant l inspiration ou la vidange avant l expiration pour chaque pompe Ce changement de volume ne modifie pas le volume pulmonaire La figure 5 3 pr sente l algorithme de d ci
56. des pertes significatives de liquide Pour viter cette situation un condenseur est g n ralement mis en place dans tous les prototypes pour r cup rer les vapeurs de PFC s chappant des 2 2 Chapitre 2 Etats des connaissances oxyg nateurs tout en permettant une circulation ad quate des gaz Diff rents concepts ont t d crits dont un tube m tallique dans un bain de glace et un condenseur ailettes Ces pertes de PFC doivent tre minimis es d abord par mesure d conomie mais aussi pour viter d endommager le mat riel m dical qui n est pas compatible avec les vapeurs de PFC 18 Une analyse multifactorielle portant sur l efficacit des changeurs gazeux et la conservation du liquide durant la VLT a d montr que les pertes de PFC sont plus importantes sur un bulleur avec atomiseur que sur les oxyg nateurs membrane Ceci s explique en majeure partie par le fait que le PFC atomis est vacu sous forme de minuscules gouttelettes hors de l oxyg nateur par l coulement gazeux en plus des pertes pr sentes par vaporation 4 Le syst me de chauffage est un l ment essentiel pr sent sur tous les prototypes de respirateur liquidien Il permet de maintenir le PFC la temp rature corporelle sans quoi le patient serait refroidi tr s rapidement Sur les oxyg nateurs membrane utilis s par certaines quipes pour oxyg ner le PFC l changeur de chaleur int gr est utilis pou
57. e actual current value La sortie du contr leur en courant des sol no des est de type modulation de largeur d impulsion PWM de l anglais Pulse Width Modulation ce qui commande l ouverture des valves inspiratoires L l ment l ext rieur du chemin ombrag est un pr compensateur qui ajuste au pr alable la position de la valve permettant ainsi d am liorer les performances du syst me de commande NGF VALVE POSITION MOTUS POSITION KALUE Flow E regulation Fig 2 28 Sch ma bloc du contr le en d bit lors de l inspiration pour le mode VCV Source Manuel de SEESE ERE EEN ses PR FLOW CONTROL service du Servo 300 2 50 Chapitre 2 Etat des connaissances 2 4 5 2 Inspiration R gulation en pression La figure 2 29 pr sente le sch ma bloc du syst me pour contr ler l inspiration en pression lors de la s lection de tous les modes sauf le VC La seule diff rence r side dans la g n ration de la r f rence La valeur de la pression de r f rence desired pressure value est soustraite a la pression inspiratoire mesur e actual pressure value Le contr leur Proportionnel Int grateur D rivateur en pression Press PID Contr traduit cette diff rence en d bit de r f rence flow ref pour le m langeur des gaz Mixer Tout ce qui est l int rieur de la bo te Flow control reste identique a la description pr c dente TE ARES a Repent RRA SUNS BNO stot fase vi
58. et la pression alv olaire Palv est mesur e l int rieur de la trach e l aide d un micro tube reli un capteur de pression externe au patient Ins re le PFC dans les poumons Inspiration Mesure de la Palv Pause fin inspiration Retire le PFC des poumons Expiration Mesure de la Palv Pause fin expiration Fig 2 5 Diff rentes phases lors d un cycle respiratoire en VLT L expiration d bute lorsque la valve 3 s ouvre pour permettre la pompe expiratoire de retirer le volume de PFC des poumons Vers la fin de l expiration la valve 2 s ouvre et la pompe inspiratoire pr pare un nouveau volume courant V ins rer dans les poumons du patient A la toute fin de l expiration une seconde pause est effectu e pour mesurer la Palv 2 9 Chapitre 2 Etats des connaissances 2 1 2 1 Les avantages du prototype Inolivent Notre respirateur actuel a t dimensionn pour des nourrissons poids inf rieur 9 Kg et inclut plusieurs concepts originaux dont les principaux sont l oxyg nateur modulaire les 2 pompes ind pendantes et le r servoir auxiliaire 1 La modularit des oxyg nateurs permettra d adapter ais ment la plateforme de l enfant vers l adulte Ainsi il est possible de modifier ais ment la section des oxyg nateurs ou de mettre ces derniers en parall le pour accommoder des volumes de liquides plus importants Chaque oxyg nateur int gre
59. et toutes ces voies respiratoires ne font que conduire l coulement d air cette partie est souvent r f r e comme partie conductrice des poumons L pith lium tapissant les principales voies respiratoires est recouvert de cils vibratiles et d une mince pellicule de mucus Ce dernier emprisonne la poussi re le pollen et les 2 11 Chapitre 2 Etats des connaissances autres contaminants et le battement des cils fait remonter le mucus vers le pharynx o il peut tre aval ou expector ce qui contribue nettoyer le syst me respiratoire re Veine pulmonaire Art re pulmonaire Trach e Fig 2 7 Voies respiratoires chez l humain accompagn es d une illustration plus d taill e des alv oles pulmonaires source http www wikipedia com Les bronchioles terminales c dent leur place aux bronchioles respiratoires et aux conduits alv olaires Ces conduits dirigent l coulement aux sacs alv olaires qui sont constitu s de grappes d alv oles C est dans cette partie de l arbre pulmonaire que les changes gazeux prennent place Comme il est illustr dans l encadr de la figure 2 7 chaque alv ole est recouvert de capillaires sanguins permettant les changes gazeux avec le sang Le sang charg en CO est achemin par le c ur droit aux poumons par l art re pulmonaire L oxyg ne diffuse de l alv ole au sang au travers de la membrane pith liale tr s mince 0 2 um
60. gulation en pression ne montre pas de signe apparent de collapsus Un autre changement notable se situe au niveau du volume expir pour une pression de r f rence 0 cm H 0 il est possible de retirer plus de liquide dans le m me laps de temps comme le d montre la figure 5 30 C 5 43 Chapitre 5 Syst me de commande Pva la trach e et Palv pour une Pref 0 cm H20 Pression cmH20 4 5 6 7 Temps sec o isis hoc wt o H ice Volume et d bit expiratoire 4 m s Volume et d bit ml et ml s Temps sec Fig 5 30 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire de type collapsus La pression de r f rence P 0 cm H 0 Si on impose une pression de r f rence P e 10 cm H20 la figure 5 31 pr sente la r ponse du syst me L l ment important regarder est le plan de phase lorsque la pression de r f rence est basse le d bit expiratoire est constamment a la limite de ce que les voies respiratoires peuvent supporter Donc a l expiration cette pression pose beaucoup de risque pour le d veloppement d un collapsus De plus le volume expir des poumons figure 5 31 C n est pas plus important en comparaison d une pression de r f rence a 0 cm H20 5 44 Chapitre 5 Systeme de commande Pva la trach e et Palv pour une Pref 10 cm H 0 Pression cmH20
61. in vitro pour tester le contr leur propos Pour l eau la r sistance du circuit du respirateur sont Rc max 7 48 x 10 cm H O s m L lastance du montage la section du r servoir fixe est E 8 55 x 10 m cm HO et la r sistance du circuit de la figure 5 34 est Riineaire 7 50 x 10 cm H0 s m voir en annexe C pour plus de d tails Avec ces valeurs le terme a doit tre dans l intervalle 0 00178 lt a lt 0 00500 et la valeur choisie pour a 0 00499 Le contr leur C s suivant a donc t mis en place _ y 0 018s 1 34 C s K 6 s 0 050 Can La pression de r f rence choisie est 2 cm H20 Pour effectuer les tests in vitro la plateforme de prototypage rapide DSpace a t utilis e DS1003 processor board DS2201 I O board Les entr es utilis es sont le signal de pression trach ale Pva et le volume dans la pompe Fe La sortie est la commande U au servo amplificateur du moteur de la pompe a piston Un programme Simulink a ensuite t d velopp pour mettre en place le contr leur et ce dernier contient la fonction de transfert pr sent e en 5 31 Le premier r sultat du test in vitro est pr sent a la figure 5 35 Dans un premier temps le gain statique du contr leur a t r duit d un gain K 0 2 Cet ajustement est n cessaire pour assurer la stabilit du syst me en boucle ferm e En r f rence la figure 5 22 il avait t d montr que 5 48 Chapitre 5 Systeme de
62. le plus important r side dans le fait que ce mode a l habilet de changer le d bit inspiratoire en fonction du patient tout en maintenant une Vmin constante Fait noter le mode PC peut accomplir la m me t che N anmoins ce mode ventilatoire modifie sa limite en pression en fonction du V mesur une erreur sur le volume mesur va entra ner in vitablement des erreurs d cisionnelles au niveau de Palgorithme De plus lorsque la limite en pression est diminu e la pression moyenne dans les voies respiratoires diminue ce qui peut potentiellement diminuer l oxyg nation 2 45 Chapitre 2 Etats des connaissances 2 4 3 4 Autres Il existe d autres modes ventilatoires qui ne seront pas pass s en revue dans cette th se Ces modes ventilatoires sont utilis s pour sevrer les patients d un support ventilatoire ou ils ne sont pas tr s r pandus Voici tout de m me une courte description de ces modes AutoMode qui combine le VA et VCRP pour des patients en sevrage ventilatoire disponible sur le respirateur Siemens Servo 300A Le respirateur utilise le mode VCRP si le patient est paralys Si le patient amorce 2 respirations spontan es cons cutives le respirateur bascule en mode VA Si ce dernier tombe en apn e pour plus de 12 secondes le respirateur s lectionne de nouveau le mode VCRP Support ventilatoire adaptatif ASV de l anglais Adaptative Support Ventilation disponible uniquement sur le respirateur Gal
63. non lin aires et le diametre du tube endotrach al a une influence marqu e sur les pertes de charge au niveau du circuit du respirateur Ces pertes de charge n influencent pas la mesure de la pression au niveau de la trach e mais augmente le travail que doit fournir la pompe pour pousser le liquide a l int rieur des poumons Lors des exp rimentations animales un tube de 5 5 mm a t utilis sur les agneaux de 4 kg Pour des agneaux pr matur s il est possible que le tube utilis soit un 4 5 mm 4 20 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pertes de charge cmH 0 D bit ml s Fig 4 18 R sultats du calcul des pertes de charge pour diff rents diam tres de tube endotrach al et en fonction du d bit expiratoire volumique PFOB 4 3 Syst me moteur 4 3 1 Couples appliqu s au moteur Pour calculer la somme des couples au moteur Cmo la somme des forces appliqu es sur la cr maill re F se r sume la relation 4 12 Des d tails suppl mentaires sont disponibles en annexe B SEM Mic Rom Ron A2 EAZy 0 5pg4 F 4 12 e Forces statiques Le premier terme tient compte de l inertie de la masse de liquide Mprc et des pi ces en mouvement M en lien avec l acc l ration du liquide Le second terme fait intervenir les pertes de charge dans le circuit du respirateur Rc nz ainsi que dans les poumons Rx en fonction de la vitesse de d placement du piston y Le trois
64. nouveau pour d terminer la capacit pulmonaire totale CPT des poumons de l agneau en VLT avec du PFDEC et la figure 3 3 en pr sente la trace Les courbes pr sentent plus de variabilit donc la courbe moyenne en gras a t trac e pour mieux illustrer l hyst r sis Chapitre 3 Mod le stationnaire Courve PV sur agneau sains avec PFOB 1 t 4 a E E X f X f Le 1 NE ne B lt epg SET oa yee apie ary EEE x a g RA ne GA eee Sees SSS Os So pes i o 1 S o gl 1 D be 1 Sess a Ses se a I eee D es Sm 2 5 n 3 S oO Dl 9 oO Q a eee eee eee ee 2 N oO 2 2 gt hsefememe se T N Q Q me 3 e 1 a t 1 1 L Q N N y By w aareuow nd wno A Palv cmH 0 poumons sains avec du PFOB x Fig 3 2 Courbes PV sur l agneau Courbe PV moyenne Byw aeuouwund sWnIOA Fig 3 3 Courbes PV sur l agneau poumons sains avec du PFDEC 3 9 Chapitre 3 Mod le stationnaire 3 2 1 2 Courbe PV moyenne Dans un premier temps pour simplifier la r solution du mod le et l analyse des r sultats la courbe PV moyenne a t calcul e Elle est affich e sur la figure 3 4 Pour le PFOB et le PFDEC les param tres de l quation de Venegas voir la section 2 2 5 de l tat des connaissances pour les courbes PV inspiratoire et expiratoire ont t d termin s
65. oxyg ne augmentant alors les pertes de PFC Dans d autres applications la combinaison d un atomiseur avec un bulleur a t d velopp e pour remplacer l oxyg nateur membrane La colonne de cet oxyg nateur est constitu e principalement d un tube o le PFC est vaporis par une buse dans sa partie sup rieure et l O2 est inject la base par une pierre poreuse L change gazeux est r alis par contact direct entre le liquide et les bulles de gaz La performance de cet oxyg nateur est fortement d pendante du d bit d oxyg ne Lorsqu il est insuffisant la pierre poreuse ne g n re pas uniform ment les bulles Dans le cas o le d bit de gaz est trop important les bulles g n r es se joignent pour former un amas de bulles ce qui diminue grandement la surface d change De plus la quantit de liquide pour remplir la colonne est lev e Comme alternative aux syst mes d oxyg nation membrane et au bulleur avec 15 atomiseur Nugent a brevet un nouveau type d changeur gazeux pour les liquides 16 L invention est constitu e d une unit de respirables d coulant du brevet de Reichner dispersion fluide qui projette le liquide sous forme d un mince film mis en contact avec un coulement d oxyg ne 3 Quelque soit le syst me d oxyg nation l coulement d oxyg ne introduit dans l oxyg nateur est vacu entrainant avec lui le CO mais aussi des vapeurs de PFC occasionnant
66. pressure volume characteristics during liquid ventilation J Appl Physiol 1996 May 80 5 1764 71 14 Schoenfisch WH Kylstra JA Maximum expiratory flow from saline and fluorocarbon filled lungs Physiologist 1971 1971 14 3 225 15 Bull JL Foley DS Bagnoli P Tredici S Brant DO Hirschl RB Location of flow limitation in liquid filled rabbit lungs ASAIO J 2005 Nov Dec 51 6 78 1 8 16 Meinhardt JP Ashton BA Annich GM Quintel M Hirschl RB The dependency of expiratory airway collapse on pump system and flow rate in liquid ventilated rabbits Eur J Med Res 2003 May 30 8 5 212 20 17 Kreyszig E Advanced Engineering Mathematics 7th ed New York John Wiley amp Sons 1993 18 Cox C Stavis RL Wolfson MR Shaffer TH Long Term Tidal Liquid Ventilation in Premature Lambs Physiologic Biochemical and Histological Correlates Biol Neonate 2003 84 3 232 42 19 Larrabe JL Alvarez FJ Cuesta EG Valls i Soler A Alfonso LF Amaiz A et al Development of a time cycled volume controlled pressure limited respirator and lung mechanics system for total liquid ventilation IEEE Trans Biomed Eng 2001 Oct 48 10 1134 44 20 Tredici S Komori E Funakubo A Brant DO Bull JL Bartlett RH et al A prototype of a liquid ventilator using a novel hollow fiber oxygenator in a rabbit model Crit Care Med 2004 Oct 32 10 2104 9 21 Bull JL Reickert CA Tredici S Komori E Frank EL Brant DO et al Flow limitation in liquid fill
67. que le collapsus expiratoire est mesurable Ce point est important car si l on d sire viter le collapsus on doit tre capable de mesurer l effet du collapsus la pression un endroit accessible physiquement et de la fa on la moins invasive possible dans l optique d une utilisation clinique S il ne l est pas la t che peut s av rer impossible 3 Quel est le d bit maximal expiratoire permis dans les voies respiratoires Chapitre 1 Introduction Ce d bit maximal sans rencontrer de collapsus expiratoire permet de calculer la ventilation minute maximale et ainsi savoir s il sera possible de maintenir ad quatement les changes gazeux pulmonaires dans le meilleur des cas 4 Quel est le contr leur appropri Une fois le syst me commander connu et mod lis il est possible de proposer diff rents contr leurs pour rencontrer l objectif poursuivi 1 5 Plan de la th se Le plan de la th se reprend en d tail chacune de ces questions Le chapitre 2 sur l tat des connaissances dresse un portrait g n ral des respirateurs liquidiens d velopp s et publi s dans la litt rature scientifique et l gale brevet Par la suite plusieurs param tres respiratoires seront d crits et comment s ainsi que les mod les math matiques pulmonaires disponibles en ventilation gazeuse et en VLT Dans la derni re partie de l tat des connaissances les algorithmes de contr le disponibles commercialement sur les
68. re l algorithme peut pr senter un risque Globalement la probl matique soulev e par les cliniciens est de concevoir un respirateur simple se K 5 ir 8 i x 4 d utilisation efficace s curitaire et fiable pour amener la VLT dans les soins intensifs 14 Mon 2 3 Chapitre 2 Etats des connaissances m moire de ma trise abordait cette probl matique et avait pour but l optimisation d un quipement pour effectuer des ventilations liquides totales 25 26 La section qui suit r sume les travaux effectu s 2 1 2 Le prototype fonctionnel de l quipe Inolivent Le respirateur liquidien total d velopp par l quipe Inolivent en 2000 est pr sent la figure 2 1 Il a fait l objet d un d p t de brevet en 2003 7 Il comprend 5 syst mes dont 2 pompes piston 2 oxyg nateurs 1 syst me de chauffage et de condensation ainsi qu un filtre 2 4 Chapitre 2 Etats des connaissances me Condenseur Filtre Interface personne machine e Ses R servoir auxiliaire Oxyg nateur Valve Pompe inspiratoire eed lt Pompe expiratoire Fig 2 1 Photo du respirateur liquidien total avec les syst mes principaux identifi s Les pompes piston sont contr l es ind pendamment permettant ainsi l ajustement instantan du d bit l inspiration et l expiration Une pompe est d di e au circuit inspiratoire et une seconde au circuit expiratoire Comme il e
69. respirateurs m caniques gazeux seront expos s et accompagn s de leur sch ma de d cision Cette section m rite une attention particuli re car elle expose des concepts importants qui seront repris pour l algorithme de contr le en VLT Le chapitre 3 pr sente le mod le pulmonaire adapt la VLT pour comprendre les causes du collapsus expiratoire et de limitation du d bit expiratoire Cette partie permet de r pondre la question sur la possibilit de mesurer le collapsus expiratoire et aborde la notion de ventilation minute en VLT Le chapitre 4 expose les diff rents syst mes mod liser pour obtenir le mod le math matique du syst me commander Pour fin d analyse ce mod le sera r duit une expression plus simple et valid exp rimentalement Finalement le dernier chapitre propose les nouveaux modes ventilatoires en VLT inspir s des modes ventilatoires en ventilation gazeuse accompagn s de leur algorithme de d cision Le r gulateur n cessaire pour mettre en place ces modes sera d crit Une validation th orique et in vitro cl turera le chapitre Chapitre 1 Introduction R f rences 1 Ventilation with lower tidal volumes as compared with traditional tidal volumes for acute lung injury and the acute respiratory distress syndrome The Acute Respiratory Distress Syndrome Network N Engl J Med 2000 May 4 342 18 1301 8 2 Rubenfeld GD Caldwell E Peabody E Weaver J Martin DP Neff M et al Inciden
70. sont l inspiration le plateau de fin d inspiration PFI l expiration et le plateau de fin d expiration PFE Gr ce l identification de chaque phase il est possible de traiter les signaux de chaque entr e analogique au niveau des cartes d acquisition au moment voulu Les signaux qui seront utilis s pour la validation du mod le th orique sont le signal volumique de la pompe inspiratoire et expiratoire ainsi que le signal de pression trach ale L tape suivante consiste calculer la pression de fin d inspiration Peip et la pression de fin d expiration Peep En moyennant les valeurs sur la dur e totale de leur pause respective ces valeurs peuvent tre obtenues Ensuite l analyse du signal volumique de la pompe expiratoire permet de calculer le volume expir pour chaque cycle V k La compliance dynamique pour la phase expiratoire Cayn k peut alors tre d termin e en divisant le volume expir par la variation de pression entre les pauses de fin d inspiration et d expiration Si on fait abstraction de l hyst r sis en consid rant la compliance constante l volution de la pression alv olaire au cours de la phase expiratoire Palv t peut tre calcul e en utilisant la relation 3 23 Palv t Peip k C k x V 3 23 Ou V t est le volume expir en fonction du temps Peip k est la pression de fin d inspiration au cycle k et Cayn k est la compliance dynamique au cycle k Il faut mainte
71. support durant les essais Je tiens remercier les stagiaires qui ont contribu l avancement des travaux Un remerciement aux gens du BLEU qui ont permis le d p t accept du brevet pour le ventilateur en Europe Plus personnellement je remercie mes parents Pierre et Lise ainsi que mon amie Sylvie qui m ont toujours encourag et support tout au long de mes tudes It Tables des mati res 1 Introduction 1 1 Le SDRA 1 2 La ventilation liquidienne 1 2 1 Historique 1 2 2 Avantages 12 3 Administration de la ventilation liquidienne 1 2 4 Th rapies possibles en utilisant la VLT 12 5 Historique de l quipe Inolivent 1 3 Probl mes inh rents la VLT 1 4 Objectifs du projet de doctorat 1 5 Plan de la th se 2 tats des connaissances 2 1 Les respirateurs liquidiens 2 1 1 tat de l art 2 12 Le prototype fonctionnel de l quipe Inolivent 2 1 2 1 Les avantages du prototype Inolivent 2 2 Le syst me respiratoire 2 2 1 Description du syst me pulmonaire 2 2 1 1 Arborescence des voies respiratoires 2 2 1 2 M canisme de la respiration spontan e 2 2 1 3 Transport des gaz 2 2 2 D finition des volumes pulmonaires 2 2 3 D finition des pressions 2 2 4 Compliance 2 2 5 Courbe PV 2 2 6 R sistance 2 2 7 Constante de temps expiratoire 2 2 8 Vitesse d une onde dans un tube flexible voie respiratoire 2 3 Mod les pulmonaires existants 1 1 1 2 1 2 1 3 1 3 1 4 1 4 1 5 2 10 2 10
72. transmurale C est cette diff rence qui pourrait provoquer l crasement du tube Ce ph nom ne est bien connu des physiologistes sous le nom de R sistance de Starling Si l coulement subit une l g re augmentation de vitesse dU la section diminue en cons quence pour respecter l quation de la conservation de la masse 2 11 ASU c A 2 11 Pour d terminer l quation de la vitesse de propagation de la pression c il faut ensuite appliquer l quation de la conservation de la quantit de mouvement pour obtenir AGP 2 pcdUA pc A 2 12 En combinant ces deux quations on obtient la vitesse de propagation de la pression c dans un tube flexible 2 21 Chapitre 2 Etats des connaissances oP A eS oe 2 13 oA p Cette relation est identique a celle d finie par Dawson et Elliot Donc la vitesse de l onde de d formation du tube flexible est fonction de la section A de la densit du liquide p et de l lasticit du tube 6P 64 2 3 Mod les pulmonaires existants 2 3 1 Mod le un compartiment lin aire Le mod le pulmonaire le plus simple est pr sent la figure 2 13 gauche La partie de droite pr sente la r ponse de ce syst me suite un chelon de consigne en d bit Les voies respiratoires sur le mod le sont repr sent es par un conduit uniforme ayant une r sistance l coulement R Les alv oles forment quant elles une cavit purement lastique ayant
73. tube flexible la g n ration z CPT ml capacit pulmonaire totale chez un adulte CPTL ml capacit pulmonaire totale chez un agneau CPT ml Volume pulmonaire total de l anglais Total Lung Volume CRF ml kg capacit r siduelle fonctionnelle de l anglais Functionnal Residual Capacity XVI CI ml capacit inspiratoire de l anglais Inspiratory Capacity CV ml capacit vitale de l anglais Vital Capacity de cm H20 intervalle de pression l int rieur duquel la majorit du volume pulmonaire varie au niveau de la courbe PV expiratoire g n r e dm cm H20 intervalle de pression Pint rieur duquel la majorit du volume pulmonaire varie au niveau de la courbe PV moyenne DEM D bit Expiratoire Maximal de l anglais Maximum Expiratory Flow DEMV Courbe de D bit Expiratoire Maximal en fonction du Volume de l anglais Maximum Expiratory Flow versus lung Volume ou MEFV ei ml erreur sur le volume inspir ee ml erreur sur le volume expir Silk Forme du profil inspiratoire l it ration k Jik Forme du profil expiratoire l it ration k F N force exerc e sur la cr maill re F N force de friction des joints Fr adim facteur de correction pour les longueurs des voies respiratoires en fonction des capacit s pulmonaires totales chez l adulte et l agneau Fr resp min fr quence ventilatoire g m s gravit
74. un l ment chauffant et un condenseur ce qui minimise le volume de remplissage et facilite la mise en place des l ments 2 L ind pendance des pompes permet de contr ler le volume pulmonaire CRF de sp cifier un profil expiratoire diff rent du profil inspiratoire et d optimiser le temps de s jour du PFC dans les oxyg nateurs De nouveau pour ventiler des patients adultes la section des pistons peut tre augment e ais ment 3 Le r servoir tampon permet d estimer la quantit de PFC pr sent dans la machine afin d estimer la CRF r tention ou les pertes dans les poumons par transpiration dans l interstitium pulmonaire etc La section du r servoir tampon peut tre ajust e selon le volume de PFC maintenir dans le respirateur et ou selon la taille du patient 2 2 Le syst me respiratoire 2 2 1 Description du syst me pulmonaire Les poumons sont un organe essentiel qui a comme r le principal de permettre les changes gazeux avec l atmosph re Ils sont situ s dans deux cavit s de chaque c t du c ur et prot g s par la cage thoracique Malgr leur apparence similaire les poumons droit et gauche ne sont pas identiques Comme en t moigne la figure 2 6 le poumon droit est divis en trois lobes sup rieur moyen et inf rieur tandis que le gauche contient deux lobes sup rieur et inf rieur Les poumons sont enferm s s par ment dans une pl vre une enveloppe deux feuillets Le feuillet vi
75. wet lung hypoxie r fractaire poumon blanc etc le SDRA fut d crit pour la premi re fois en temps que tel par Ashbaugh en 1967 partir de donn es histologiques d adultes d c d s Malgr les r cents progr s r alis s pour optimiser la ventilation m canique conventionnelle la mortalit li e au SDRA reste lev e 31 de mortalit pour une incidence annuelle de 10 14 cas de SDRA pour 100 000 habitants soit 250 000 cas an aux Etats Unis EU Selon un article parut en 2005 dans le New England Journal of Medicine ces chiffres se pr cisent il y aurait 190 600 cas d agression pulmonaire aigu SDRA par an aux tats Unis Ces agressions pulmonaires entra nent 74 500 d c s et demandent plus de 3 6 millions de jours d hospitalisation En ce qui a trait au syndrome de d tresse respiratoire du nouveau n SDR l incidence est de 5 6 cas 1000 naissances vivantes 25 000 cas an aux Etats Unis dont la mortalit moyenne est de 20 Au cours des deux derni res d cennies les n onatologistes ont rivalis d ing niosit pour optimiser le traitement des d tresses respiratoires chez le nouveau n et le pr matur De nouvelles techniques de ventilation gazeuse dont la ventilation 4 haute fr quence ont t implant es avec un certain succ s En final l oxyg nation extracorporelle par poumon artificiel 1 1 Chapitre 1 Introduction reste le dernier recours et est r serv e a quelques centres u
76. 0 7 16 m Aq 4 95 x 10 5 16 m A7 7 13 x 10 3 8 m A9 2 38 x 10 5 5 mm m l 0 071 m l 0 032 m l 0 78 m ly 0 25 m D 0 011 m D 7 94 x 10 m D 9 525 x 10 m Do 4 0 6 0 x 10 m Si on fait la somme des variations de pression AP qui tiennent compte du d bit volumique expiratoire V on obtient la relation B 25 La valeur des r sistances associ es aux pertes de charge singuli res R et aux r guli res Re2 est indiqu e dans le tableau B 2 pour le PFOB et le PFDEC avec un tube endotrach al de 5 5 mm de diam tre Les r sultats du calcul des pertes de charge sont pr sent s la figure B 2 pour diff rents diam tres de tube endotrach al en fonction du d bit volumique Le tableau B 2 donne les valeurs des coefficients pour les relations P K Kix Kio Kan at Kis Ki Ki Ko we pgh B 25 P RaV Rae pgAh Re yV pgAh B 26 Annexe B Syst me commander Pertes de charge emH 0 D bit ml s Fig B 2 R sultats du calcul des pertes de charge pour diff rents diam tres de tube endotrach al et en fonction du d bit volumique expiratoire PFOB Tableau B 2 Coefficients pour le PFOB le PFDEC et l eau pour les quations des pertes de charge dans le circuit du respirateur tube endotrach al de 5 5 mm PE Eau Unit ar he a noi RS 2 61 x 10 3 23 x 10 1 29 x 10 cmH 0 s 5 m Annexe B Syst m
77. 0 1 21x10 cmHOs m Riimeaire Max 4 0kg 2 03x10 7 62 x 10 cm HO s m 9 0 kg 1 18x 109 444x10 cm HO s m Si l on compare la valeur minimale et moyenne de la r sistance avec le PFOB pour un agneau de 4 kg on remarque que cette derni re varie d un facteur 10 En contrepartie les valeurs de r sistance pour le PFDEC varient au maximum d un facteur 3 Cette diff rence provient d un cart type important au niveau de l identification des param tres de la r sistance des voies respiratoires sur les donn es exp rimentales pour le PFOB La figure 5 15 pr sente la cons quence d une variation de la r sistance sur la r ponse en fr quence du syst me On observe une augmentation du gain lorsqu il y a une augmentation de la r sistance En r f rence la fonction de transfert 5 18 ceci se traduit par une pression trach ale Pva plus importante pour une m me consigne la pompe U Donc une augmentation de la r sistance des voies respiratoires agit comme une augmentation du gain de boucle La litt rature 7 4 sur le sujet pr sente la m me conclusion 5 25 Chapitre 5 Syst me de commande Lieu de Bode de la fonction de transfert 100 oe D CE T 7 T Tp Tee r e amp 50 Ke 4 ke ase a eee ee 5 P s avec R moy 4 TTL DEN SL ao Mme ae eee ed PETE OU En Ce a P s avec R min TL P s avec R max coal si itil 1 Fs EEEE EC ERES DAE EE EE DUT
78. 0 ist tif 2 nr itil 1 y reel rassen y nt sh oana aau y eh on nu 10 10 10 10 10 10 10 10 To me RL OR EE RE SAS st DA x 50 a F re u EIT EA acre Seg ct 100 g Le a 450 200 rasul pe a ooa ul 10 10 10 107 10 10 10 10 Fr quence Hz Fig 5 16 Lieu de Bode du syst me pour 3 valeurs d lastance PFOB E moy 1 67 X 10 cm H O m E min 0 83 X 10 cm H O m E max 3 33 X 10 cm H O m 5 27 Chapitre 5 Syst me de commande 5 3 4 Contr leur propos 5 3 4 1 Crit res de performances Avant de d finir le contr leur les crit res de performances souhait s seront num r s Ces crit res permettent de d finir un cadre de fonctionnement acceptable pour le mode ventilatoire r gul en pression Temps de stabilisation f lt 1 0 secondes 1 cm H20 de la pression de r f rence D passement maximal 1 cm H O Au d part de l expiration le mod le nous indique une marge importante avant de rencontrer des probl mes au niveau de l expiration Exp rimentalement des pressions n gatives relativement importantes dans la trach e Pva lt 5 cm H20 ont t rencontr es au d but de l expiration Erreur en r gime permanent 1 cm H20 Consigne positive l expiration Ce crit re est une s curit pour viter de remplir les poumons La figure 5 17 pr sente la zone de commande pour le contr leur mettre en place La r
79. 1 3 33 3 34 3 36 3 41 4 1 4 2 4 4 4 4 4 7 4 8 4 14 4 18 4 19 4 20 4 21 4 21 4 3 2 Mod le du moteur lectrique 4 4 Mod le lin aire 44 1 Bornage des pertes de charge pulmonaires 44 2 Bornage des pertes de charge dans le circuit du respirateur 4 4 3 R duction du mod le 4 5 Validation in vitro 4 5 1 Mod le Simulink non lin aire 4 5 2 Validation th orique du mod le r duit 4 53 Validation exp rimentale du mod le r duit 5 Syst me de commande 5 1 Algorithmes de contr le sur le respirateur liquidien 5 1 1 Mode ventilatoire existant VCi VCe 5 1 1 1 Consid rations importantes 5 1 2 Nouveau mode ventilatoire VCi PCe 5 1 2 1 Consid rations importantes 5 13 Nouveau mode ventilatoire VCi VCRPe 5 1 3 1 Consid rations importantes 5 2 Structure de commande sur le respirateur liquidien 5 2 1 R gulation en volume 5 2 1 1 Les profils inspiratoire et expiratoire 5 2 2 R gulation en pression expiration 5 2 2 1 Remarque 5 2 3 Superviseur 5 2 3 1 Modes VCi VCe et PCe 5 2 3 2 Mode VCi VCRPe 5 3 R gulateur en pression mode expiratoire PCe et VCRPe 5 3 1 Structure d taill e 5 3 2 Description du syst me commander 5 3 3 Analyse du syst me en boucle ouverte 5 3 3 1 Lieu de Bode 5 3 4 Contr leur propos 5 34 1 Crit res de performances 5 3 4 2 Contr leur 5 3 4 3 Analyse de la stabilit 5 3 4 4 Fonction de sensibilit et sensibilit compl mentaire Vil 4 22 4
80. 1 1 Les profils inspiratoire et expiratoire Dans la litt rature le profil volumique inspiratoire couramment utilis est la rampe Au d part et la fin de l inspiration une phase d acc l ration et de d c l ration de 20 et de 40 respectivement sont utilis es pour limiter les variations de vitesse importantes 1 Une seconde quipe a propos une acc l ration et une d c l ration de type sinuso dale La r f rence volumique inspiratoire Vref f utilis e par l quipe Inolivent est d finie par la fonction en morceaux 5 1 La figure 5 7 pr sente le profil typique en volume et la variation de d bit associ e L aire sous la courbe en d bit est gale au volume inspirer demand 5 11 Chapitre 5 Syst me de commande si tSt 21 Vref t 3 At C sit lt t lt t t 5 1 A AT t t C si t t lt T OF ta tm le temps de mont e tg le temps de descente A YV T t t 2 amplitude de la rampe T le temps d inspiration V le volume inspirer quivalent au Vt demand Cy et C2 constantes d int gration fonction des conditions initiales Comme il a t pr sent dans le chapitre 3 le profil exponentiel permet de retirer plus efficacement le volume inspir tout en diminuant le risque de d velopper un collapsus Par cons quent l quipe Inolivent utilise ce profil pour effectuer les exp rimentations animales Pour g n rer cette r f re
81. 2 11 2 13 2 13 2 14 2 15 2 16 2 17 2 19 2 20 2 21 2 3 1 Mod le un compartiment lin aire 2 22 2 3 2 Mod le un compartiment non lin aire 2 23 2 3 3 Mod le deux compartiments lin aires 2 23 2 34 Mod les physiologiques 2 25 2 3 4 1 G n ralit 2 25 2 3 4 2 Mod le dichotomique sym trique 2 25 2 3 4 3 Mod le dichotomique asym trique 2 26 2 3 4 4 Analyse de l coulement la bifurcation 2 27 2 3 5 Mod le utilis en VLT 2 30 2 4 Algorithmes de contr le disponibles commercialement 2 31 24 1 Historique du contr le de l change gazeux 2 32 24 2 Modes ventilatoires usuels des respirateurs gazeux 2 33 2 4 2 1 Le mode PC 2 33 2 4 2 2 VC 2 34 24 3 Modes ventilatoires avanc s 2 36 2 4 3 1 VAPS et PA 2 37 2 4 3 2 VA et PSV 2 40 2 4 3 3 VCRP 2 43 2 4 3 4 Autres 2 46 2 4 4 Tableau r capitulatif 2 47 2 4 4 1 Discussion 2 47 2 4 5 Structure de commande sur un respirateur Servo 300 2 48 2 4 5 1 Inspiration R gulation en d bit 2 50 2 4 5 2 Inspiration R gulation en pression 2 51 2 4 5 3 Expiration R gulation en pression 2 51 3 Mod le stationnaire 3 1 3 1 Mod le math matique 3 1 3 1 1 Description de la g om trie pulmonaire 3 1 3 1 2 Section des voies respiratoires 3 2 3 1 3 Longueur des voies respiratoires 3 2 3 1 4 Mod lisation de l coulement 3 2 3 1 5 Pertes de pression par friction visqueuse 3 4 3 1 6 Bifurcations 3 5 3 1 7 Co
82. 23 4 23 4 24 4 25 4 27 4 27 4 29 4 31 5 1 5 1 5 1 5 4 5 10 5 10 5 11 5 14 5 14 5 15 5 15 5 19 5 20 5 20 5 20 5 22 5 22 5 28 5 28 5 29 5 31 5 36 5 3 4 5 Simulations num riques 5 38 5 3 4 6 Simulation num rique du syst me non lin aire 5 41 5 3 4 7 Validation in vitro 5 47 6 Conclusion 6 1 Annexes Annexe A Mod le stationnaire A 1 A 1 Diff rentiation de l quation de Bernoulli A 1 A 2 Equations du profil expiratoire optimal A 2 A 3 Temps expiratoire minimum A 4 A 4 R sistance 4 d bit nul A 5 Annexe B Systeme a commander B 1 B 1 Algorithme d identification r sistance exp rimentale B 1 B 2 Circuit fluide B 3 B 3 Somme des couples au moteur B 8 B 4 Fonction de transfert globale B 10 Annexe C Syst me de commande C 1 C 1 quations pour le placement des p les C 1 C 2 Pr sentation du calcul des a C 3 C 3 Calculs de la r sistance du montage in vitro C 3 Vill Liste des figures Fig 2 1 Photo du respirateur liquidien total avec les syst mes principaux identifi s 2 5 Fig 2 2 Sch ma du circuit fluide du respirateur liquidien total 2 6 Fig 2 3 Pompe piston sur le respirateur liquidien 2 7 Fig 2 4 Dessin des oxyg nateurs compartiment s mis en s rie avec le filtre et le condenseur 2 8 Fig 2 5 Diff rentes phases lors d un cycle respiratoire en VLT 2 9 Fig 2 6 Poumons chez l humain source http www wikipedia com 2 11
83. 2O il sera alors impossible de retirer le volume courant demand Donc la pression de r f rence a une incidence sur la dur e de l expiration pour un 5 41 Chapitre 5 Systeme de commande volume courant choisi mais ce choix se fait au compromis du risque de rencontrer un collapsus expiratoire Variation du volume en fonction du temps pour diff rentes valeurs de Pref 100 T T T T Pref 5 cm H O 90 ee PORTE gas Lo EE Pref 0 cm H O 80l a pA ol Pref 2 cm H O NE eue Pref 10 cm H O 70 Shape Se oe QE 1 ih Os i 1 s te 4 ty l l i we OO a he CR RUN a oo Se le i a a g 50F one a E ae OR Me eS DE 3 1 I ss K I 1 i Fe AD en sat po eae an 30 Tu De i i r i i is oe i i I 1 1 1 A fo 1 1 1 Sy gt 20F RER dE Mrs DESERT 1 Il 1 D 1 See at we l 1 0H finesse ir ee ae net Mane DE ie RR 0 TT h EO LLL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Temps sec Fig 5 28 Variation du volume expir en fonction du temps pour diff rentes pressions de r f rence La figure 5 29 A pr sente la r ponse du syst me en boucle ferm e suite un chelon de consigne pour une pression de r f rence 5 cmH 0 La r ponse est conforme aux sp cifications de d part Le plan de phase figure 5 29 B est le trac du d bit expiratoire impos V dans les voies respiratoires en fonction du volume expir V Le trac commence T 1 seconde
84. 30 35 Palv cm H 0 300 0 Fig 3 28 Courbes DEM th orique et exp rimentale en fonction la pression alv olaire Palv pour le PFOB L cart type calcul partir des points exp rimentaux est trac sur cette figure 3 41 Chapitre 3 Mod le stationnaire Courbes DEM th orique et exp rimentale versus Palv 0 E lige ia AIG te te ene T 46 seria E a PFDEC th orique PFDEC exp rimentale Rs 1001 te ey SE NE CEE A es cea EN V ml s m 900 E EE x Tags 00 ee a 0 Palv cm H 0 Fig 3 29 Courbes DEM th orique et exp rimentale en fonction la pression alv olaire Palv pour le PFDEC L cart type calcul partir des points exp rimentaux est trac sur cette figure Avec ces r sultats on peut conclure que le mod le permet de d terminer ad quatement le d bit expiratoire maximal pour une pression alv olaire sup rieure 5 cm H gt 0 une pression inf rieure le mod le sous estime le d bit maximal pour le PFOB et le PFDEC Lors du choix de l quation empirique pour corriger les pertes de charge par friction visqueuse dans les voies respiratoires voir la section 3 1 5 les coefficients trouv s par Reynolds taient les plus conservateurs et ont t utilis s pour cette raison dans le mod le Dans la figure 3 30 le mod le a t r solu de nouveau pour le PFOB mais cette fois en utilisant les coefficients de
85. 35 0 3 0 25 0 2 2 RNL cmH 0 s m ml 0 15 0 1 0 05 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 V ml s m Fig 4 5 Mod le et r sultats de quation 4 5 pour le PFOB 4 1 4 R sistance pulmonaire exp rimentale Afin d identifier en ligne les param tres de la Ryz c est dire au cours d un cycle respiratoire il faut utiliser un algorithme pour identifier les param tres R et R2 L algorithme RLS X sera utilis pour effectuer cette t che Cependant avant d utiliser les r sultats exp rimentaux sur agneaux un mod le Simulink avec des valeurs arbitraires s impose pour valider th oriquement cette approche Chapitre 3 Mod le stationnaire 4 1 4 1 Validation th orique de la m thode Le mod le Simulink de la figure 4 6 a t utilis pour g n rer les signaux avec et sans bruit blanc variance 0 5 moyenne 0 cm H20 Diff rents tests ont t effectu s et les valeurs utilis es sont repr sentatives de ce qui a t trouv dans la section pr c dente Les valeurs sont indiqu es dans le tableau 4 2 pour les diff rents tests Pour appliquer l algorithme RLS X les tapes pr paratoires ont t compl t es 1 L entr e du syst me est le d bit volumique expiratoire V n 2 La sortie y n du syst me est la pression r sistive au niveau des voies respiratoires Paw n Palv n Pva n 3 Le mod le est d fini par la relation Paw n R V n R V n 4 Les varia
86. 36 est obtenue Le temps de stabilisation est de nouveau respect car il est en dessous de 1 seconde Cependant atteinte 5 49 Chapitre 5 Syst me de commande de la pression de r f rence est plus progressive comme l a montr les r sultats num riques voir la figure 5 24 L oscillation au d part de l expiration est toujours pr sente car la variation de la consigne a la pompe est rapide Par contre elle est fortement amortie et la commande ne pr sente pas d oscillations et de d passement Dans tous les cas le profil g n r ressemble a une exponentielle Pression cmH20 Commande Volt Volume expir ml Temps sec Temps sec Fig 5 36 R sultat in vitro sur le montage exp rimental pour une r sistance R faible Donc le syst me de r gulation en pression s av re fonctionnel m me dans le cas d une dynamique de tube flexible importante De plus malgr la pr sence de bruit de mesure le contr leur poursuit ad quatement la pression de r f rence demand e Selon la r sistance des voies respiratoires la r ponse du syst me varie de fa on observable mais elle r pond aux crit res de performances tablis au d part Pour l instant il n y a pas de r sultat in vivo pour valider le contr leur propos Dans l ann e 2007 ce contr leur sera exp riment in vivo 5 50 Chapitre 5 Systeme de commande R f rences 1 Sekins
87. 41777 2000 mar 28 19 Wolfson MR Miller TF Peck G Shaffer TH Multifactorial analysis of exchanger efficiency and liquid conservation during perfluorochemical liquid assisted ventilation Biomed Instrum Technol 1999 May Jun 33 3 260 7 20 Shaffer Thomas H and Wolfson Marla R Process Control for Liquid Ventilation and Related Procedures US patent US5335650 1994 August 9 21 Shaffer Thomas H and Wolfson Marla R Process Control for Liquid Ventilation Philadelphia PA patent WO 94 08652 1994 apr 28 2 54 Chapitre 2 Etat des connaissances 22 Philips CM Weis C Fox WW Wolfson MR Shaffer TH On line Techniques for Perfluorochemical Vapor Sampling and Measurement BET 1999 jul aug 33 348 55 23 Shaffer Thomas H Wolfson Marla R Miller Thomas F Foust III Raymond Breathable liquid elimination analysis us patent US5590651 1997 01 07 24 Cox CA Fox WW Wolfson CM Shaffer TH Liquid ventilation Gas exchange perfluorochemical uptake and biodistribution in an acute lung injury Pediatr Crit Care Med 2002 jul 3 3 288 96 25 Robert R Optimisation d un ventilateur liquidien dissertation Sherbrooke QC CA Universit de Sherbrooke 2003 26 Robert R Micheau P Cyr S Lesur O Praud JP Walti H A prototype of volume controlled tidal liquid ventilator using independent piston pumps ASAIO J 2006 Nov Dec 52 6 638 45 27 Robert Raymond Micheau Philippe Cyr St phane Walti Herv Praud Jean
88. 8 61 Les r sultats de Liu sont pr sent s dans la figure 2 17 pour illustrer plus clairement les propos mentionn s dans tous ces articles outer inaer outer inner a d outer inner b te inner c In plane Off plane Fig 2 17 Mod lisation d une bifurcation sym trique par Liu et coll La partie A pr sente la section de l arbre pulmonaire qui a t utilis e lors du maillage par l ments finis en B En C on peut voir les profils de vitesse obtenus lors d une inspiration Pour tenir compte du fait que le profil de vitesse a la sortie d une bifurcation n est pas uniforme Pedley propose un Ainsp 1 7 en remplacement de la valeur initiale de 1 correspondant un profil 2 28 Chapitre 2 Etats des connaissances parabolique Cette valeur est utilis e seulement l inspiration Pour l expiration Collins et L 63 coll propose la relation 2 20 Amp 1 09 6 54Re 2 20 Pour tenir compte des pertes de charge suppl mentaires impos es par la bifurcation lors de l inspiration Pedley a d fini une relation pour ajuster la diff rence de pression entre l coulement r el duquel on a retir la pression associ e a l nergie cin tique et un coulement laminaire de Poisseuille Analytiquement la relation 2 21 vient moduler la perte de charge calcul e partir de l quation de Poisseuille APpois pour obtenir la pe
89. AROT TER T PRET eT Fr a Ng 50L DA Xe 4 F LT ia Se B lscesecovonenesnnesosgreaeenimeremmnmmnneasssinn net en mures area 100E J 8 a 150 4 200 L a ali ts sia asud orab isal sanud orn e raad a 10 107 10 10 10 10 10 10 10 10 Fr quence Hz Fig 5 13 Lieu de Bode de la fonction de transfert du syst me incluant les poumons 5 23 Chapitre 5 Systeme de commande Le lieu de Bode a la figure 5 14 pr sente diff rents cas selon le type de dynamique non mod lis e 1 L ajout d un filtre passe bas Butterworth d ordre 1 fr quence de coupure 10 Hz introduit un d phasage de 180 degr s en haute fr quence Si le filtre est d un ordre sup rieur la phase sera inf rieure n 90 degr s o n est l ordre du filtre ei 2 L ajout du p le moteur a un l ger impact sur le gain du syst me en boucle ouverte et il diminue la phase en haute fr quence 3 Finalement l lectronique de commande et d acquisition num rique ajoute in vitablement des retards purs Selon la fr quence d acquisition s lectionn e f 2 kHz dans le cas de la figure 5 14 un d phase de 180 degr s est atteint f 2 Donc la combinaison de ces diff rents cas peut amener rapidement la phase 180 degr s et provoquer l instabilit Lieu de Bode de la fonction de transfert T 2 5 Fonction 5 18 Ajout filtre passe bas Ajout p le moteur Ajout re
90. CO EO lineaire lineaire Ew 2E p E a z 2ECP mOo Pm 5 30 2EC Ep R QM lineaire Pour avoir un contr leur stable p le dans le demi plan gauche le a s lectionn doit tre inf rieur au a a lt a De plus pour viter d avoir un z ro dans le demi plan droit le a doit tre sup rieur as a gt amp s Donc le param tre a doit tre dans l intervalle as lt a lt a pour obtenir un contr leur stable Dans la relation 5 25 wy est la bande passante du syst me souhait e en boucle ferm e et amp est l amortissement du syst me Sachant que les d passements ne sont pas permis la variable d amortissement est fix e 1 Ainsi tous les p les de la fonction de transfert en boucle ferm e sont r els La bande passante du syst me commander la pompe piston est aux environs de 8 Hz Par cons quent la bande passante du syst me en boucle ferm e devrait tre inf rieure 5 30 Chapitre 5 Systeme de commande cette valeur pour viter de solliciter inutilement l actionneur De plus la pompe ne doit pas r agir inutilement au bruit de mesure Donc la bande passante souhait e du syst me en boucle ferm e a t fix e 5 Hz Wo 31 42 rad s Pour le PFOB la r sistance des voies respiratoires moyenne chez un agneau de 4 kg Riineaire 1 08 x 10 cm H20 s m voir le tableau 5 3 et E 1 67 x 10 cm H20 m voir le tableau 4 3 Le t
91. Fig 2 7 Voies respiratoires chez l humain accompagn es d une illustration plus d taill e des alv oles pulmonaires source http www wikipedia com 2 12 Fig 2 8 Transport du CO source 2 14 Fig 2 9 Volumes et capacit s pulmonaires source hitp Avww wikipedia org 2 14 Fig 2 10 Courbe PV en ventilation gazeuse 2 18 Fig 2 11 Description de la signification des coefficients de l quation de Venegas 2 19 Fig 2 12 Volume de contr le pour d terminer la vitesse du son dans un tube flexible 2 21 Fig 2 13 Mod le un compartiment lin aire gauche et son comportement droite 2 22 Fig 2 14 Mod le deux compartiments lin aires gauche et son comportement droite 2 24 Fig 2 15 G n ration pour le mod le sym trique de Weibel BR bronches BL bronchioles TBL bronchioles terminales RBL bronchioles respiratoires AD conduits alv olaires AS sacs alv olaires 2 26 Fig 2 16 Changement de section progressif la bifurcation 2 27 Fig 2 17 Mod lisation d une bifurcation sym trique par Liu et coll La partie A pr sente la section de l arbre pulmonaire qui a t utilis e lors du maillage par l ments finis en B En C on peut voir les profils de vitesse obtenus lors d une inspiration 2 28 Fig 2 18 G om trie utilis e pour le mod le de Costantino 2 30 Fig 2 19 Exemple de respirations en mode PC 2 34 Fi
92. IVPD th orique l erreur entre chaque point exp rimental et la courbe th orique a t calcul e voir figure 3 21 De plus la distribution de l erreur a t trac e sur les figures 3 22 3 27 Dans la majorit des cas cette distribution est gaussienne donc il est possible d appliquer les notions d cart type et de moyenne Pression alv olaire de 30 cmH20 PFC utilis PFDEC 200 180 140 V ml s m a Oo Paw cm H20 Fig 3 21 Exemple pour illustrer le calcul de l erreur entre les points exp rimentaux et la courbe IVPD 3 37 Chapitre 3 Modele stationnaire Pression alv olaire de 25 cmH20 PFC utilis PFOB V ml s m Paw cm H20 Distribution de l erreur nombre d chantillons 3811 T T Pr T T T T Nombre d chantillons al E ALL 5 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Erreur mi s m Fig 3 22 IVPD une pression alv olaire de 25 cm H O et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFOB Pression alv olaire de 15 cmH20 PFC utilis PFOB 200 2 042006 060606 z 100 062806 071906 50 Modele 0 10 20 30 40 50 60 Paw cm H20 Distribution de l erreur nombre d chantillons 5793 I T T T I I ooussieme 1 I I I ers eee mb i LH pe all ddl di ail it Om mini il 20 50 40 30 20 Nombre d chanti
93. L cart type important sur la valeur de la r sistance est associ la pr sence de collapsus expiratoire qui font grimper la valeur de la r sistance initiale Puisque tous les cycles n ont pas t analys s individuellement les collapsus gonflent artificiellement la valeur de l cart type La figure 5 25 pr sente la r ponse du syst me en boucle ferm e suite un chelon de consigne pour diff rentes valeurs d lastance Une variation de l lastance ne pr sente pas de probl me d oscillation rencontr e avec une modification importante de la r sistance 5 38 Chapitre 5 Syst me de commande Pression a la trach e OZHWO9 UOISsalg Commande au moteur ji T J L DR aS Be EEE i VEE E K anen ie Ig a PA SE D ones tee a ene E As os i ee ae bz JOA apuewwop Temps sec te a un chelon de consigne pour diff rentes valeurs de e sui r Fig 5 24 R ponse du syst me en boucle ferm r sistance des voies respiratoires Pression la trach e OZHW9 uoisseid Commande au moteur QIOA epueWWOD Temps sec Fig 5 25 R ponse du syst me en boucle ferm e suite 4 un chelon de consigne pour diff rentes valeurs d lastance 5 39 Chapitre 5 Syst me de commande Dans le cas plus critique pr sent la figure 5 21 Riineaire Riineaire Moy
94. Model of forced expiratory flows and airway geometry in infants J Appl Physiol 2004 Feb 96 2 688 92 5 Tarezy Hornoch P Hildebrandt J Jackson JC Gravitational effects on volume distribution in a model of partial and total liquid ventilation Respir Physiol 2000 Apr 120 2 125 38 6 Isabey D Chang HK A model study of flow dynamics in human central airways Part II secondary flow velocities Respir Physiol 1982 Jul 49 1 97 113 7 Schroter RC Sudlow MF Flow Patterns in Models of the Human Bronchial Airways Respir Physiol 1969 7 341 355 8 Zhao Y Brunskill CT Lieber BB Inspiratory and expiratory steady flow analysis in a model symmetrically bifurcating airway J Biomech Eng 1997 Feb 119 1 52 8 9 Reynolds DB Steady expiratory flow pressure relationship in a model of the human bronchial tree J Biomech Eng 1982 May 104 2 153 8 10 Elad D Kamm RD Shapiro AH Mathematical simulation of forced expiration J Appl Physiol 1988 Jul 65 1 14 25 11 Collins JM Shapiro AH Kimmel E Kamm RD The steady expiratory pressure flow relation in a model pulmonary bifurcation J Biomech Eng 1993 Aug 115 3 299 305 12 Curtis SE P Furhman B Howland DF Airway and alveolar pressures during perfluorocarbon breathing in infant lambs JAP 1990 jan 68 6 2322 8 3 44 Chapitre 3 Mod le stationnaire 13 Tarczy Hornoch P Hildebrandt J Mates EA Standaert TA Lamm WJ Hodson WA et al Effects of exogenous surfactant on lung
95. Paw La pression r sistive dans les voies respiratoire est la diff rence de pression entre les alv oles et la pression trach ale ou buccale Dans la litt rature ce gradient de pression est aussi nomm Driving pressure dr ou pression motrice Poy Pa P an Poa 2 2 Ptm La pression transmurale est la diff rence entre la pression l int rieur de la voie respiratoire et la pression exerc e sur sa paroi externe Pn Py Py 2 3 2 2 4 Compliance La compliance indique l aisance du syst me respiratoire a se distendre suite a l application d une pression d finie La compliance quation 2 4 est d finie comme le ratio entre le changement volumique du syst me respiratoire et les changements r sultant de la pression AP Dans la majorit des cas le changement volumique est gal au volume courant V et le changement de pression est la diff rence entre la pression de fin d inspiration Peip et d expiration Peep Chapitre 2 Etats des connaissances C 2 4 AP 2 4 Dans le cas de la ventilation m canique la compliance statique du syst me respiratoire Cyr est obtenue selon l quation 2 5 et elle est donn e en ml cm H20 Le volume courant V est une mesure accessible sur la plupart des respirateurs m caniques La pression positive de fin d inspiration Peip ainsi que la pression positive de fin d expiration Peep sont obtenues en effectuant une pause en fin d inspiration et d ex
96. Peep Pression de contr le au dessus de la Peep 2 27 Ce niveau de pression est maintenu dans les voies respiratoires jusqu la fin de l inspiration au temps Ti Comme il est illustr pour les cas A C le V peut varier selon la compliance et la r sistance des voies respiratoires Durant l expiration les gaz contenus dans les poumons peuvent s chapper une pression contr l e quivalente la Peep Si le temps d expiration est insuffisant cas D la pression de fin d expiration sera sup rieure la Peep demand e et le d bit expiratoire ne sera pas nul Le clinicien doit alors revoir les param tres ventilatoires initiaux et corriger la situation ex augmenter le temps expiratoire repr sent par le cas E Ce mode respiratoire contraint la ventilation dans un intervalle de pression d finie Py cm H20 D bit L min Vt ml A B C D E Fig 2 19 Exemple de respirations en mode PC 2 4 2 2 VC Ce mode ventilatoire est disponible sur la majorit des respirateurs gazeux Le clinicien doit entrer sur le respirateur les param tres suivants 2 34 Chapitre 2 Etats des connaissances La fr quence respiratoire Fr La pression de fin d expiration Peep Le volume courant V La fraction du temps de cycle allou e la phase inspiratoire Le temps de mont pourcentage du temps inspiratoire La figure 2 20 pr sente un exemple des respirations que l on peut avoir du
97. SI y 1 run 10 10 10 10 10 0 X T T T TT TT ET rT 50 Ed j 4 er ns s 100b 72 oO D 150 J Spo E E A E EE A E E T ap 10 10 10 10 10 10 10 10 Fr quence Hz Fig 5 15 Lieu de Bode du syst me pour 3 valeurs de r sistance PFOB Riineaire moy 1 08 x 10 cm H O s m Rinear Min 7 92 x 10 cm H O s m Rjneaire Max 3 22 x 10 cm H O s m Modification de l lastance du syst me respiratoire Le lieu de Bode pr sent la figure 5 16 pr sente l effet d une modification de l lastance du syst me respiratoire Dans le chapitre 4 le tableau 4 3 pr sente les valeurs de la compliance dynamique calcul e partir des r sultats exp rimentaux Ces valeurs sont de 6 0 3 9 x 10 m cm H2O PFOB et 5 1 2 5 x 10 m cm H2O PFDEC pour un agneau de 4 kg Donc pour tester l impact d un changement de la valeur moyenne de l lastance pour le PFOB elle a t divis e et multipli e par 2 La phase et l amplitude sont l g rement modifi es en basse fr quence mais sans cons quence directe sur le gain et la phase en haute fr quence Par cons quent l lastance aura peu d impact sur la stabilit du syst me 5 26 Chapitre 5 Syst me de commande Lieu de Bode de la fonction de transfert 150 Ramat LEAREN P s avec E moy 100 P s avec E min a Sk P s avec E max 50 a a T ee S a i i 1 5
98. Syst me de commande OHW abseyo ap souey D bit mi s Fig C 2 R sultats du calcul des pertes de charge avec les quations th oriques pour le montage in vitro figure C 1 avec de l eau C 6
99. UNIVERSITE DE F1 SHERBROOKE Facult de g nie D partement de g nie m canique MODELISATION NUMERIQUE ET STRATEGIES DE COMMANDE DU DEBIT EXPIRATOIRE POUR EVITER LE COLLAPSUS DES VOIES RESPIRATOIRES EN VENTILATION LIQUIDIENNE TOTALE Th se de doctorat es Sciences appliqu es Sp cialit g nie m canique Raymond ROBERT Sherbrooke Qu bec Canada Octobre 2007 Wane ivi Library and Archives Canada Published Heritage Branch 395 Wellington Street Ottawa ON K1A ON4 Canada NOTICE The author has granted a non exclusive license allowing Library and Archives Canada to reproduce publish archive preserve conserve communicate to the public by telecommunication or on the Internet loan distribute and sell theses worldwide for commercial or non commercial purposes in microform paper electronic and or any other formats The author retains copyright ownership and moral rights in this thesis Neither the thesis nor substantial extracts from it may be printed or otherwise reproduced without the author s permission Biblioth que et Archives Canada Direction du Patrimoine de l dition 395 rue Wellington Ottawa ON K1A ON4 Canada Your file Votre r f rence ISBN 978 0 494 48576 7 Our file Notre r f rence ISBN 978 0 494 48576 7 AVIS L auteur a accord une licence non exclusive permettant a la Bibliotheque et Archives Canada de reproduire publier archiver sauvegarder conserve
100. VY Ve 0 ml s 100 ml et se termine a T 9 secondes De plus le d bit limite expiratoire Ve voir la relation 4 4 calcul partir du mod le th orique est trac sur cette figure On remarque que le d bit expiratoire est largement sup rieur au d bit limite Par cons quent il y a peu de risque de rencontrer ou de provoquer un collapsus expiratoire 5 42 Chapitre 5 Syst me de commande Pva la trach e et Palv pour une Pref 5 cm H20 N oO a O Pression cmH20 ai gt Volume et d bit ml et ml s Temps sec Fig 5 29 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire de type collapsus La pression de r f rence est 5 cm H O La figure 5 30 A pr sente la r ponse du syst me en boucle ferm e suite un chelon de consigne pour une pression de r f rence 0 cm H20 De nouveau la r ponse du syst me est conforme aux exigences d finies Le changement important se situe au niveau du plan de phase Dans la figure pr c dente le d bit expiratoire tait une bonne distance du d bit limite Sur la figure 5 30 B on remarque pour les 20 derniers millilitres de volume expirer que le d bit expiratoire est confondu avec la courbe du d bit limite En termes de pression alv olaire une Paw de 2 5 cm HO le risque de provoquer un collapsus est plus important Cependant en simulation la r
101. anson RD Johannigman JA Campbell RS Davis K Jr Closed loop mechanical ventilation Respir Care 2002 Apr 47 4 427 51 discussion 451 3 67 Chatburn RL Primiano FP Jr A new system for understanding modes of mechanical ventilation Respir Care 2001 Jun 46 6 604 21 2 58 Chapitre 2 Etats des connaissances 3 Mod le stationnaire Dans ce chapitre le mod le utilis pour comprendre la limitation du d bit expiratoire dans les voies respiratoires sera expos La premi re section d crit la g om trie pulmonaire utilis e ainsi que les quations g n rales qui gouvernent le mod le La section suivante pr sente une mise l chelle de la g om trie pulmonaire humaine afin de mieux repr senter l agneau nouveau n Cette mise l chelle est n cessaire car pour l instant il n y a pas de r sultats exp rimentaux disponibles sur l enfant pour valider le mod le pulmonaire En troisi me partie les r sultats num riques sont illustr s et comment s pour mieux comprendre les limitations du d bit expiratoire en VLT et l implication que cela peut avoir sur la strat gie de ventilation Finalement la validation exp rimentale du mod le sera pr sent e dans la derni re section 3 1 Mod le math matique 3 1 1 Description de la g om trie pulmonaire La g om trie retenue pour mod liser l arbre pulmonaire est le mod le de Weibel d crit la section 2 3 de l tat des connaissances 3 1
102. apitre 3 Mod le stationnaire Finalement la loi de tube pour chaque g n ration est calcul e en utilisation l quation 3 1 Les courbes r sultantes sont trac es dans la figure 3 7 Dans ces relations a A Am et les valeurs num riques sont indiqu es dans le tableau 3 3 Tableau 3 3 Dimensions relatives aux voies respiratoires chez l agneau Am 10m L 10 m a mPa Z Qo ny nz 0 0 44 50 00 0 882 0 11 0 5 10 1 0 49 26 04 0 882 0 11 0 5 10 2 0 55 10 39 0 686 0 51 0 6 10 3 0 81 4 16 0 546 0 80 0 6 10 4 0 88 6 95 0 428 1 00 0 7 10 5 1 03 5 74 0 337 1 25 0 8 10 6 1 40 4 92 0 265 1 42 0 9 10 7 221 4 16 0 208 1 59 10 10 8 3 09 3 50 0 164 1 74 10 10 9 4 86 2 95 0 129 1 84 10 10 10 6 63 2 57 0 102 1 94 1 0 10 11 9 57 2 13 0 080 2 06 10 9 12 11 8 1 81 0 063 2 18 10 8 13 19 1 1 48 0 049 2 26 10 8 14 31 7 1 26 0 039 2 33 10 8 15 55 2 1 09 0 031 2 39 10 7 16 97 9 0 93 0 024 2 43 10 7 3 14 Chapitre 3 Mod le stationnaire Loi de tube pour les g n rations indiqu es Fig 3 7 Variation de la section des voies respiratoires adimensionn es en fonction de la pression transmurale Ptm pour quelques g n rations z 3 2 3 Longueur des voies respiratoires Pour la longueur des voies respiratoires chez l enfant Lambert reprend l quation 3 2 en indiquant que le volume de tissu et la capacit pulmonaire totale est de 1200 ml et 4840 ml chez l adulte Pour l enfant ces valeu
103. arque sur la figure 2 14 un quilibrage de la pression AP lors d une occlusion instantan e en fin d inspiration Ce ph nom ne d montre qu il y a un coulement entre les deux cavit s pour quilibrer la pression alv olaire Pour consid rer le mod le deux compartiments non lin aire il est possible d utiliser l quation 2 15 pour rendre la r sistance des voies respiratoires non lin aire 2 24 Chapitre 2 Etats des connaissances 2 3 4 Mod les physiologiques 2 3 4 1 G n ralit Les syst mes de ramification au niveau des syst mes biologiques peuvent tre organis s sous diff rentes structures chaque bifurcation la branche primaire peut se diviser en deux dichotomie trois trichotomie ou m me plusieurs polychotomie branches secondaires Lorsque le syst me est dit sym trique chaque branche primaire se divise en deux branches secondaires identiques En contrepartie un syst me o les branches secondaires sont de dimensions diff rentes implique une asym trie Cette asym trie peut varier au sein des poumons selon la zone dans laquelle la division prend place 2 3 4 2 Mod le dichotomique sym trique Le mod le dichotomique sym trique est une repr sentation simplifi e de la r alit Pour ce mod le on ne fait aucune distinction entre le poumon droit et gauche ainsi que sur sa structure interne Il a t d crit par Ewald R Weibel en 1963 Ainsi chaque branche primaire donn
104. ateur en pression Diff rents m canismes devront tre la disposition des op rateurs du respirateur dont un ajustement manuel de la pression de r f rence et du gain statique du contr leur Lors des exp rimentations in vitro l accessibilit ces param tres tait n cessaire Finalement le passage l humain devra tre franchi Si le r gulateur en pression d montre son efficacit l tape suivante sera le d veloppement de la plateforme logicielle conforme aux exigences des organismes de certifications et l tablissement d un protocole de recherche clinique phase I La mise en place de ce contr leur devrait liminer les collapsus expiratoires Dans l optique d offrir cette technologie des cliniciens non familiers avec la VLT le r gulateur en pression facilitera la transition entre la ventilation gazeuse et la ventilation liquidienne totale Maintenant la t che des ing nieurs et des cliniciens sur ce projet est de transformer la connaissance et l expertise acquise au cours de ces ann es de recherche en moyen concret par le d veloppement d un nouveau prototype afin d apporter plus d espoir aux patients atteints de probl mes respiratoires s v res Annexe Mod le stationnaire A 1 Diff rentiation de l quation de Bernoulli Pour d terminer la relation de la pression transmurale Ptm en fonction de la distance dx pour la g n ration z l quation de Bernoulli doit tre diff r
105. ation et V est le volume expir Palv Ve Poumons Fig 4 2 Mod le pulmonaire du 1 ordre Les sections suivantes pr sentent l estimation des termes d lastance E et de r sistance Ry a partir des simulations r alis es avec le mod le num rique complet cal sur les mesures exp rimentales chapitre 3 4 3 Chapitre 3 Mod le stationnaire 4 1 2 Mesure de l lastance La figure 4 3 pr sente la variation de l lastance statique en fonction de la pression alv olaire Palv pour diff rents volumes courants Vt Ces courbes ont t trac es l aide des courbes PV du chapitre 3 On observe une variation de l lastance de 0 45 0 25 cm H2O kg ml sur l intervalle de pression pr sent La valeur de l lastance utilis e pour le mod le est la moyenne de l lastance soit 0 30 cm H20 kg ml Cependant les valeurs minimale et maximale serviront au cours de la validation du contr leur lastance en fonction de la Palv pour diff rents Vt 0 5 T T T T T T T PRE T bo Vt 15 ml kg OAS pairean etaan bazaga eee DRE coses Vt 20 ml kg i i i i Vt 25 ml kg aa ea ae iter aici al a Vt 30 mi kg i j i 1 i i i Pn oh oa res caer aca as p Fo Fr a se D i i t 0 1 1 a i ne ae eee n hme ETT SN Dee ee ee ee ee a I i i Bings P EN ee er Sa 1 1 0 25 4 d sssee Aie se re oe PRE nee PL J 2 i j i i i i i l Co I I i I 1 1 1 I B 0 2 aka ae ae SE
106. bles explicatives sont x n V n V2 n 5 Les param tres recherch s sont w n R R2 White Noise Ste p Repeating Multiport Swit Sequence itch Scope data To Workspece Fig 4 6 Sch ma bloc du mod le pulmonaire du 1 ordre sous Simulink avec une r sistance non lin aire Tableau 4 2 Param tres utilis s pour la validation th orique du RLS Les valeurs sont index es par rapport la surface corporelle pour les r sistances et par rapport au poids pour l lastance Peip Ri R gt R E cmH 0 cmH O0sm ml _ cm H O m m cm H 0s m ml _ cmH 0 kg ml Test 1 10 0 015 0 0005 0 0 30 Test 2 10 0 030 0 0010 0 0 30 Test 3 10 0 060 0 0015 0 0 30 Test 4 10 0 030 0 0010 0 0011 0 30 Test d identification en pr sence d un collapsus Chapitre 3 Mod le stationnaire Collecte et pr paration des signaux Les signaux de la figure 4 7 et 4 8 ont t g n r s sans et avec bruit de mesure bruit blanc L volution du volume expir en fonction du temps est une exponentielle volume courant Vt 30 ml kg temps expiratoire Te 8 secondes constante de temps Te 6 secondes Ce profil reproduit ce qui est typiquement utilis lors des essais exp rimentaux sur agneaux Ainsi l efficacit de l algorithme RLS X sera valid e pour identifier la r sistance Ry en omettant R3 le troisi me terme au niveau de la r sistance non lin aire lorsque le d bit n est pas
107. c bruit de mesure avec le profil volumique exponentiel et en utilisant la r sistance pulmonaire non lin aire pr sent e la section 4 1 3 Pour assurer une bonne immunit au bruit le coefficient d oubli a t fix 0 99 pour tous les tests R sultats des simulations La figure 4 10 pr sente le r sultat de l identification sans bruit de mesure Apr s moins de 0 5 seconde l algorithme RLS A converge vers les valeurs exactes de Rj et R2 La figure 4 11 pr sente la convergence de l algorithme en pr sence de bruit de mesure sur la pression trach ale Apr s 2 secondes les param tres identifi s ont converg vers les valeurs exactes voir le tableau 4 2 En ayant une fr quence d chantillonnage de 50 Hz les param tres ont t identifi s en utilisant environ 100 chantillons Chapitre 3 Mod le stationnaire 4 R2 0 T T pees d esse nan en nn nl ET E E maaan eoeemes s TEEPA ENIE PEA EEE TER ED ie eters 2 Fi eee 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Erreur 2 I T r i 0 i l i 2 i l 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Temps sec Fig 4 10 R sultats de l identification avec l algorithme RLS X sans bruit de mesure avec un profil volumique exponentiel La figure 4 12 pr sente le r sultat avec le test 4 soit l identification avec bruit de mesure lors de l occurrence d un collapsus expiratoire Lors du d veloppement de ce dernier aux environs de 3 5 se
108. cal ventilation Rh z ns Switzerland Hamilton Medical Scientific Library 1999 36 Bachofen H Hildebrandt J Bachofen M Pressure volume curve of air and liquid filled excised lungs surface tension in situ JAP 1970 oct 29 4 422 31 37 Tarczy Hornoch P Hildebrandt J Standaert TA Jackson JC Surfactant replacement increases compliance in premature lamb lungs during partial liquid ventilation in situ J Appl Physiol 1998 April 1 84 4 1316 22 38 Salazar E Knowles JH An analysis of pressure volume characteristics of the lungs J Appl Physiol 1964 January 1 19 1 97 104 39 Venegas JG Simon RS Harris BA A Comprehensive Equation for the Pulmonary Pressure Volume Curve JAP 1998 84 1 389 95 40 Melo e Silva Cesar Augusto Ventura Carlos Eduardo Gaio dos Santos A Simple Model Illustrating the Respiratory System s Time Constant Concept Advan Physiol Edu 2006 September 1 30 3 129 30 41 Dawson SV Elliott EA Wave speed limitation on expiratory flow a unifying concept J Appl Physiol 1977 Sep 43 3 498 515 42 Johnson AT Biomechanics and Exercise Physiology New York NY John Wiley amp Sons Inc 1991 43 Otis AB Fenn WO Rahn H Mechanics of Breathing in Man JAP 1950 may 2 592 607 2 56 Chapitre 2 tat des connaissances 44 Ferris Jr B G Mead J Opie LH Partitioning of Respiratory Flow Resistance in Man J Appl Physiol 1964 19 4 653 8 45 Briscoe WA Dubois AB The Relationship Betw
109. ce and outcomes of acute lung injury N Engl J Med 2005 Oct 20 353 16 1685 93 3 Walti H Le poumon du pr matur In Dehan M Micheli J editors Le poumon du nouveau n Paris Doin 2000 4 Cox CA Wolfson MR Shaffer TH Liquid Ventilation A Comprehensive Overview Neonatal Network 1996 apr 15 2 31 43 5 Sekins Michael K Shaffer Thomas H Wolfson Marla R Liquid Lavage Ventilation of the Pulmonary System Canada patent CA 2035492 1991 August 20 6 Clark LC Jr Gollan F Survival of mammals breathing organic liquids equilibrated with oxygen at atmospheric pressure Science 1966 Jun 24 152 730 1755 6 7 Parker James C Liquid Ventilator System and Use Thereof Mobile Ala patent us5706830 1998 jan 13 8 Hirschl RB Parent A Tooley R McCracken M Johnson K Shaffer TH et al Liquid ventilation improves pulmonary function gas exchange and lung injury in a model of respiratory failure Ann Surg 1995 Jan 221 1 79 88 9 Hirschl RB Tooley R Parent AC Johnson K Bartlett RH Improvement of gas exchange pulmonary function and lung injury with partial liquid ventilation A study model in a setting of severe respiratory failure Chest 1995 Aug 108 2 500 8 10 Pedneault C Renolleau S Gosselin R Letourneau Praud J P Total Liquid Ventilation Using a Modified Extra Corporeal Gas Exchange Circuit Preliminary Results in Lambs Pediatr Pulmonol 1999 18 A241 Chapitre 1 Introduction 11 Wolfson MR Gree
110. condes on remarque une divergence de erreur ainsi qu une augmentation marqu e des param tres R et Rz Par cons quent le RLS X peut servir d tecter le collapsus expiratoire en surveillant l volution de l erreur Chapitre 3 Mod le stationnaire He il dt I H me j hy 3 acs 5 6 7 8 Fig 4 11 R sultats de l identification avec l algorithme RLS A avec bruit de mesure avec un profil volumique exponentiel 10 T T T T T ORM store ae raie anarian eee ia _ E CEE ee 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Temps sec Fig 4 12 R sultats de l identification avec l algorithme RLS A avec bruit de mesure lors de l occurrence d un collapsus expiratoire 4 13 Chapitre 3 Mod le stationnaire 4 1 4 2 Validation exp rimentale in vivo Les signaux exp rimentaux utilis s pour tester le RLS A sont pr sent s la figure 4 13 cas typique Lors des exp rimentations animales les signaux taient enregistr s avec un mot binaire permettant de distinguer les diff rentes phases du cycle respiratoire phase inspiratoire fin d inspiration expiration et fin d expiration Gr ce a cette s quence les signaux propres a chaque phase expiratoire peuvent tre extraits et trait s individuellement Le signal volumique au niveau de la pompe ainsi que le signal de pression trach ale ont t utilis s pour l identification De nouv
111. de l anglais Elastic Recoil Pressure Peep Pa cm H20 pression positive de fin d expiration de l anglais Positive End Expiratory Pressure Peip cm H20 pression positive de fin d inspiration de l anglais Positive End Inspiratory Pressure Pr Pa cm H20 pertes de charge dans le circuit du ventilateur Ptm x Pa cm H20 pression transmurale au niveau de la g n ration z a la position x dans la voie respiratoire Ppl Pa cm H20 pression pleurale Pref Pa cm H20 pression de r f rence pour le contr le en pression Re adim nombre de Reynolds R cm H20 s ml r sistance des voies respiratoires R cm H20 s ml premier coefficient de l quation de la r sistance non lin aire R2 cm H 0 s ml second coefficient de l quation de la r sistance non lin aire R3 cm H0 s7 ml troisi me coefficient de l quation de la r sistance non lin aire Ra Q r sistance du bobinage moteur Roi cm H2O s m premier terme de r sistance non lin aire du circuit du ventilateur XVII Rez Rw RC Max Riineaire SC Te Ti Te td Vmin VRE VRI VR Vref Vref Vissu AV Vt cm H2O stm second terme de r sistance non lin aire du circuit du ventilateur Expression pour la r sistance non lin aire des voies respiratoires cm H20 s ml r sistance born e pour le circuit du ventilateur cm H20 s ml r sistance born e pour les voies r
112. de mesure et les diff rents ph nom nes que l on pourra rencontrer exp rimentalement Un filtre passe bas est pr sent pour filtrer les bruits de mesure Perturbations DATES Prop SEE Us gt Contr leur m gt Fig 5 11 Structure d taill e de la r gulation en pression 5 3 2 Description du syst me commander Pour le contr le en volume des pompes piston sur le respirateur liquidien la fonction de transfert d crite dans le chapitre pr c dent a t reprise dans ce chapitre l quation 5 17 v s _ 1 U s res 1 s 5 17 Pour effectuer un contr le en pression l quation 5 17 doit tre r crite pour faire appara tre en sortie le terme de pression dans la trach e Pva Pour se faire il faut multiplier la fonction de transfert 5 17 par l expression analytique du syst me pulmonaire pour obtenir la relation 5 18 Le tableau 5 2 donne la valeur et la signification des diff rents param tres de cette relation 5 20 Chapitre 5 Syst me de commande Pva s Rares E K imane OEF U s S T S 1 6 5 18 Avec le syst me pr sent l quation 5 18 on remarque la pr sence d un z ro E R typiquement au environ de 0 1 Hz d un p le z ro int grateur et d un p le qui d pend de la constante de temps lectrom canique du syst me au environ de 8 Hz Tableau 5 2 Valeur des diff rents param tres Param tre Description Valeur
113. e 3 3 2 Analyse du m canisme limitatif Sachant que l coulement peut devenir turbulent la trach e la question est de savoir si la trach e est l endroit limitatif au niveau du d bit expiratoire maximal La figure 3 11 r pond en bonne partie cette question Dans les voies respiratoires centrales z 0 2 le d bit V dans ces g n rations est encore tr s loin du d bit critique Verit voir quation 3 8 Si on regarde l quation 3 6 le d nominateur peut tre n glig car dans ce cas la vitesse de l coulement U est grandement inf rieur la vitesse de propagation d une onde de pression c U lt lt c Le d bit maximal est alors d termin par un couplage entre les pertes de charge par friction visqueuse APv et la section des voies respiratoires A au carr quation 3 9 La section 4 tant d pendante de la loi de tube quation 3 1 qui d finit l lasticit des voies respiratoires il est possible d affirmer que le d bit expiratoire maximal dans les voies centrales est r gi par les pertes par friction visqueuse et par l lasticit des voies respiratoires Ce m canisme de limitation est ind pendant de la pression alv olaire 3 21 Chapitre 3 Mod le stationnaire Courbe IVPD et Vcrit pour les g n rations 0 2 150 ere a ES co eoar Pere Ve ee hi ta eee EE Generation z 0 s we VOI aye Generation z 1 Verity S nenion z 2 V ml s m
114. e commander B 3 Somme des couples au moteur Pour calculer la somme des couples Cmor la somme des forces appliqu es sur la cr maill re se r sume la relation B 27 DEF m Pva P 4 F m cae La pression Py exerc e par le liquide sur le piston est d crite par la relation B 26 Il suffit de multiplier les pertes de charge par la section du piston A pour obtenir la force quivalente En ce qui a trait a la force exerc e sur le piston par les poumons la r sistance des voies respiratoires Ryz et l lastance du syst me respiratoire E permettent de d terminer cette force L quation d taill e pour la r sistance Ry est pr sent e dans le chapitre 4 Si on d veloppe la relation B 27 on obtient Ro uM 0 5pg Ru EV Na F M M prc B 28 Sachant que d bit volumique V A p o est la vitesse de d placement du piston on peut r crire la relation pr c dente pour obtenir Rem A Ru A Ey A 0 5pg4 F M M prc B 29 On peut ensuite regrouper les termes pour obtenir la somme des forces suivante DF M M pro Pe Ro me Ru A2 BA y pgAhA F B 30 e_ Forces statiques Le premier terme tient compte de l inertie de la masse de liquide et des pi ces en mouvement en lien avec l acc l ration du liquide Le second terme fait intervenir les pertes de pression dans le circuit du respirateur Rc wz ainsi que dans les voies r
115. e naissance deux branches secondaires de diam tre et de longueur gales Le r seau de conduits qui en r sulte ressemble un arbre dont le tronc fait figure de trach e Pour le mod le sym trique cet arbre est divis en 24 g n rations z diff rentes Le nombre de branches chaque g n ration est r gi par l quation 2 19 sachant que le num ro de la g n ration pour la trach e est z ro N z 2 2 19 La figure 2 15 pr sente le mod le dichotomique de Weibel avec les diff rentes g n rations Lors de la mod lisation des poumons les g n rations 0 16 servent uniquement conduire I coulement vers les alv oles 2 25 Chapitre 2 Etats des connaissances DEIR e pple a Da MN Conducting zone Transitional and Teonstonl and respiratory zones zones source a 999 Trachea Fig 2 15 G n ration pour le mod le sym trique de Weibel BR bronches BL bronchioles TBL bronchioles terminales RBL bronchioles respiratoires AD conduits alv olaires AS sacs alv olaires 2 3 4 3 Mod le dichotomique asym trique Le mod le dichotomique asym trique tend mieux repr senter l arbre pulmonaire Horsfield et coll furent les principaux auteurs de cette recherche et pr sentent deux mod les Diff rents auteurs ont par la suite expos des versions plus conviviales du premier mod le de Horsfield k 53 Horsfield a d fini deux mod les pour repr senter les pou
116. e sur une expiration r gul e en pression La conception du contr leur est bas e sur les mod les des poumons et du syst me de pompage Le contr le en pression est une approche couramment utilis e sur les ventilateurs gazeux et elle s av re parfaitement applicable la VLT Ainsi pour un clinicien ce mode de contr le permet l limination et la gestion des collapsus expiratoires Remerciements Je veux d abord remercier particuli rement mes co directeurs de th se Philippe Micheau co fondateur du groupe de recherche Inolivent et professeur l Universit de Sherbrooke et Herv Walti directeur du groupe de recherche Inolivent et n onatologiste au Centre Hospitalier Universitaire de Sherbrooke Au cours de ces ann es de travail ils m ont dirig guid et support afin que je puisse mener bien ce projet de recherche Je voudrais aussi remercier le p diatre Jean Paul Praud et le r animateur Olivier Lesur qui ont su amener et partager leurs connaissances pour la r ussite de ce projet Je tiens remercier la Fondation de la Recherche sur les Maladies Infantiles dont leur support a permis de faire progresser la recherche en VLT Je d sire saluer le travail de Johann Lebon avec lequel j ai pass plusieurs heures en exp rimentation Sa contribution a permis l obtention de r sultats significatifs qui motivent la poursuite des recherches en VLT Un remerciement aux techniciens nes animaliers res pour leur
117. e 5 cm HzO au dessus de la Peep La pression de r f rence est alors calcul e selon l quation 2 29 P ef Peep P in_use k 2 29 Le volume d livr a la P est mesur et la compliance dynamique apparente du syst me respiratoire est calcul e Grace a ces donn es il est possible de calculer la nouvelle pression de consigne Pcarc selon l quation 2 30 Vt in_use k Vt m Pe LC K 2 30 O Vta Volume courant demand Vtm Volume courant mesur Les trois cycles respiratoires suivants sont effectu s un niveau de P ef calcul partir des quations 2 31 et 2 32 Piga Peace g Pn uea 2 31 Prag teary Pc 9 75 X Pag cay 2 32 De respiration en respiration la variation maximale du niveau de pression de r f rence est de 3 cm H20 L intervalle de P va de la Peep a 5 cm H20 sous la limite sup rieure en pression La fin de la phase inspiratoire survient lorsque le d bit est inf rieur 4 5 du d bit maximal ou si le temps d inspiration T est sup rieur ou gal 80 du temps de cycle total 2 41 Chapitre 2 Etats des connaissances P a cm H20 D bit L min Vt ml a Pressure support unchanged Calculate new pressure support Calculate system compliance Pressure support set based on VUcompliance Breath ON i Insp flow lt 5 Trigger gt of peak flow Cycled off inspiration Ti280 set cycle
118. e Rc max pour le PFOB et le PFDEC est indiqu e dans le tableau 4 6 De nouveau pour obtenir la force exerc e sur le piston il suffit de multiplier la pression Py par la section du piston P lt Ro maV pour V lt 30 ml s 4 17 4 24 Chapitre 3 Mod le stationnaire Tableau 4 6 Coefficients Rc max pour le PFOB le PFDEC et l eau tube endotrach al de 5 5 mm PFOB PFDEC Eau Unit Re mx 1 44x 10 1 69x10 7 48 x 10 cmH20 s m 80 Fe 60l Pertes de charge cmH 0 D bit ml s Fig 4 21 Pertes de charge dans le circuit fluide en fonction du d bit et borne fix e un d bit expiratoire de 30 ml s PFOB Cette approximation sous estime les pertes de pression d bit important et surestime l g rement les pertes bas d bit Donc elle est valable uniquement autour du point d op ration choisi 4 4 3 R duction du mod le Une fois toutes les relations tablies pour chaque partie de la figure 4 1 il est possible de les regrouper pour obtenir la fonction de transfert du syst me entre la position du piston V et la commande au moteur U Pour se faire les quations 4 13 4 15 sont transpos es dans le domaine de Laplace en utilisant les relations lin aires pour les r sistances du circuit fluide et 4 25 Chapitre 3 Mod le stationnaire pulmonaire La fonction de transfert r sultante est pr sent e en 4 18 voir en annexe B pour plus de d tails Le
119. e Shaffer a brevet un respirateur liquidien total qui utilise une pompe p ristaltique pour forcer le PFC au travers d une boucle de ventilation et de r g n ration Cependant ce 2 1 Chapitre 2 Etats des connaissances type de pompe g n re un coulement puls ce qui induit des oscillations sur les mesures de x i i za 3 7 11 13 pression Les respirateurs r cemment d velopp s utilisent une pompe piston pour mouvoir le PFC Dans la majorit des prototypes une pompe est d di e l inspiration et une seconde a l expiration et les pistons sont d plac s simultan ment par une plateforme unique 2 L changeur gazeux est un l ment crucial dans l efficacit de la VLT car il doit extraire compl tement le CO contenu dans le PFC pour le remplacer par de 1 O2 avant que le liquide ne soit r introduit dans les poumons du patient Pour tre en mesure d effectuer efficacement l change gazeux plusieurs respirateurs sont quip s d un oxyg nateur sanguin extracorporel 13 14 Cet quipement renferme une membrane de silicone double parois entre lesquelles un coulement d O pur circule l coulement de PFC s effectuant l ext rieur de celle ci L inconv nient majeur est que le PFC extrait les huiles contenues dans la silicone et les effets sur le patient ne sont pas encore connus De plus le liquide traverse la membrane et se retrouve dans l coulement d
120. e d essais exp rimentaux a t effectu e sur des agneaux poumons pathologiques Pour reproduire une aspiration de liquide gastrique les poumons ont t lav s 2 4 fois l acide chlorhydrique Ce lavage a reproduit un syndrome de d tresse respiratoire aigu SDRA par agression directe des poumons aspiration gastrique En SDRA 11 agneaux ont t utilis s en VLT et s par s en deux groupes soit 5 pour PFOB et le 6 pour le PFDEC Le capteur de pression trach ale a t remplac pour liminer les probl mes de d rive Ainsi les valeurs calcul es peuvent tre r f renc es ad quatement par rapport la pression alv olaire Palv Durant la VLT des collapsus expiratoires sont survenus Pva lt 30 cm H20 et les r sultats qui seront pr sent s dans les figures en t moigneront Finalement l aide de tous ces r sultats exp rimentaux l objectif poursuivi est de faire ressortir le d bit volumique expiratoire maximal exp rimental en fonction de la pression alv olaire Palv Les sous sections qui suivent d crivent la d marche en d tail 3 33 Chapitre 3 Mod le stationnaire 3 4 1 Traitement pr alable des signaux exp rimentaux Le traitement des r sultats se fait en plusieurs tapes D abord la pr sence d un nombre binaire au niveau des r sultats exp rimentaux bruts permet de s parer chaque cycle respiratoire en quatre phases distinctes Comme il est illustr sur la figure 3 19 ces phases
121. e du z ro comportement int grateur En basse fr quence l int grateur 1 s introduit un d phase de 90 degr s et une pente sur le module de 20 dB d cade 2 Du z ro au p le m canique soit de 0 1 Hz 8 Hz gain constant Le syst me m canique vient moduler cette phase jusqu la fr quence associ e la constante de temps du syst me lectrom canique soit 8 Hz 3 8 Hz et plus comportement d un syst me de 1 ordre La phase est constante 90 degr s et la pente sur le module est de 20 dB d cade 4 100 Hz et plus toutes les dynamiques non mod lis es cause des diff rentes dynamiques hautes fr quences qui n ont pas t mod lis es ou qui ont t simplifi es la phase devrait tre en dessus des 90 degr s Ces derni res r duisent la marge de phase et donc la robustesse du contr le Lieu de Bode de la fonction de transfert 100 l r meree eee r T 50 1 int grateur 2 Gain constant 3 Syst me d z p le z ro m pe st 4er ordre c PAS tase dE Or EN OU ity ie a Fr 7 Influence du p le ee i Influence duz ro m canique 50 n ET sal ssl ph NE TE TEE 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 0 T ot T T
122. e en cycle Comme pour le mode VA une respiration t moin est effectu e et la compliance dynamique Cy apparente du syst me pulmonaire est calcul e En r utilisant les quations 2 30 2 32 la pression de r f rence pour les trois cycles suivants est calcul e Au cours des respirations suivantes la pression de r f rence sera modifi e corrections maximale de la pression lt 3 cmH20 pour rencontrer le V demand La limite en pression peut fluctuer entre 5 cmH gt 0O au dessus de la Peep et 5 cmH 0 sous la limite de la pression inspiratoire maximale Pressure limit unchanged Calculate new pressure limit Calculate system compliance Pressure limit set based on Vicompliance Cycled off inspiration BreathON ce Trigger Fig 2 25 Algorithme de d cision pour le mode ventilatoire volume contr l r gulation de pression 2 44 Chapitre 2 Etats des connaissances Resp t moin 75 Pref P a cm H20 D bit L min Vt ml A B Fig 2 26 volution des respirations au cours du mode ventilatoire VCRP Le temps pour la phase inspiratoire et expiratoire est fix Consid rations Comme c est le cas avec le mode VA le mode VCRP fournit un V constant et r duit automatiquement la limite en pression lorsque le patient est en r mission Il permet aussi de maintenir un V plus r gulier lorsque la compliance pulmonaire change L avantage
123. e la r sistance 4 24 Fig 4 21 Pertes de charge dans le circuit fluide en fonction du d bit et borne fix e un d bit expiratoire de 30 ml s PFOB 4 25 Fig 4 22 Mod le simulink pour valider la mod lisation du circuit fluide ainsi que du moteur 4 28 Fig 4 23 R ponse simul e du mod le non lin aire avec Simulink 4 28 Fig 4 24 R ponse du mod le non lin aire dans Simulink lorsque les termes pgh et de friction au niveau du joint du piston sont retir s 4 29 Fig 4 25 Sortie des mod les ARX et non lin aire sous Simulink Les traces sont pratiquement identiques ___ 4 31 Fig 4 26 R ponse exp rimentale de la pompe en utilisant un sinus glissant comme consigne la pompe _____ 4 32 Fig 4 27 Signal exp rimental dont la tendance la d rive a t retranch e 4 33 Fig 4 28 Sortie du mod le ARX et des r sultats exp rimentaux Les traces sont de nouveau pratiquement identiques 4 34 Fig 5 1 Exemple de respirations en mode VCi VCe lors d une ventilation liquidienne totale 5 3 Fig 5 2 Exemple de respirations en mode VCVi PCVe lors d une ventilation liquidienne totale 5 5 Fig 5 3 Algorithme de d cision pour le mode VCVi PCVe 5 6 Fig 5 4 Exemple de respirations en mode VCi VCRPe lors d une ventilation liquidienne totale 5 8 XII Fig 5 5 Algorithme de d cision pour le mode VCi VCRPe 5 9 Fig 5 6 Sch ma bloc du contr le en d bit lors de l e
124. e type collapsus La pression de r f rence Prep 0 cm H20 5 44 XM Fig 5 31 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire de type collapsus La pression de r f rence P e 10 cm H30 5 45 Fig 5 32 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire de type collapsus La pression de r f rence Per 2 cm H30 5 46 Fig 5 33 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire de type collapsus La pression de r f rence P e 2 cm H20 et le gain statique du contr leur a t multipli par 0 3 5 47 Fig 5 34 Montage in vitro pour tester le contr leur propos 5 48 Fig 5 35 R sultat in vitro sur le montage exp rimental pour une r sistance R importante 5 49 Fig 5 36 R sultat in vitro sur le montage exp rimental pour une r sistance R faible 5 50 Fig A 1 Courbe DEMV ainsi que quelques indications pour trouver le profil optimal et le temps d expiration minimum A 4 Fig B 1 Description du parcours du PFC travers les composantes du respirateur lors d une expiration B 3 Fig B 2 R sultats du calcul des pertes de charge pour diff rents diam tres de tube endotrach al et en fonction du d bit volumique expiratoire PFOB B 7 Fig C 1 Description du parcours du PFC au travers du montage exp rimental servant reproduire les poumons _ C 4
125. eau la pression r sistive au niveau des voies respiratoires Paw et le d bit expiratoire d rivation du signal volumique ont t calcul s avant l identification par le RLS X Les r sultats de l identification sont pr sent s la figure 4 14 L algorithme RLS X converge entre 100 et 150 chantillons vers les param tres R 0 052 cm H20 s m ml et R gt 5 3x10 cm HO s m ml La valeur du param tre R est l g rement sup rieure ce qui a t calcul e partir du mod le et le terme R gt est inf rieur voir le tableau 4 1 La figure 4 15 pr sente un collapsus expiratoire obtenu lors des exp rimentations animales Lorsqu on identifie les param tres l aide du RLS X figure 4 16 on observe partir de l chantillon 200 une divergence de l erreur ainsi qu une augmentation marqu e des param tres R et R2 Comme il a t d montr lors de la validation th orique le RLS X peut donc servir d tecter le collapsus expiratoire en surveillant l volution de la moyenne de l erreur En r sum le RLS X permet d identifier ad quatement les termes de r sistance R et Rz de l quation de Rohrer lorsqu il n y a pas de collapsus expiratoire Pour d terminer les param tres moyens pour R et Rz le RLS A a t appliqu sur tous les cycles des 19 essais en VLT sur agneaux sains et malades avec le PFOB et le PFDEC La technique employ e est la m me qui a t d crite au d but de cet
126. ed Ventilation An Alternative Respiratory Modality Pediatr Pulmonol 1998 26 42 63 19 Hirschl RB Pranikoff T Gauger P Schreiner RJ Dechert R Bartlett RH Liquid ventilation in adults children and full term neonates Lancet 1995 Nov 4 346 8984 1201 2 20 Hirschl RB Croce M Gore D Wiedemann H Davis K Zwischenberger J et al Prospective Randomized Controlled Pilot Study of Partial Liquid Ventilation in Adult Acute Respiratory Distress Syndrome Am J Respir Crit Care Med 2002 165 6 781 7 Chapitre 1 Introduction 21 Hirschl RB Tooley R Parent A Johnson K Bartlett RH Evaluation of Gas Exchange Pulmonary Compliance and Lung Injury During total and Partial Liquid Ventilation in the Acute Respiratory Distress Syndrome CCM 1996 jun 24 6 1001 8 22 Shaffer TH Lowe CA Bhutani VK Douglas PR Liquid ventilation effects on pulmonary function in distressed meconium stained lambs Pediatr Res 1984 Jan 18 1 47 52 23 Foust R 3rd Tran NN Cox C Miller TF Jr Greenspan JS Wolfson MR et al Liquid assisted ventilation an alternative ventilatory strategy for acute meconium aspiration injury Pediatr Pulmonol 1996 May 21 5 3 16 22 24 Wolfson MR Greenspan JS Shaffer TH Pulmonary Administration of Vasoactive Substances by Perfluorochemical Ventilation Pediatrics 1996 apr 97 4 449 55 25 Faithfull Nicholas Simon and Weers Jeffry Greg Treatment and Diagnosis of Respiratory Disorders Using Fluorocarbons Liq
127. ed lungs effects of liquid properties J Biomech Eng 2005 Aug 127 4 630 6 22 Iotti GA Braschi A Measurements of respiratory mechanics during mechanical ventilation Rh z ns Switzerland Hamilton Medical Scientific Library 1999 3 45 Chapitre 2 Etats des connaissances 4 Syst me commander La figure 4 1 pr sente le sch ma global du syst me mod liser Le moteur met en rotation le pignon au niveau du r ducteur de vitesse Ce pignon coupl une cr maill re met en translation le piston l int rieur du cylindre de la pompe son tour le liquide est pouss travers le circuit du respirateur pour finalement atteindre les poumons L objectif de cette mod lisation est de d terminer la fonction de transfert entre la commande au moteur U et la position du piston y l int rieur de la pompe mesur e par un potentiom tre Dans la premi re section de ce chapitre le mod le pulmonaire sera r duit pour d terminer une expression analytique de la pression dans la trach e exerc e sur le piston Cette expression sera fonction de la r sistance des voies respiratoires de l lastance ainsi que du d bit Ensuite l expression des pertes de pression dans le circuit fluide du respirateur sera expos e Ces pertes d pendent du d bit dans le tube ainsi que de la g om trie du circuit ventilatoire Finalement les quations pour le syst me moteur seront d velopp es Elles permettront de faire le lien en
128. een Airway Resistance Airway Conductance and Lung Volume in Different Subjects of Different Age and Body Size J Clin Invest 1958 37 1279 1285 46 Bates JHT Hunter IW Sly PD Okubo S Filiatault S Milic Emili J Effect of Valve Closure Time on the Determination of Respiratory Resistance by Flow Interruption Med amp Biol Eng amp Comput 1987 mar 25 136 40 47 Bates JH Rossi A Milic Emili J Analysis of the behavior of the respiratory system with constant inspiratory flow J Appl Physiol 1985 Jun 58 6 1840 8 48 Horsfield K Cumming G Morphology of the bronchial tree in man J Appl Physiol 1968 Mar 24 3 373 83 49 Weibel ER Morphometry of the human lung Berlin Germany Springer 1963 50 Egan DF Scanlan CL Wilkins RL Stoller JK Egan s Fundamentals of Respiratory Care 7th ed St Louis Missouri Mosby 1999 51 Horsfield K Dart G Olson DE Filley GF Cumming G Models of the human bronchial tree J Appl Physiol 1971 Aug 31 2 207 17 52 Gillis HL Lutchen KR How Heterogeneous Bronchoconstriction Affects Ventilation Distribution in Human Lungs A Morphometric Model Ann Biomed Eng 1999 27 1 14 22 53 Polak AG Lutchen KR Computational Model for Forced Expiration from Asymmetric Normal Lungs Ann Biomed Eng 2003 31 891 907 54 Horsfield K Cumming G Angles of branching and diameters of branches in the human bronchial tree Bull Math Biophys 1967 Jun 29 2 245 59 55 Schroter RC Sudlow MF Flow
129. eip 120 T 100 E Limite en pression Pref 80 60 ml s m Vy Pvaio cm H20 Fig 3 16 La limite en pression report e sur les courbes IVPD permet de d duire le d bit expiratoire la Pref Cependant l imposition d une limite en pression Pef 2 cm H20 aura une incidence sur le d bit expiratoire permis dans les voies respiratoires Pour illustrer ce propos la figure 3 15 est reprise en y incluant la variation du volume pulmonaire en fonction du temps la pression de r f rence P e On remarque alors sur la figure 3 17 que le volume pulmonaire expiratoire varie plus lentement la pression de r f rence La cons quence directe est une augmentation du temps expiratoire 3 29 Chapitre 3 Mod le stationnaire Volume pulmonaire expiratoire pour diff rents niveaux de Peip 100 T T l Pas de limite en pression OO Wee DISK nsc gt Pref 2cmH 0 Ha _Peip 16 cmH 20 I I 1 1 Pere Se rE PES arg ET a 1 1 1 1 l Peip 14 cmH20 V ml kg fex O e a DA Temps sec Fig 3 17 Courbe du volume pulmonaire expiratoire en fonction du temps pour une pression de r f rence de 2 cm H O 3 3 5 2 Ventilation minute Avec les courbes de la figure 3 17 il est possible de d terminer le temps d expiration minimum pour diff rent volume courant Vt et niveau de Peip En connaissant le temps d
130. emps d expiration de 20 pour permettre de retirer les millilitres restants Si une diff rence persiste entre le volume inspir et expir le superviseur viendra modifier le volume inspirer pour conserver un volume pulmonaire constant Cette situation correspond en ventilation gazeuse au ph nom ne d auto Peep 5 5 Chapitre 5 Syst me de commande Dans le cas contraire si le volume expirer est retir sur une p riode de temps inf rieure ce qui a t prescrit par le clinicien ce dernier devra modifier manuellement ses param tres ventilatoires Peep et ou temps Dans ce cas le respirateur passe directement la phase suivante du cycle respiratoire ce qui augmente la fr quence respiratoire D part de D partde l inspiration l expiration Inspiration en volume contr l selon les param tres Expiration contr l e en Non pression au niveau fix a Temps insp a V expir a Temps exp a o a Valk 120 To Fig 5 3 Algorithme de d cision pour le mode VCi PCe 5 1 2 1 Consid rations importantes Puisque la r gulation de la pression expiratoire ne se fait pas au niveau de la Peep demand e le d bit la fin de l expiration ne sera pas nul Ainsi le clinicien ne pourra pas utiliser ce crit re pour valider le temps prescrit pour retirer tout le liquide inspir Par contre dans le cas pr cis o le volume expir est inf rieur au volume inspir
131. en fonction du volume de liquide expir Chapitre 3 Mod le stationnaire Courbe PV T T T T PORGE M ne eee ae oe T T nn urs ae iii eae pi ai RS TEE Dar a D 100 Courbes PV ___ ER RNA PES SOSEN Leo generees i Palv Peip 16 cm H20 2 i Peip 14 cm H20 i 80 g i 5 E 60 FETES TEST Qa E w 1 E 1 5 I 40 RATE Vies gt 20 1 i 1 1 4 l l I 1 l I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 J 0 xf k 5 0 5 10 15 20 P a cmH 0 Fig 3 6 Courbes PV expiratoires g n r es avec l quation de Venegas pour diff rentes Peip 3 2 2 Sections des voies respiratoires Plus r cemment Lambert a d montr que les poumons d un enfant ne sont pas simplement une version r duite des poumons adultes Il a donc propos de nouvelles valeurs pour mieux repr senter la section des voies respiratoires chez l enfant Gr ce ces valeurs le diam tre de la trach e chez l enfant est estim 8 74 mm Or lors des exp rimentations animales un tube endotrach al ayant un diam tre ext rieur de 7 5 mm 5 5 mm de diam tre int rieur s ins re de fa on ajust e au niveau de la trach e pour un agneau de 4 kg Cette valeur a donc t s lectionn e comme diam tre pour la trach e d un agneau Donc les sections propos es par Lambert t mises l chelle pour l agneau en utilisant un facteur de 0 736 rapport des diam tres au carr Ch
132. en utilisant les r sultats exp rimentaux pr sent s dans les figures 3 2 et 3 3 Ensuite la moyenne de ces param tres a t utilis e pour tracer la courbe PV moyenne de la figure 3 4 Les coefficients sont num r s dans le tableau 3 1 pour le PFOB et le PFDEC Tableau 3 1 Param tres de l quation de Venegas pour les courbes PV moyennes pour le PFOB et le PFDEC An Bin Cm An ml kg ml kg cmH2 0 cmH20 PFOB 3 47 118 6 8 4 9 PFDEC 7 14 91 7 4 6 0 Pour illustrer l effet de l hysteresis sur les r sultats du mod le cette derni re est abord e comme une erreur possible sur le volume pulmonaire La r gion ombrag e sur la figure 3 5 illustre cette zone d erreur pour l ensemble de la courbe PV moyenne Par exemple pour une pression alv olaire de 10 cm H20 le volume pulmonaire moyen est d environ 83 15 ml kg L erreur maximale sur le volume pulmonaire a t fix e 15 ml kg 3 10 Chapitre 3 Mod le stationnaire NN i aaa aaa Courbe PV moyenne 140 z T E T j f Courbe PV expiratoire Venegas 420 z Se aeS ro 400 ann gh fh gh EE EEE Volume pulmonaire ml kg ml P a cmH 0 Fig 3 4 Courbes PV inspiratoire expiratoire et moyenne pour le PFOB trac es gr ce l quation de Venegas en fonction des r sultats exp rimentaux Courbe PV moyenne 140 120 Volume pulmonaire ml kg Pay mH Fig
133. enci e par dx Pim Py gt PU APvdx pgh Al Sachant que le terme hydrostatique pgh peut tre n glig on obtient l quation suivante let E pu Le APv A2 dx dx 7 Si on remplace la vitesse de l coulement U la g n ration z par son quivalent soit le d bit volumique V divis par la section A la g n ration z U V A on obtient la relation T LA at er APv A 3 dx A dx La section 4 varie en fonction de la position dx alors que le d bit volumique reste constant On peut donc r crire 72 1 dPim __ Vedas apy 7 dx A dx A 1 Annexe A Mod le stationnaire Si on d rive cette relation on obtient Pt Vo dA Zm pate ap AS On regroupe ensuite les termes en dx gauche de l galit dPt V dA 10 RS APy_ A6 dx A dxdPtm z Pour finalement obtenir la relation dPtm APv Ea Se ae 7 A 7 I p 4 dim Sachant que l quation de la vitesse de propagation d une onde de pression dans un tube flexible est c A pdA dPtm et en utilisant U V A l quation finale est trouv e dPtm APv amp joe A 8 A 2 quations du profil expiratoire optimal Dans ce mod le la variable contr l e est le d bit volumique V Pour viter le collapsus expiratoire ce d bit doit tre sup rieur ou gal la courbe DEMV s lectionn e Cette courbe repr sent e ici par une fonction f x x2 Xn d pend de
134. entale par quelques quipes Les conclusions de ces tudes mentionnent que le d bit le type de pompe 8 les conditions initiales des poumons ainsi que les propri t s du liquide ont une influence sur le d bit expiratoire maximal En ventilation gazeuse plusieurs mod les ont t d velopp s pour d crire la m canique respiratoire Plus particuli rement le mod le de Lambert permet de comprendre la limitation du d bit expiratoire lors d une expiration forc e Ce dernier repr sente bien une expiration forc e en VLT sachant que l effort expiratoire est fourni par le respirateur liquidien Pour viter le collapsus expiratoire la majorit des quipes a impos des limites en pression 36 41 42 Si la limite haute est atteinte haute pour viter les barotraumatismes et basse inspiration est interrompue Il en va de m me pour l expiration si la limite basse est atteinte l expiration est interrompue Chapitre 1 Introduction En pratique clinique il n est pas vident pour le personnel soignant de g rer continuellement ces situations Pour amener la ventilation liquidienne en soins intensifs il donc est primordial de modifier la strat gie de contr le au niveau de l expiration pour rendre ces limitations transparentes l utilisateur Pour g rer en partie l occurrence des collapsus expiratoires l quipe Inolivent a mis en place un superviseur qui ajuste le volume inspir au volume expir pou
135. environ 5 10 du volume courant Donc l quation 5 14 permet de d terminer la variation de la Peep APeep en rapport avec l erreur expiratoire calcul e e k et la compliance dynamique mesur e Co APeep k 1 ad 5 14 dyn Si APeep est sup rieure 1 cm H20 la variation est fix e 1 cm H20 et l erreur est ajust e en cons quence voir les quations 5 15 et 5 16 Dans le cas contraire la variation du volume pulmonaire AV est proportionnelle a l erreur ee k et cette derni re est mise z ro penile a k si APeep gt 1cmH 0 e k si APeep lt 1cmH O 5 15 eae le k AV k 1 3 APeep gt 1 cmH O tee 0 si APeep lt 1cmH O 5 19 Chapitre 5 Syst me de commande 5 3 R gulateur en pression mode expiratoire PCe et VCRPe 5 3 1 Structure d taill e La structure g n rale pr sent e a la figure 5 9 est d taill e la figure 5 11 pour pr senter l interaction entre les diff rents syst mes Dans le chapitre pr c dent les syst mes commander incluant les poumons le circuit du respirateur et le moteur ont t d crits Ce travail a permis de d terminer la relation entre la commande U et le d placement du piston dans la pompe Dans l optique de r guler la pression dans la trach e le contr leur ajustera la commande U en fonction de la pression mesur e la trach e Pva et de la r f rence demand e P e Les perturbations indiqu es sur cette figure viendront reproduire les bruits
136. erme a doit tre dans l intervalle 0 00232 lt a lt 0 00495 pour obtenir un contr leur stable et la valeur choisie pour a 0 0049 Prendre cette valeur permet de positionner un p le pr s du z ro tr s lent ce qui annule l effet du z ro Pour le PFDEC la r sistance moyenne des voies respiratoire Riineaire 4 75 x 10 cm H20 s m voir le tableau 5 3 et E 1 98 x 10 cm H20 m voir le tableau 4 3 Pour une bande passante o 5 Hz le terme a doit tre dans l intervalle 0 00636 lt a lt 0 0137 pour obtenir un contr leur stable et la valeur choisie est 0 0137 5 3 4 3 Analyse de la stabilit La figure 5 18 pr sente le lieu de Bode du syst me commander P s et du syst me L s quation 5 22 en boucle ouverte L ajout du contr leur modifie le gain de boucle du syst me qui est maintenant inf rieur 0 dB autour de 5 Hz la bande passant du syst me Cette modification permet la pr sence d un gain suffisant au niveau du contr leur pour obtenir de bonne performance en boucle ferm e La phase est abaiss e entre 0 1 Hz et 8 Hz soit dans la zone ou elle tait initialement autour de 0 degr mais elle reste sup rieure a 180 degr s ce qui ne modifie pas la robustesse du systeme 5 31 Chapitre 5 Syst me de commande Lieu de Bode de la fonction de transfert 150 7 TTT T T CRC EEE r EE T TITI T To ea L 400 ET P s ne L s Es T re 5 oe o a TT J
137. erni re peut varier en fonction du volume pulmonaire Par contre lors de la ventilation il est souhaitable de se situer dans la partie lin aire de la courbe pression volume Ainsi la compliance est g n ralement consid r e comme constante Finalement le mod le peut tre g n ralis par l quation 2 16 V Pva a R V 2 16 2 3 3 Mod le deux compartiments lin aires Dans ce mod le les voies respiratoires sont divis es en deux bronches reli es une cavit Chaque bronche et cavit a une r sistance R constante et une compliance C d finie La figure 2 14 gauche pr sente le mod le deux compartiments et son comportement droite 2 23 Chapitre 2 Etats des connaissances Fig 2 14 Mod le deux compartiments lin aires gauche et son comportement droite Le calcul de la r sistance totale R tient compte de la r sistance R et Rz selon l quation 2 17 La compliance totale C quant elle revient faire la somme des compliances C et C2 comme pr sent l quation 2 18 7 Par la suite il suffit de les jumeler avec l quation 2 14 pour obtenir la pression dans les voies respiratoires R R 12 2 17 R R C C C 2 18 Les r sistances et les compliances diff rentes sur ce mod le font en sorte que les deux cavit s ne se vident et ne se remplissent pas la m me vitesse Ainsi lors de la mesure de pression dans les voies respiratoires on rem
138. ery m P s 100 fe AE PE L s avec R min S 50 PNT ee eS Soa a L s avec R max o oO au oO 7 oO pi ex a 150 4 So Ue na ct adel el a Ponce ie iG OP otal buts spac gl nl 10 10 10 10 10 10 10 10 Fr quence Hz Fig 5 19 Lieu de Bode du syst me en boucle ouverte suite un changement de r sistance des voies respiratoires Dans le cas ou l lastance du syst me respiratoire est modifi e l impact sur le gain de boucle pour le syst me commander n est pas significatif voir la figure 5 16 La figure 5 20 pr sente l influence d un changement de l lastance sur le syst me en boucle ouverte De nouveau le gain de boucle n est pas affect par ce changement Par contre le d phasage est modifi en basse fr quence mais cela n affecte pas la marge de phase disponible 5 33 Chapitre 5 Systeme de commande Lieu de Bode de la fonction de transfert 150 a S DA P s LU i L s Gee S ge Ree L s avec E min Do ee L s avec E max ot se Frs Tr 4 o 50L J 100 baana a ae a UN el a Cat petal td pi notant nr sruiul 10 10 10 10 10 10 10 10 0 mr 50b D keJ eae E o 100 t 7 oO O 150 200 ee earn ee ton APE TEE Eee 10 10 10 107 10 10 10 10 Fr quence Hz Fig 5 20 Lieu de Bode du syst me en boucle ouverte sui
139. es patients n a t rapport e Vers la fin des ann es 1950 Frumin a t reconnu pour avoir d velopp le premier contr leur en boucle ferm e fonctionnel Gr ce un respirateur de son propre design Frumin a soutenu que durant l anesth sie Repetitive processes such as artificial respiration the mixing of anesthetic agent with oxygen and the measurement of gas concentrations can often be carried out more efficiently and accurately performed mechanically rather than manually Le contr leur de Frumin ajustait le niveau de Paco en fonction de la pression dans les voies respiratoires Pva La mesure du Paco tait compar e la consigne de respiration en respiration ou de cycle en cycle Une diff rence entre la consigne et la mesure r sulte en une variation de 0 2 mmHg de la Pva Par cons quent le contr leur utilisait un feed back n gatif le contr leur cherche minimiser l erreur entre la consigne et la mesure inter respiration les modifications aux param tres ventilatoires taient effectives au cycle suivant pour atteindre la valeur cible du Paco en ajustant la pression inspiratoire maximale dans les voies respiratoires En 1971 Mitamura et coll ont utilis le volume total de CO expir pour contr ler la ventilation durant l anesth sie Les gaz expir s taient collect s dans un r servoir o le contenu tait chantillonn par un capteur de CO par la m thode infrarouge Ils on
140. espiratoires m surface corporelle de l anglais Body Surface Area ou BSA seconde temps d expiration seconde temps d inspiration seconde constante de temps expiratoire seconde temps de d c l ration pour la rampe inspiratoire seconde temps de mont e pour la rampe inspiratoire seconde temps de mont e pour le profil volumique exponentiel expiratoire seconde temps de stabilisation seconde constante de temps du syst me m s vitesse de l coulement la g n ration z Volt commande la pompe expiratoire kg m densit du fluide utilis Pas viscosit dynamique du liquide utilis ml volume expiratoire ml volume expirer au cycle k m s d bit volumique dans les voies respiratoires m s acc l ration volumique du fluide dans les voies respiratoires ml volume inspirer au cycle k ml min kg ventilation minute ml volume de r serve expiratoire de l anglais Expiratory Reserve Volume ml volume de r serve inspiratoire de l anglais Inspiratory Reserve Volume ml Volume r siduel de l anglais Residual Volume ml r f rence volumique inspiratoire en fonction du temps ml r f rence volumique expiratoire en fonction du temps ml volume de tissu pulmonaire ml variation du volume de la CRF ml kg volume courant de l anglais tidal volume XIX Wo rad s fr que
141. espiratoires Ry Le troisi me terme tient compte de l lastance E du syst me respiratoire Finalement la diff rence de hauteur et la friction du joint du piston contre la paroi du cylindre sont 2 forces statiques ajout es a cette relation Pour transformer cette somme des forces en couple sur le pignon C il suffit de multiplier la force sur la cr maill re par le rayon du pignon rp On obtient alors gt Er gt C M More pe Rem Ru Ast EA y Fry B 31 B 8 Annexe B Syst me a commander Le lien entre la vitesse de d placement de la cr maill re et la rotation du moteur est exprim par l quation B 32 ou rp est le diam tre du piston et y est le facteur de r duction de la bo te d engrenage k NE 0 472 x 0 0254 2 _ 17x10 mn rad B 32 Xx 35 36 On obtient YC M t Mone Wt Ko0 Re_ wp R y Ar K 0 EA2r K 0 Fr B 33 Ensuite il est n cessaire de ramener le couple sur le pignon C au niveau du moteur Cmec Pour se faire il faut diviser la relation pr c dente par le ratio y et le rendement m canique du r ducteur de vitesse Math matiquement CM Mr Kg Rem Ruz Ap pK 90 Err KO Fr A Ce nn 5 oer B 34 2 O r est le diam tre du pignon 0 006 m n1 est le rendement du r ducteur de vitesse 66 n2 est le rendement du groupe pignon cr maill re 90 x est le ratio de r duction du r ducteur de vitesse 35 36 Ces vale
142. essure cette pression est mesur e dans la trach e la fin d une expiration Cette valeur sert dans le calcul de la compliance Pa Du terme anglais Elastic Recoil Pressure of the Lung cette pression exprime la pression lastique contenue dans les poumons a un volume pulmonaire quelconque 2 15 Chapitre 2 Etats des connaissances P La pression pleurale est la pression a l int rieur de la cavit pleurale soit l espace entre le feuillet pari tal qui tapisse les parois internes de la cavit thoracique et le feuillet visc ral appliqu sur la surface des poumons La variation de cette pression peut tre mesur e en ins rant dans l sophage un capteur de pression Pao Du terme anglais Pressure at the Airway Opening cette pression est souvent associ e a la pression buccale ou dans le cas de la ventilation liquidienne a la pression trach ale Palv Pression au niveau de l alv ole Elle est mesur e en effectuant une pause lors de l inspiration ou de l expiration Elle est la somme de la pression pleurale et lastique de l alv ole Palv P P 2 1 P s Du terme anglais Body surface cette pression est gale la pression atmosph rique sauf pour quelques exceptions comme dans l utilisation de pleythysmographe Pva du terme anglais Airway cette pression d crit la pression l int rieur de la voie a rienne ou respiratoire au sein de l arbre pulmonaire o l on se trouve
143. et 200 K ml s m Fig 4 4 R sistance des voies respiratoires en fonction du d bit pour diff rent volume pulmonaire en pourcentage de la CPT Lors d une ventilation m canique il est rare de ventiler le patient un Peep inf rieure 5 cm H20 CPT gt 43 Ce fait permet de fixer la valeur du terme R au environ de 0 03 car la majorit des courbes obtenues une CPT gt 43 se confondent cette valeur En premi re approximation le terme R2 est consid r constant pour l ensemble des courbes sur la figure 4 4 Il faut donc calculer la pente de la droite pour obtenir la valeur R2 La valeur du dernier terme a t ajust e afin d obtenir une bonne similitude entre l quation 4 5 et l ensemble des courbes de la figure 4 4 Les param tres de cette relation sont pr sent s dans le tableau 4 1 Tableau 4 1 Param tres pour l quation 4 5 PFOB PFDEC Unit PFOB PFDEC Unit R 0 03 0 06 cm H2O s m ml R 1 0x10 1 1x10 cm HO s m ml R3 1 1x10 1 1x 10 cm HO m ml Chapitre 3 Mod le stationnaire La figure 4 5 pr sente la courbe de la r sistance des voies respiratoires en fonction du d bit Sur ce graphique la courbe trac e gr ce l quation 4 5 correspond bien au mod le du chapitre 3 R sistance des voies respiratoires 0 5 i T FE ei if 5 T 7 Mod le Soe ope to PCA emg Poog Equation 4 5 0 4 0
144. ffectu s consultez l annexe B 1 3 3 10 P R Ro PUn U Pgo h gt AP 4 6 n 1 Dans l quation de Bernoulli P est la pression au point n U est la vitesse de l coulement dans le conduit n h est la hauteur au point n g est l acc l ration gravitationnelle p est la densit du fluide utilis et AP sont les pertes de charge singuli res et r guli res 4 18 Chapitre 3 Mod le stationnaire DCL 1 Piston ANS 2 Convergent 140 degr s er A V g ro a 3 Coude 20 degr s Point 5 ts Ve ge 4 Entr e raccord e P K Ar 5 Sortie raccord Point 4__ oN HES 6 Rayon de courbure la sortie de la pompe He a he 7 Tube expiratoire menant au Y points ZA f i 8 Entr e au tube endotrach al ny ia j i TA 9 Tube endotrach al N cunsmsemsmsessets oN 10 Sortie du tube endotrach al Point 2 N Point 1 cN N OS NAN N EN ER N LIN ma NR Fig 4 17 Description du parcours du PFC travers les composantes du respirateur 4 2 1 Pertes de charge La relation 4 7 permet de calculer les pertes de charge dans les diff rentes sections du circuit fluide pr sent a la figure 4 17 1 AP z K pU 4 7 Pour calculer les pertes de charge r guli res dans les tubes sections 2 3 6 et 8 le coefficient K est exprim en fonction de la longueur du tube du diam tre D et du coefficient de friction f quation 4 8 fn D n K
145. g 2 20 Exemple de respirations en mode VC 2 36 Fig 2 21 Algorithme de d cision pour les modes VAPS et PA 2 39 Fig 2 22 Exemple de respirations possibles au cours du mode ventilatoire VAPS ou PA 2 40 Fig 2 23 Algorithme de d cision pour la ventilation en mode VA 2 42 Fig 2 24 Evolution des respirations au cours du mode ventilatoire VA Le temps inspiratoire varie d une respiration l autre 2 42 Fig 2 25 Algorithme de d cision pour le mode ventilatoire volume contr l r gulation de pression 2 44 Fig 2 26 volution des respirations au cours du mode ventilatoire VCRP Le temps pour la phase inspiratoire et expiratoire est fix 2 45 Fig 2 28 Sch ma bloc du contr le en d bit lors de l inspiration pour le mode VCV Source Manuel de service du Servo 300 2 50 Fig 2 29 Sch ma bloc du contr le en pression lors de l inspiration pour le mode PC Source Manuel de service du Servo 300 2 51 Fig 2 30 Sch ma bloc du contr le en d bit lors de l expiration pour tous les modes Source Manuel de service du Servo 300 2 52 Fig 3 1 Volume de contr le pour le mod le 3 3 Fig 3 2 Courbes PV sur l agneau poumon sain avec du PFOB 3 9 Fig 3 3 Courbes PV sur l agneau poumon sain avec du PFDEC 3 9 Fig 3 4 Courbes PV inspiratoire expiratoire et moyenne pour le PFOB trac es gr ce l quation de Venegas en fonction des r sultats e
146. gnes grasses D bit critique Verit Lignes fines IVPD la pression alv olaire au d bit expiratoire nul V 0 ml s 3 23 Fig 3 13 Localisation des segments limitatifs et des points d gale pression en VLT en fonction de la pression alv olaire 3 24 Fig 3 14 Courbe de d bit expiratoire maximale en fonction du volume pulmonaire DEMV pour les diff rentes courbes PV g n r es la figure 3 6 en VLT avec du PFOB 3 25 Fig 3 15 Courbe du volume pulmonaire expiratoire en fonction du temps 3 28 Fig 3 16 La limite en pression report e sur les courbes IVPD permet de d duire le d bit expiratoire la Pref 3 29 Fig 3 17 Courbe du volume pulmonaire expiratoire en fonction du temps pour une pression de r f rence de 2 cm H 0 3 30 Fig 3 18 R sistance index e des voies respiratoires en fonction du d bit expiratoire et du volume pulmonaire pourcentage de la capacit pulmonaire totale CPT Les ronds verts indiquent la r sistance des voies respiratoires lorsque le d bit expiratoire est limit e la pression de r f rence Pres 2 cm HO 3 32 Fig 3 19 Signaux utilis s pour calculer la pression alv olaire en fonction du temps agneau num ro 062806 cycle 404 VLT PFOB 3 35 Fig 3 20 D riv e du volume dans la pompe d expiration en fonction du temps pour obtenir le d bit volumique 3 36 Fig 3 21 Exemple pour illustrer le calcul de l erreur entre
147. i me terme tient compte de l lastance E des poumons Finalement la diff rence de hauteur et la friction du joint du piston 4 21 Chapitre 3 Mod le stationnaire contre la paroi du cylindre sont 2 forces statiques ajout es cette relation Si on reporte cette force en couple m canique sur le moteur Cmec on obtient la relation 4 13 pour plus de d tails voir en annexe B D Cne 40 4 0 a 0 C 4 13 2 2 Aves ge Re gp Sees Raia OR s le ANN ANN ANN relation est l acc l ration angulaire du moteur est la vitesse angulaire du moteur est la position angulaire du moteur 7 est le rendement du groupe pignon cr maill re 42 est le rendement de la bo te d engrenage et y est le ratio de la bo te d engrenage 4 3 2 Mod le du moteur lectrique La pompe utilise un moteur DC pour mouvoir la cr maill re La figure 4 19 pr sente le sch ma lectrique du moteur DC avec le diagramme de corps libre des efforts sur le rotor Fig 4 19 Sch ma lectrique du moteur DC avec le diagramme de corps libre des efforts sur le rotor Ce moteur DC est d crit par les quations 4 14 et 4 15 LI K U K O R 1 4 14 JO K 1 F Cec 4 15 4 22 Chapitre 3 Mod le stationnaire O La est l inductance du moteur J est la courant au moteur et est la variation du courant en fonction du temps Km est le gain du servo amplificateur Uest la consigne provenant de l au
148. il n y a pas de courbe PV compl te pour l agneau Par cons quent une courbe PV a t mesur e sur un agneau poumons sains Pour reproduire ad quatement les conditions en VLT les poumons n ont pas t excis s et le thorax n a pas t ouvert Le test a t fait la temp rature ambiante L agneau a t tu avec une dose l tale de pentobarbital 90 mg kg sous intraveineuse Avant de remplir les poumons avec du PFOB un tube endotrach al tube ET de 5 5 mm avec ballonnet a t ins r dans la trach e dont l extr mit proximale a t branch e sur une valve L agneau a t mis sur le dos et un micro tube en acier inoxydable a t gliss dans le tube ET o son extr mit d passe de 1 cm la sortie du tube ET Ce micro tube a t reli un capteur de pression Model 1620 Measurements Specialities Hampton VA positionn la m me hauteur que la trach e afin de mesurer la pression dans les voies respiratoires Pva Le signal a t enregistr en continu l aide d une carte Signal Ranger Soft dB Qu bec Canada Juste avant le premier remplissage des poumons avec du PFOB la cage thoracique a t comprim e manuellement pour forcer l air l ext rieur des poumons Par la suite les poumons ont t remplis avec du PFOB en utilisant une pompe du respirateur Durant le premier remplissage la cage thoracique a t manipul e pour favoriser l expulsion des bulles d air L augmentat
149. ileo de la compagnie Hamilton En fonction de la taille du patient le clinicien fixe les intervalles souhait s pour quelques param tres ventilatoires Par la suite l algorithme d termine la valeur des variables ventilatoires Fr V Ti Te etc selon diff rentes r gles pr d finies et les caract ristiques m caniques mesur es des poumons Ventilation minute obligatoire MMV de l anglais Mandatory Minute Ventilation Mode ventilatoire utilis pour sevrer les patients en r mission ot le respirateur assure une Vmin minimale Lors du sevrage le patient est en mesure de respirer spontan ment mais dans les p riodes d apn e le travail est assur par le respirateur a la Vmin prescrite par le clinicien 2 46 Chapitre 2 Etats des connaissances 2 4 4 Tableau r capitulatif Le tableau 2 1 pr sente un r capitulatif des modes pr sent s dans cette section avec les variables de contr le Une courte description accompagne les modes pour lesquelles un algorithme de d cision est pr sent pour ajuster la ventilation Tableau 2 1 R capitulatif des modes ventilatoires ainsi que des param tres de contr le Les variables de d part sont les param tres fix s par le clinicien et n cessaire au lancement de la phase inspiratoire Mode Variables Logique op ratoire ventilatoire _ D part Limite Cycle Alarmes PC T P F P T P n a VC T P F F V T P n a VAPS PA T P P F F T Si le Vt nest pas atteint quand le d
150. inhardt Donc lorsque le volume pulmonaire diminue le d bit dans les voies respiratoires doit diminuer proportionnellement Dans le cas contraire c est le collapsus assur Pour retirer le liquide le plus rapidement possible la solution optimale consiste appliquer la courbe DEMV en fonction du temps L int gration de cette courbe nous donne alors le profil volumique optimal Pour se faire les courbes de la figure 3 14 peuvent tre approxim es par une famille de droite ayant la relation 3 19 Vi mV B 3 19 Les coefficients me et Be sont extrait de la figure 3 14 Le coefficient me est la pente n gative de la droite DEMV tandis que le terme B est d termin a partir du d bit volumique V et du volume pulmonaire V L expiration d bute au temps t 0 et la courbe DEMV est appliqu e L int gration dans le temps de cette quation diff rentielle lin aire de premier ordre a la solution P 1 analytique suivante as Vi t C e B 3 20 m e Le param tre C V 0 B m est calcul en utilisant les termes me Be et le volume pulmonaire initial juste avant l expiration soit au niveau de la Peip Avec la relation 3 20 il est possible de d duire le temps d expiration Te minimum pour retirer un volume courant une Peip 3 26 Chapitre 3 Mod le stationnaire donn e L quation 3 21 en est l expression math matique et des d tails suppl mentaires sont fournis en annexe A Te
151. inspiration et l expiration en volume Le chemin ombrag d crit le parcours suivre La r f rence en volume est g n r e et transmise au contr leur proportionnel P qui compare cette r f rence avec la position mesur e du piston dans la pompe Il transmet alors une consigne proportionnel la diff rence entre la mesure et la r f rence en vitesse au servo amplificateur Ainsi on contr le indirectement la 5 10 Chapitre 5 Systeme de commande vitesse de rotation du moteur et par cons quent le d bit de la pompe en fonction d une r f rence en position Le moteur est command en tension sur un intervalle de 0 a 24V tandis que la consigne du contr leur P est sur un intervalle de tension de 0 10 V Par cons quent la consigne est mise l chelle par un gain d entr e 2 4 reliant la commande du contr leur P la tension aux bornes du moteur L lectronique interne du servo amplificateur inclut une seconde boucle de contr le qui compare la consigne la tension interne mesur e aux bornes du moteur Pompe Inspiratoire Expiratoire Capteur de Capteur Pression trach e G n rateur de r f rence Tension interne Tension Position Vitesse Tension d sir e Servo amplificateur d sir e Fig 5 6 Sch ma bloc du contr le en d bit lors de l expiration et de l inspiration sur le respirateur liquidien 5 2
152. ion 42 Larrabe JL Alvarez FJ Cuesta EG Valls i Soler A Alfonso LF Arnaiz A et al Development of a time cycled volume controlled pressure limited respirator and lung mechanics system for total liquid ventilation IEEE Trans Biomed Eng 2001 Oct 48 10 1134 44 Chapitre 2 Etats des connaissances 2 Etats des connaissances 2 1 Les respirateurs liquidiens 2 1 1 Etat de l art Plusieurs types de respirateurs liquidiens ont t brevet s et rendus public dans la litt rature 5 1 K f 11 Tous les respirateurs renferment sensiblement les m mes composantes soit 1 1 Un ou plusieurs systemes de pompage pour ins rer et retirer un volume de liquide des poumons un syst me d oxyg nation pour oxyg ner le PFC et liminer le CO dissout dans ce dernier un syst me de condensation pour r cup rer les vapeurs de PFC un syst me de chauffage pour maintenir le PFC la temp rature corporelle un syst me de contr le La plupart des laboratoires de recherches ont initialement construit des respirateurs liquidiens partir d quipements existants d oxyg nation et de circulation extracorporelle co teux Dans la plupart des cas ils ont utilis un syst me de pompage complexe compos de plusieurs pompes p ristaltiques de r servoirs de liquide ainsi que de plusieurs valves avec des syst mes de contournement Dans le but de r duire la complexit m canique des respirateurs l quipe d
153. ion alv olaire a t d termin partir de la courbe PV pr sent e la section 3 2 1 Comme il a d j t mentionn pour simplifier l analyse pr liminaire des r sultats la courbe PV moyenne a t employ e avec l intervalle d erreur d crit pour tenir compte de l hyst r sis Pour illustrer la d marche de la r solution du mod le la figure 3 8 indique les quations consid rer au lieu opportun 3 16 Chapitre 3 Mod le stationnaire Cage thoracique Alveole Fig 3 8 D marches pour la r solution du mod le Pour d marrer la r solution du mod le les quations 3 1 et 3 12 sont r solues it rativement pour obtenir la pression transmurale Pimyis et la section A6 l entr e de la g n ration z 16 Math matiquement il s agit de d terminer par it ration la Ptm 4 propre aux deux quations Ptm 0 P p 3 17 m ah 2540 3 17 26 A 0 Am 1 1 a0 f 1 70 3 18 2 Une fois Pim 0 et A16 0 d termin es l int gration de l quation de Bernoulli quation 3 6 est effectu e sur la longueur de la voie respiratoire L16 La m thode d int gration Runge Kutta d ordre 4 a t employ e Pour chaque pas d int gration dx la section A x est mise jour avec l quation 3 1 Les crit res d arr t de l int gration num rique sont 1 Si la vitesse de l coulement dans la voie respiratoire z atteint la vitesse de
154. ion alv olaire ou de la CPT qui conditionne la section et la longueur des voies respiratoires R La seconde partie montre un accroissement lin aire de la r sistance en fonction du d bit expiratoire R La troisi me partie correspond au collapsus expiratoire la r sistance tend alors vers l infinie quand le d bit expiratoire s approche du d bit maximal permis Cette asymptote d pend de la pression alv olaire ou de la CPT La figure 3 10 pr sentait la courbe du d bit expiratoire limite Ve en fonction de la pression alv olaire repr sent dans ce chapitre par la relation 4 4 Verm m Palv b 4 4 Pour le PFOB la pente m 5 60 ml cm H gt 0 s m pour Palv gt 8 cm H2O et 13 38 ml cm H 0 s m pour Palv lt 8 cm H20 Le terme b 62 ml s m pour Paly gt 8 cm HO et 0 pour Palv lt 8 cm H20 Pour la mod lisation la r sistance non lin aire est d finie en utilisant l quation 4 5 En omettant le troisi me terme qui reproduit l asymptote vertical cette relation est identique l quation de Rohrer pr sent e dans le chapitre 2 sur l tat des connaissances e R Ry R eA T 4 5 4 5 Chapitre 3 Mod le stationnaire R sistance des voies respiratoire 0 5 4 Ec 0 45 ET EEE e ee a LS 8 1 T ES ES ee ae pre een RAA E 5 a T Se SE jes O A ie 2 PTE Les AS hs SP pee ak E N I w a eg Re 1 x sas
155. ion du mod le ARX d ordre 211 Quand l amplitude du mouvement les 2 mod les sous estiment l g rement le gain statique Cette constatation est refl t e dans la figure 4 25 N anmoins on peut conclure que le mod le lin aire peut tre r duit une expression plus simple et identifiable Reste maintenant valider le mod le r duit avec des essais exp rimentaux 4 5 3 Validation exp rimentale du mod le r duit Pour valider exp rimentalement le mod le r duit le tube endotrach al a t ins r dans un ballon de caoutchouc de bonne dimension 0 5 litre qui n exerce pas de pression sur le liquide durant les tests Cette approche permet de caract riser uniquement le circuit fluide du respirateur en faisant abstraction des poumons L entr e du servo amplificateur de la pompe expiratoire a t 4 31 Chapitre 3 Mod le stationnaire reli e au syst me d acquisition DSpace Le signal de commande U utilis est un sinus glissant de 0 1 Hz 100 Hz sur une chelle lin aire d une dur e de 15 secondes La position de la pompe a t mesur e l aide du potentiom tre lin aire install sur la pompe La figure 4 26 pr sente la r ponse exp rimentale en volume de la pompe De fa on similaire au mod le th orique on remarque que la pompe n a plus de mouvement visible apr s 5 secondes On observe aussi une d rive de la position du piston de la pompe semblable au mod le th orique qui est caus
156. ion du volume pulmonaire s est ensuite poursuivie par pas de 10 ml suivie d une attente d au minimum 30 secondes pour assurer la stabilit du signal de pression Chacun de ces points de pression statique correspond la pression alv olaire Palv Lorsque cette pression atteint un plateau ou lorsque la Palv va au del de 30 cm H2O ce point est d fini comme tant la capacit pulmonaire totale de l agneau CPT B La vidange des poumons est alors amorc e par pas de 10 ml le liquide est retir des poumons Lorsque la pression trach ale atteint de forte pression n gative les poumons sont consid r s comme vide On obtient ainsi la courbe PV pour le remplissage inspiration et la vidange expiration des poumons Pour valider l quation de Venegas r crite ici bas titre de rappel diff rents volumes de remplissage pulmonaire inf rieur la CPT ont t utilis s pour d terminer des courbes PV 3 7 Chapitre 3 Mod le stationnaire secondaires La d marche exp rimentale d crite pr c demment a t utilis e en omettant la compression manuelle de la cage thoracique Les courbes PV r sultantes sont pr sent es sur la figure 3 2 En final le thorax a t ouvert pour v rifier l int grit des poumons Ces derniers n avaient pas de l sions apparentes et aucun volume de PFC n a t retrouv dans les deux cavit s pleurales b 1 6 Patella y Palv a Cette d marche a t reprise de
157. istant sur le respirateur liquidien de l quipe Inolivent sera pr sent Par la suite deux modes ventilatoires utilis s sur les respirateurs m caniques gazeux seront transpos s en VLT Le premier est le mode en pression contr l e PC pour l expiration Ainsi la pression au niveau des voies respiratoires lors de l expiration ne pourra pas d passer une pression de r f rence Le seconde mode expiratoire sera en volume contr l r gulation de pression VCRP Pour les modes ventilatoires en VLT les indices i et e indiquent l inspiration et l expiration 5 1 1 Mode ventilatoire existant VCi VCe Le premier mode ventilatoire qui a t implant sur le respirateur liquidien est un contr le en volume sur l inspiration et sur l expiration Pour chaque phase le clinicien doit entrer sur l interface les param tres suivants Chapitre 5 Syst me de commande Le temps d inspiration Ti Le temps d expiration Te Le profil inspiratoire et expiratoire Dans la majorit des VLT effectu es par l quipe Inolivent le profil inspiratoire est une rampe et le profil expiratoire est une exponentielle Pour chaque profil les param tres secondaires suivants sont indiquer sur l interface o Le temps de mont e et de descente pour la rampe inspiratoire o La constante de temps pour l exponentielle expiratoire o Le temps de mont e pour l exponentielle Le volume courant Vf Le temps de pause inspi
158. it s assurer que le niveau de Peep et 5 16 Chapitre 5 Syst me de commande de Peip est dans l intervalle de pression souhait e et qu il corrige la situation dans le cas contraire Convergence th orique A la fin d un cycle k inspiratoire le volume inspir v k n est pas gal au volume inspirer Viik d o vk Vi k Pour la suite il sera assum que le volume inspir est une fonction croissante monotone et qu elle d pend du volume inspirer V k et du temps inspiratoire T vi 29 V 7 5 7 De plus a la fin de l expiration du cycle k le volume expir v k est consid r croissante monotone et il est fonction du volume a expirer V k et du temps expiratoire Te Ve 2 V T 5 8 Les erreurs e sur le volume inspiratoire et expiratoire sont mesurables Donc les variables stochastiques b k et b k sont ajout es pour repr senter le bruit ou les biais sur la mesure des erreurs inspiratoire et expiratoire elk 8 KT TTAD V b k 5 9 e k g F k T kD V b 4 5 10 Pour d montrer la convergence du superviseur le cas suivant est consid r un volume courant constant V k V aucune compensation de la CRF AV 0 ainsi qu un temps inspiratoire et expiratoire constant Parce que AV 0 le volume inspirer donn par la relation 5 3 est Vi k V et le volume expirer donn par la relation 5 5 est gal V k V e k ee k 1 En utilisant le
159. ite de ce qui peut tre tol r par les voies respiratoires Cette information est disponible gr ce au mod le non lin aire de type collapsus Le profil expiratoire g n r en temps r el par le suivi de la r f rence en pression reproduit bien la d croissance exponentielle identifi e au pr alable par le mod le stationnaire du chapitre 3 Lors de la validation in vitro le contr leur en pression a d montr son potentiel mais on peut tout de m me observer de l g res oscillations dues la dynamique des tubes Afin d optimiser davantage le r gulateur en pression la dynamique des tubes flexibles devra tre param tr e avec plus de pr cision N anmoins il est probable que le changement du mat riel des tubes ou l ajout d l ments m caniques sur le circuit fluide puissent corriger cette dynamique De plus le travail de mod lisation qui a t effectu a mis en avant un nombre important de relations non lin aires Ces relations forment une base utile pour le d veloppement futur d un 6 2 algorithme de contrdle plus performant Cependant il faut prendre en compte les limitations impos es par les organismes de certifications FDA Sant Canada etc quant au type de contr leur que l on peut mettre en place Il est clair que le contr leur devra tre valid in vivo en exp rimentation animale L exp rimentation est la seule voie possible pour d terminer la robustesse et la performance r elle du r gul
160. itre 3 Mod le stationnaire piston augmente Donc en n gligeant ces termes lors de l criture de la fonction de transfert globale le gain statique K voir quation 4 20 sera sup rieur celui de la fonction exp rimentale 15 ue T 7 T 4 i l Termes de friction et pgh retir s i pus amp Bs i i j ERE x 1 1 i re wine ELU PAE ASS TRE GRR NY DES GPO AAW IE GRAS a Mi cia aes RS does Sp 5 2 D OB ES T 0 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 ST Za ew ll 0 li Il 8 ol a Seed oe iiA S il WV Vy HW v l oO 5 Temps sec Fig 4 24 R ponse du mod le non lin aire dans Simulink lorsque les termes pgh et de friction au niveau du joint du piston sont retir s 4 5 2 Validation th orique du mod le r duit Pour valider le mod le global r duit le mod le Simulink non lin aire sera mis profit Les signaux g n r s la figure 4 23 par la mod le Simulink seront utilis s par les outils d identification de Matlab pour d terminer une fonction de transfert qui repr sentera le mod le non lin aire La fonction de transfert identifi e sera compar e l quation 4 20 Dans le cas o des diff rences majeures surviennent elle sera revue et corrig e Afin d effectuer cette comparaison la fonction de transfert 4 20 exprim e en temps continu doit tre est discr tis e car les signaux analogiques sont toujours chantillonn s
161. la dynamique du syst me lectrom canique Exprim diff remment le moteur r agit presque d instantan ment une commande tandis que le syst me lectrom canique et pulmonaire demande une p riode plus longue Les poumons quant eux peuvent tre consid r s comme un int grateur car la constante de temps est tr s lente Donc pour simplifier 4 26 Chapitre 3 Mod le stationnaire la fonction de transfert il est possible de faire abstraction des constantes de temps lectrique et pulmonaire pour obtenir la fonction de transfert la relation 4 20 V s K 1 U s 7 tans 1 s Tableau 4 7 Valeurs des param tres utilis s Description Valeur Unit 4 20 Ap Section du piston 1 14 x 10 m E lastance 1 6 x 10 cm HO m J Inertie de rotation du moteur 3 x 10 kg m Ko Facteur de conversion entre la vitesse de 1 7 x 10 m rad d placement et la vitesse angulaire du moteur Rc Max Coefficient de pertes de pression Selon le liquide cm H2O s m Km Gain du servo amplificateur 2 4 Adim K Coefficient du couple moteur 0 0221 Nm A La Inductance 500 LH Wp Masse des pi ces mobiles de la pompe 0 600 Kg Wrrc Masse du liquide PFC 0 403 Kg n Rendement du r ducteur de vitesse 0 66 Adim 42 Rendement du groupe pignon cr maill re 0 90 Adim Rineaire R sistance des voies respiratoires Selon le liquide cm H2O s m Ra R sistance lectrique du rotor 3 5 Q Fp Rayon du pignon 0 012 m K Gain statique Sel
162. la pression pleurale Pp La pression alv olaire quant elle est la somme de la pression lastique Pel et de la pression pleurale Sachant que la Pva et la Pay sont r f renc es par rapport la pression pleurale Pi il est possible de r crire la relation 3 3 pour obtenir l quation 3 4 3 3 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pam P4 gt pU APv dx pgh 3 4 Dans l quation pr c dente le terme de pression hydrostatique pgh peut tre n glig si le patient est allong sur le dos Ensuite cette quation est discr tis e par rapport z et diff renti e par rapport a x pour obtenir la relation ci dessous P ma i Ey 8 5 d dx F d Dans l quation 3 5 la pression de rappel lastique P ne change pas en fonction de la distance x En utilisant l quation U V A et en effectuant quelques manipulations d crites en annexe A l quation r soudre est la suivante dPtm APvy amp 1 U e 3 6 Le terme c fait r f rence la vitesse de propagation d une onde de pression dans un tube flexible voir la section 2 2 8 de l tat des connaissances Appliqu chaque g n ration c est d crite par l quation 3 7 gae 7 E P dA dPm Pour obtenir le d bit volumique critique Verit on doit multiplier l quation 3 7 par la section A Math matiquement Verit A 4 D nE 3 8 1 odd dPm te 3 1 5 Pertes de pression par friction visqueu
163. leau 3 5 Ventilation minute Vmin ml kg min en fonction de la Peip et du volume courant Vt ml kg pour diff rents PFC utilis s en VLT Les indiquent que le temps d expiration est sup rieur 60 secondes Rimar101 15 20 25 30 6 71 80 8 100 99 85 109 98 52 1106 108 97 51 10 112 121 120 112 128 129 122 117 128 129 121 12 121 134 139 139 141 149 1491125 141 148 148 14 127 143 151 154 149 158 162 131 150 161 155 168 174 3 3 6 R sistance des voies respiratoires Un param tre important en ventilation m canique est la r sistance des voies respiratoires En ventilation m canique gazeuse la r sistance R est calcul e la toute fin de l inspiration en divisant la variation de pression AP qui consiste soustraire la pression maximale durant l inspiration la pression positive de fin d inspiration Peip par le d bit a la fin de l inspiration V T voir la section 2 2 6 de l tat des connaissances Une fois la r sistance calcul e cette valeur est multipli e par la compliance pour obtenir une valeur estim e de la constante de temps expiratoire Cette constante de temps multipli e par un facteur de 3 ou 4 nous indique le temps expiratoire n cessaire pour retirer tout le volume inspir En effectuant ce calcul la r sistance est consid r e constante tout au long de la phase expiratoire En VLT le parall le est plus difficile faire car durant l expirati
164. lement 1 24 Th rapies possibles en utilisant la VLT La VLT permet de retirer des voies a riennes les d bris et mol cules inflammatoires 22 23 Le PFC ainsi ins r et retir fournit un support physique pour administrer des m dicaments vis e 24 77 De plus elle permettrait de traiter certains cancers du 28 29 5 26 30 30 34 locale comme des vaso dilatateurs poumon intraitables jusqu maintenant et plusieurs brevets en font tat 1 2 5 Historique de l quipe Inolivent A l Universit de Sherbrooke des r sultats pr liminaires avaient t obtenus avec un circuit d oxyg nation extracorporelle modifi pour la VLT chez des agneaux apr s induction d une d tresse respiratoire Ces premiers essais de VLT ont d montr notre capacit contr ler les changes gazeux de fa on satisfaisante durant 6 heures avec une bonne tol rance h modynamique L int r t suscit par ces r sultats provoquer la cr ation de l quipe de recherche multidisciplinaire Inolivent Apr s plusieurs ann es de recherches et d veloppement la fabrication de trois prototypes et l analyse d exp rimentations animales l quipe a d velopp un nouveau concept de respirateur liquide qui r pond aux besoins des cliniciens pratiquants en soins intensifs n onataux pour des 1 4 Chapitre 1 Introduction enfants de 3 9 kg Dans le chapitre 2 sur l tat des connaissances une description d taill e d
165. les points exp rimentaux et la courbe IVPD 3 37 Fig 3 22 IVPD une pression alv olaire de 25 cm H 0 et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFOB 3 38 Fig 3 23 IVPD une pression alv olaire de 15 cm HO et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFOB 3 38 Fig 3 24 IVPD une pression alv olaire de 4 cm H 0 et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFOB 3 39 Fig 3 25 IVPD une pression alv olaire de 25 cm H20 et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFDEC 3 39 Fig 3 26 IVPD une pression alv olaire de 15 cm H20 et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFDEC 3 40 Fig 3 27 IVPD une pression alv olaire de 4 cm H 0 et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFDEC 3 40 Fig 3 28 Courbes DEM th orique et exp rimentale en fonction la pression alv olaire Palv pour le PFOB L cart type calcul partir des points exp rimentaux est trac sur cette figure 3 41 Fig 3 29 Courbes DEM th orique et exp rimentale en fonction la pression alv olaire Palv pour le PFDEC L cart type calcul partir des points exp rimentaux est trac sur cette figure 3 42 Fig 3 30 Courbes DEM th orique et exp rimentale e
166. llons Erreur ml s m 2 Fig 3 23 IVPD une pression alv olaire de 15 cm H O et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFOB 3 38 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pression alv olaire de 4 cmH20 PFC utilis PFOB 150 100 T i i 1 i 1 l V ml s m T i i 1 i 042006 052506 e 060606 062806 e 071906 Modele 20 Paw cm H20 Distribution de l erreur nombre d chantillons 1447 Nombre d chantillons Erreur ml s T T Fig 3 24 IVPD une pression alv olaire de 4 cm H O et points exp rimentaux fonction de la Paw en VLT avec du PFOB Pression alv olaire de 25 cm H O PFC utilis PFDEC V ml s m7 052306 053006 060106 082406 091106 mm 100506 de d bit expiratoire en Paw cm H20 Distribution de l erreur nombre d chantillons 3228 Nombre d chantillons 20 10 0 Erreur ml s m T T Fig 3 25 IVPD une pression alv olaire de 25 cm H O et points exp rimentaux de d bit expiratoire en fonction de la Paw en VLT avec du PFDEC 3 39 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pression alv olaire de 13 cm H O PFC utilis PFDEC 200 V ml s m 30 Paw cm H20 50 Distribution de l erreur nombre d chantillons 6847 Nombre d chantillons 052306 053006
167. ltra sp cialis s un seul au Qu bec Malgr ces avanc es le pronostic des nouveau n s atteints de d tresse respiratoire s v re reste tr s sombre Trois cinq pourcent des nouveau n s admis l unit des soins intensifs sont affect s d une d tresse respiratoire r fractaire une ventilation m canique gazeuse optimale De plus l inflammation pulmonaire est aggrav e par les ventilations artificielles conventionnelles Il en r sulte une oxyg nation tr s insuffisante du sang art riel et des diff rents organes en particulier le cerveau En cons quence la recherche d une alternative la ventilation m canique gazeuse reste plus que jamais d actualit La ventilation liquide qui utilise les perfluorocarbones PFC pour r aliser les changes gazeux est une alternative des plus prometteuses Parmi les PFC disponibles le perfluorod calin PFDEC de la compagnie F2 Chemical a t reconnu d int r t pour usage m dical en 1989 et le perfluorooctylbromide PFOB de la compagnie Alliance Pharmaceutical Corp a t approuv par la FDA pour valuation m dicale en 1993 1 2 La ventilation liquidienne 1 2 1 Historique C est en 1962 qu il a t d montr qu un mammif re submerg dans du salin suroxyg n r alisable des pressions lev es pouvait respirer du liquide et revenir la ventilation gazeuse avec succ s Cependant cette technique a t abandonn e en raison des difficult s pou
168. m Temps A B Cc D Fig 2 22 Exemple de respirations possibles au cours du mode ventilatoire VAPS ou PA 2 4 3 2 VA et PSV Le mode de ventilation en volume assist VA de l anglais Volume Support Ventilation est disponible sur le Servo i de la compagnie Maquet anciennement Siemens Elema Son quivalent le mode de ventilation pression support e variable PSV de l anglais Variable Pressure Support est pr sent sur le respirateur Venturi de la compagnie Cardiopulmonary Corporation Pour ces modes ventilatoires le clinicien doit entrer sur le respirateur les param tres suivants La fr quence respiratoire Fr Le volume courant minimum V 2 40 Chapitre 2 Etats des connaissances Le niveau de pression de fin d expiration Peep La limite sup rieure en pression durant inspiration Toutes les phases inspiratoires sont limit es en pression et la fin du cycle est d termin e par un crit re en d bit Sur le Servo 300 pr d cesseur du respirateur Servo i le seuil de d bit traduit de l anglais set peak flow est fix 5 du d bit inspiratoire maximal mesur au cours de l inspiration La figure 2 23 pr sente l algorithme de d cision pour ce mode de ventilation et la figure 2 24 pr sente l volution de la pression selon les donn es mesur es Avec le respirateur Servo 300 le mode VA d bute par une respiration t moin utilisant une pression de consigne nomm P use d
169. marque aussi une bonne corr lation entre les signaux En conclusion le mod le th orique r duit repr sente bien le syst me exp rimental Cette fonction de transfert sera donc utilis e pour d velopper et valider th oriquement le syst me de commande afin de mettre en place les nouveaux modes ventilatoires 15 Volume ml Temps sec Fig 4 27 Signal exp rimental dont la tendance la d rive a t retranch e 4 33 Chapitre 3 Mod le stationnaire R sultats exp rimentaux Mod le ARX221 i eas Sos ee a SS op Se eee Se I euunjoA 4 5 3 5 Temps sec Fig 4 28 Sortie du mod le ARX et des r sultats exp rimentaux Les traces sont de nouveau pratiquement identiques f rences 4 34 1 Munson BR Young DF Okiishi TH Fundamentals of Fluid Mechanics 3rd ed John Wiley amp Sons 1998 Chapitre 5 Systeme de commande 5 Syst me de commande Dans ce chapitre le nouveau syst me de commande du respirateur liquidien sera pr sent Avant de d buter la description du contr le en pression les modes ventilatoires command s en volume seront d crits Dans la seconde section la structure de commande sera expos e Dans la derni re section le contr leur en pression sera d fini et une analyse s en suivra 5 1 Algorithmes de contr le sur le respirateur liquidien Dans cette section un rappel du mode ventilatoire ex
170. matiquement pour expirer le volume demand Pour l inspiration et l expiration le clinicien doit maintenant fournir sur l interface les param tres suivants La fr quence respiratoire Fr Le temps d inspiration Ti Le temps de pause inspiratoire 0 50 du temps d inspiration Le temps de mont e 0 50 du temps d inspiration Le temps de descente 0 50 du temps d inspiration Le volume courant Vt L intervalle de la Peep Les limites en pression haute en cas de surpression et basse en cas de collapsus L exemple de la figure 5 4 pr sente le fonctionnement de ce nouveau mode ventilatoire et son algorithme de d cision est illustr la figure 5 5 Comme pour le mode VCi PCe les phases inspiratoires et expiratoires sont limit es en temps 5 7 Chapitre 5 Systeme de commande La d marche est presque identique ce qui a t d crit pr c demment le profil volumique d termine la r f rence que devra suivre la pompe inspiratoire D s le d part de l inspiration le contr leur poursuit la r f rence calcul e Comme il est illustr pour les cas A et B la pression la trach e varie selon la r sistance des voies respiratoires et la compliance du syst me respiratoire Pva cm H20 D bit Limin Vi ml Ve mi Fig 5 4 Exemple de respirations en mode VCi VCRPe lors d une ventilation liquidienne totale La diff rence entre les modes PCe et VCRPe su
171. modes ventilatoires avanc es font intervenir une hi rarchie de contr le Cette derni re est constitu e principalement d une s rie de conditions logiques si telle condition alors telle action qui s lectionne le mode ventilatoire et ou ajuste les param tres pour rencontrer les objectifs fournis par le clinicien Pour les modes ventilatoires indiqu s dans cette section la hi rarchie de contr le sera pr sent e 2 4 3 1 VAPS et PA Les modes ventilatoires VAPS et PA sont disponibles sur les respirateurs Bird et Bear de la compagnie Viasys HealthCare Pour ces modes ventilatoires le clinicien doit entrer sur le respirateur les param tres suivants Le temps d inspiration Ti Le niveau de pression support e Cependant aucune tude n a propos une m thode efficace pour d terminer ce niveau Une premi re approche serait de fixer ce param tre la pression de plateau de fin d inspiration Peip obtenu lors d une respiration volume contr l et au V souhait Le d bit maximal admissible durant l inspiration Il doit tre ajust pour permettre un temps d inspiration ad quat Le volume courant V minimum La pression de fin d expiration Peep La fin du cycle sera d termin e par diff rents crit res dont l atteinte d un seuil de d bit inspiratoire traduit de l anglais set peak flow le V demand ou le temps d inspiration prescrit Ti Pour les respirateurs Bird et Bear le seuil
172. mons r els le premier tant moins d taill que le second Ils sont b tis 4 partir de mesures prises sur un moulage en r sine d un poumon adulte Il respecte donc en plusieurs points la g om trie r elle de l arbre pulmonaire Ainsi la trach e se divise en deux bronches qui m nent respectivement au poumon droit et gauche Le poumon droit est divis en 3 lobes dont le lobe sup rieur moyen et inf rieur Le poumon gauche contient 2 lobes dont le sup rieur et l inf rieur Les branches menant chaque lobe s appellent bronches lobaires Les lobes de chaque poumon sont divis s en lobules qui sont aliment s par un segment broncho pulmonaire SBP Dans les poumons on d nombre 20 SBP soit 10 pour le poumon droit et 10 pour le poumon gauche Or Horsfield ne r pertorie que 8 SBP pour le poumon gauche et 9 SBP pour le poumon droit Cependant il mentionne que les lobules raccord s ces SBP manquants sont aliment s par le segment adjacent Les conduits l int rieur des lobules sont appel s bronchioles Les bronchioles distales s appellent les bronchioles terminales et ces derni res donnent naissance environ 3 ordres 2 26 Chapitre 2 Etats des connaissances subs quents de bronchioles respiratoires Finalement les bronchioles respiratoires distales se divisent en conduits alv olaires menant aux alv oles La complexit math matique reli e au mod le asym trique compromet l interpr tation la co
173. mpr hension et la r solution m me du mod le Ils sont par cons quent peu employ s 2 3 4 4 Analyse de l coulement la bifurcation Toujours dans l objectif de pouvoir cr er un mod le math matique de l arbre pulmonaire les dichotomies sont sujettes un travail acharn depuis plusieurs ann es Avant de d crire les diff rentes tudes Horsfield a illustr la figure 2 16 le changement progressif de la section pour toute bifurcation Fig 2 16 Changement de section progressif la bifurcation En 1969 Schroter a t un des premiers mesurer exp rimentalement le profil de vitesse dans 5 L angle de la bifurcation fut fix 70 selon les donn es une bifurcation sym trique anatomiques de Weibel et de Horsfield Par la suite Schroter a mesur le profil de vitesse lors de l inspiration et de l expiration pour diff rentes valeurs du nombre de Reynolds Les conclusions de son tude sont que le profil de vitesse de l coulement est fortement modifi la sortie d une bifurcation comme en t moigne la figure 2 17 De plus l coulement n est pas seulement axial mais des coulements secondaires radiaux se forment suite a la bifurcation Par cons quent les pertes de charge la bifurcation se trouvent modifi es Ces travaux ont t 2 27 Chapitre 2 Etats des connaissances confirm s par Douglass par le mod le th orique de Scherer et par l ments finis 5
174. n e Comme il a t mentionn l asymptote horizontale des nouvelles courbes IVPD fournissent le d bit maximal expiratoire en fonction du volume pulmonaire de l anglais Maximum Expiratory Flow Volume curves ou MEFV pour l tat des poumons d crit par la courbe PV g n r e Pour une Peip variant de 6 16 cm H20 les DEMV r sultantes sont pr sent es la figure 3 14 Courbe DEMV pour diff rentes Peip V ml s m I i l Peip 16 cmH20 160 i i 20 30 40 50 60 70 80 90 100 V ml kg Fig 3 14 Courbe de d bit expiratoire maximale en fonction du volume pulmonaire DEMV pour les diff rentes courbes PV g n r es la figure 3 6 en VLT avec du PFOB 3 25 Chapitre 3 Mod le stationnaire L hyst r sis pr sente sur les courbes PV g n r es explique l cart entre les diff rentes DEMV prises des Peip diff rentes Ainsi il existe une courbe DEMV unique pour chaque courbe PV g n r e Les isobares indiquent un niveau de pression alv olaire Palv quivalent pour les diff rentes courbes DEMV On constate rapidement que d pendamment du niveau de Peip s lectionn e le volume pulmonaire V varie pour une Palv constante Ces courbes vont servir d terminer le profil expiratoire optimal 3 3 4 2 Profil expiratoire optimal En utilisant le r sultat de la figure 3 14 chaque courbe DEMV d cro t de fa on presque lin aire et elles sont similaires celles trouv es par Me
175. n fonction la pression alv olaire Palv pour le PFOB avec les coefficients de Collins et Elad pour corriger les pertes de pression par friction visqueuse L cart type calcul partir des points exp rimentaux est trac sur cette figure 3 43 Fig 4 1 Sch ma g n rale pour le syst me mod liser 4 2 Fig 4 2 Mod le pulmonaire du 1 ordre 4 3 Fig 4 3 lastance statique calcul e pour diff rents volumes courants et Peip Ces valeurs ont t calcul es l aide de l quation de Venegas et des courbes PV exp rimentales du chapitre 3 4 4 Fig 4 4 R sistance des voies respiratoires en fonction du d bit pour diff rent volume pulmonaire en pourcentage de la CPT 4 6 Fig 4 5 Mod le et r sultats de l quation 4 5 pour le PFOB 4 7 Fig 4 6 Sch ma bloc du mod le pulmonaire du 1 ordre sous Simulink avec une r sistance non lin aire ___ 4 8 Fig 4 7 Signaux g n r s sans bruit de mesure avec le profil volumique exponentiel 4 9 Fig 4 8 Signaux g n r s avec bruit de mesure avec le profil volumique exponentiel 4 10 Fig 4 9 Signaux g n r s avec bruit de mesure avec le profil volumique exponentiel et en utilisant la r sistance pulmonaire non lin aire pr sent e la section 4 1 3 4 11 Fig 4 10 R sultats de l identification avec l algorithme RLS 1 sans bruit de mesure avec un profil volumique exponentiel 4 12 Fig 4 11 R sul
176. n objectif en volume courant et la diff rence est soustraite du volume inspirer De cette fa on le volume pulmonaire reste constant Pour g rer ces variations de volume inspir et expir et l occurrence des collapsus un superviseur a t d velopp Il est pr sent en d tail dans la section Superviseur Chapitre 5 Systeme de commande Pour corriger la situation le clinicien peut d cider d augmenter le Peep cas D La pompe inspiratoire ins re alors un volume courant complet mais la pompe expiratoire retire moins de liquide ce qui augmente le volume pulmonaire et la Peep Ceci n est qu un exemple pour g rer le collapsus mais le clinicien aurait pu revoir Le volume courant demand la diminution du Vt permet de r duire le d bit expiratoire et d viter le d veloppement de collapsus voir chapitre 3 Le temps d expiration Te augmenter le temps d expiration diminue proportionnellement le d bit voir chapitre 3 Pva cm H20 D bit L min Vi ml Ve ml Fig 5 1 Exemple de respirations en mode VCi VCe lors d une ventilation liquidienne totale Chapitre 5 Systeme de commande 5 1 1 1 Consid rations importantes Ce mode ventilatoire pr sente l avantage d assurer une ventilation minute Vmin constante Par contre la d finition du profil expiratoire a une influence importante sur les pressions mesur es dans la trach e Si les d bits expiratoires sont trop importants
177. nant d terminer le d bit expiratoire en fonction de la pression alv olaire 3 34 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pression dans la trach e 50 T T i Expiration l 40 ee O 30l ae Less ee cs S Aer Palit g 20 JE RS en Fees te aca 8 1 I 1 me 1 on mi gt 1 l i a FI Mirth ay vio 10 I rs Ta 17 17 1845 17 185 17 1855 100 Ve ml DEN ko 0 ea a eee ee ee eT ee ee aes 17 183 17 1835 17 184 17 1845 17 185 17 1855 17 186 Temps heures Fig 3 19 Signaux utilis s pour calculer la pression alv olaire en fonction du temps agneau num ro 062806 cycle 404 VLT PFOB La d riv e du signal volumique au niveau de la pompe expiratoire donne en sortie le d bit volumique et la figure 3 20 en pr sente le r sultat Comme on peut le constater la d riv e d un signal analogique introduit du bruit et pour contrer ce probleme un filtrage a t appliqu sur les r sultats Les coefficients du filtre passe bas Butterworth d ordre 4 ayant une fr quence de coupure de 2 5 Hz ont t calcul s l aide de la fonction butter m de Matlab Ces coefficients ont t repris par la fonction filtfiltim de Matlab qui permet de filtrer le signal du d bit volumique expiratoire 3 35 Chapitre 3 Mod le stationnaire D bit expiratoire 40 35 30 25 20 ml s 15 r er 5 1 merits 17 183 17 1835 17 184 17 1845 17 185 17 1855
178. nce de coupure du syst me en boucle ferm e pul rad s fr quence naturelle de la r sonnance de tube Vi ml volume inspir mesur Ve ml volume expir mesur Ze quation de correction pour l quation de Poisseuille au niveau de la g n ration z Amortissement du syst me en boucle ferm e Cpul Amortissement naturel de la r sonnance de tube Modes ventilatoires principaux PA Ventilation en pression augment e de l anglais Pressure Augmentation PC Ventilation en pression contr l e de l anglais Pressure Controlled Ventilation VCRP Ventilation en volume contr l r gulation de pression de l anglais Pressure Regulated Volume Control VAPS mode ventilatoire volume assist pression support e de l anglais Volume Assisted Pressure Support PSV Ventilation en pression support e variable de l anglais Variable Pressure Support VC Ventilation en volume contr l de l anglais Volume Controlled Ventilation VA Ventilation en volume assist de l anglais Volume Support Ventilation i Indice pour indiquer le mode pour phase inspiratoire e Indice pour indiquer le mode pour phase expiratoire 1 Introduction 1 1 Le SDRA Le syndrome de d tresse respiratoire aigu SDRA est une forme tr s s v re de d faillance pulmonaire aigu o la capacit d changes gazeux chute radicalement Bien que connu depuis tr s longtemps sous des d nominations diff rentes
179. nce volumique exponentielle Vref f la fonction en morceaux 5 2 est employ e La figure 5 8 pr sente le profil en volume et son profil en d bit associ 1 C sit lt tpe Vref t 21 5 2 Are C sit t lt T Ou tne le temps de mont e de l exponentielle A V t 2 c i ee l amplitude de l exponentielle 1 est la constante de temps Te le temps d expiration Ve le volume expirer quivalent au V inspir C et C4 sont des constantes d int gration fonction des conditions initiales Chapitre 5 Syst me de commande Fig 5 7 Profils en volume et en d bit utilis s pour l inspiration durant une VLT Fig 5 8 Profil exponentielle utilis pour expiration durant une VLT Chapitre 5 Systeme de commande 5 2 2 R gulation en pression expiration La figure 5 9 pr sente le sch ma bloc du syst me pour contr ler l expiration en pression Le chemin ombrag d crit le parcours suivre La r f rence en pression dans notre cas c est une constante est g n r e et transmise au contr leur en pression Ce dernier compare la r f rence avec la mesure de la pression trach ale et transmet une consigne proportionnelle l erreur entre la mesure et la r f rence en tension au servo amplificateur Cette consigne est trait e de la m me fa on par le servo amplificateur que lors d une r gulation en volume on p p q 8 Pom
180. ns quent une pression alv olaire importante permet un d bit expiratoire plus important Lorsque le d bit volumique expiratoire atteint une asymptote horizontale cette valeur est consid r e comme tant le d bit expiratoire maximal de l anglais MEF pour Maximum Expiratory Flow En cas de collapsus expiratoire ces observations prennent toute leur importance si pour un profil expiratoire d fini un collapsus se d veloppe le clinicien a deux choix il peut augmenter sensiblement le volume pulmonaire par le fait m me la pression alv olaire pour corriger le probl me et ou modifier le profil expiratoire pour ajuster le d bit en cours d expiration 3 19 Chapitre 3 Mod le stationnaire Avec le d bit expiratoire maximal et la pression alv olaire Palv de d part d bit volumique nul V 0 il est possible de tracer le d bit expiratoire maximal en fonction de la pression alv olaire La figure 3 10 pr sente cette courbe pour les diff rents PFC employ s en VLT D bit expiratoire maximal versus la pression alv olaire 6 PFOB PFDEC N FC77 50 N eee oo MAO 100 V ml s m 200 Paw cmH 0 Fig 3 10 D bit expiratoire maximal DEM versus la Palv pour les diff rents PFC employ s en VLT La viscosit du PFC explique en bonne partie l cart entre les diff rentes courbes Plus le liquide est visqueux plus ce dernier devra tre retir des poumo
181. ns lentement pour une pression alv olaire Palv de d part identique Donc pour maintenir une fr quence ventilatoire identique d un PFC l autre la pression alv olaire sera plus lev e pour un PFC plus visqueux titre comparatif le rapport de r duction du d bit expiratoire pour le FC77 versus l air est d environ 41 m diane pour Palv de 1 30 cm H20 Schoenfisch et Kylstra ont trouv exp rimentalement un rapport de r duction du d bit expiratoire de 50 14 les propri t s du FC80 tant similaires celles du FC77 Quant au PFDEC le rapport de r duction moyen est aux alentours de 50 m diane pour 3 20 Chapitre 3 Mod le stationnaire Palv de 1 30 cm H20 basse pression Palv 1 cm H20 le PFDEC restreint beaucoup le d bit expiratoire maximal avec un rapport de r duction de 198 Les courbes sur la figure 3 10 changent de pente deux endroits distincts Pour le FC77 le RM101 et le PFOB les changements de pente sont aux alentours de 2 et 8 cm H20 Quant au PFDEC ces valeurs se situent environ 1 et 10 cm H20 L explication tient au fait que l coulement au niveau de la trach e passe d un tat laminaire le nombre de Reynolds la trach e Reo est inf rieur 2100 turbulent Rep gt 4000 en passant par l tat transitoire 2100 lt Reo lt 4000 Donc en fonction de l tat initial des poumons il est possible de rencontrer un coulement turbulent au niveau de la trach
182. nspan JS Deoras KS Rubenstein SD Shaffer TH Comparison of gas and Liquid Ventilation Clinical Physiological and Histological Correlates JAP 1992 72 3 1024 31 12 Cox C Stavis RL Wolfson MR Shaffer TH Long Term Tidal Liquid Ventilation in Premature Lambs Physiologic Biochemical and Histological Correlates Biol Neonate 2003 84 3 232 42 13 Reickert CA Rich PB Crotti S Mahler SA Awad SS Lynch WR et al Partial liquid ventilation and positive end expiratory pressure reduce ventilator induced lung injury in an ovine model of acute respiratory failure Crit Care Med 2002 Jan 30 1 182 9 14 Bleyl JU Ragaller M Tscho U Regner M Kanzow M Hubler M et al Vaporized perfluorocarbon improves oxygenation and pulmonary function in an ovine model of acute respiratory distress syndrome Anesthesiology 1999 Aug 91 2 461 9 15 Kandler MA von der Hardt K Schoof E Dotsch J Rascher W Persistent improvement of gas exchange and lung mechanics by aerosolized perfluorocarbon Am J Respir Crit Care Med 2001 Jul 1 164 1 3 1 5 16 Fuhrman BP Paczan PR DeFrancisis M Perfluorocarbon associated gas exchange Crit Care Med 1991 May 19 5 712 22 17 Leach CL Greenspan JS Rubenstein SD Shaffer TH Wolfson MR Jackson JC et al Partial Liquid Ventilation with Perflubron in Premature Infants with Severe Respiratory Distress Syndrome N Engl J Med 1996 sep 335 1 1 761 7 18 Wolfson MR Greenspan JS Shaffer TH Liquid Assist
183. nt et la pression bouche d passe alors le niveau de pression support e Lorsque le volume d livr est gal au V demand l inspiration est termin e La limite sup rieure en pression prend toute son importance dans ce cas pour alerter le clinicien d un niveau de pression anormalement lev Le cas C pr sente une diminution marqu e de la compliance pulmonaire Ainsi si le seuil de d bit inspiratoire est atteint rapidement le contr leur bascule de nouveau en volume contr l en utilisant un d bit constant Puisque l objectif est d atteindre un V minimum le temps inspiratoire peut tre allong jusqu 3 secondes pour ins rer le volume demand D pass e cette limite temporelle l inspiration est avort e et l expiration est d but e Dans le cas contraire cas D si la compliance pulmonaire s am liore le volume d livr peut tre sup rieur au V minimum Alors le contr leur maintient le niveau de pression support e durant le temps d inspiration et ne fait aucune modification pour les cycles respiratoires suivants Donc il y a plusieurs r gles qui dictent les actions du respirateur selon la relation entre le V d livr et le V demand L inspiration est contr l e en pression si le volume d livr est sup rieur ou gal au V demand et que le seuil de d bit est atteint L inspiration est contr l e en volume si le volume d livr est inf rieur au V demand et que le seuil de d bit es
184. ohn Liquid Ventilator San Diego Calif Philadelphia Pa patent us6105572 2000 aug 22 3 Alavarez Diaz Francisco Jose Larrabe Barrena Juan Luis Valls I Soler Adolfo Gomez Solaetxe Miguel Angel Astiasoro Cuesta Elena Arnaiz Renedo Arantxa Device for assisted respiration of liquid with control of volume introduces and or extracts liquid carrying oxygen into or from lungs of patient patent ES2154596 2001 1 April 4 Federowicz Michael G and Klatz Ronal M Liquid Ventilation Method and Apparatus Chicago IL patent WO 97 32621 1997 sep 12 5 Nightengale Chris Respiratory Apparatus Including Liquid Ventilator Englewood CO patent us2002 0023640 Al 2002 feb 28 6 Heckman JL Hoffman J Shaffer TH Wolfson MR Software for real time control of a tidal liquid ventilator Biomed Instrum Technol 1999 May Jun 33 3 268 76 7 Larrabe JL Alvarez FJ Cuesta EG Valls i Soler A Alfonso LF Arnaiz A et al Development of a time cycled volume controlled pressure limited respirator and lung mechanics system for total liquid ventilation IEEE Trans Biomed Eng 2001 Oct 48 10 1134 44 8 Hirschl RB Merz SI Montoya JP Parent A Wolfson MR Shaffer TH et al Development and application of a simplified liquid ventilator Crit Care Med 1995 Jan 23 1 157 63 9 Meinhardt JP Quintel M Hirschl RB Development and application of a double piston configured total liquid ventilatory support device Crit Care Med 2000 May 28 5 1483 8
185. on 3 8 pour les g n rations z 3 5 Lignes grasses D bit critique Verit Lignes fines IVPD la pression alv olaire au d bit expiratoire nul V 0 ml s m 3 3 3 Segment limitatif et point d gale pression Cette analyse met de l avant l hypoth se suivante si un collapsus expiratoire se d veloppe il y a de forte probabilit que le segment limitatif de l anglais Flow limiting segment ou FLS se situe dans les voies respiratoires centrales g n ration z 0 2 Puisque la densit et la viscosit des liquides utilis s en VLT sont consid rables en comparaison avec lair il est normal que l coulement soit limit dans les voies respiratoires o la vitesse de l coulement U est la plus importante Bull et coll dans un r cent article ont d montr exp rimentalement la m me conclusion ind pendamment du volume pulmonaire la fin de l inspiration ou de la Peip le segment limitatif est la trach e ou les bronches Ce r sultat est important en VLT car il permet 3 23 Chapitre 3 Mod le stationnaire de d montrer que le collapsus expiratoire est mesurable En ins rant un capteur de pression dans la trach e il est possible de d celer le d veloppement d un collapsus expiratoire pour le pr venir Si l on regarde l emplacement des points d gale pression de l anglais Equal Pressure Point ou EPP ils sont localis s dans les voies respiratoires centrales pour une pres
186. on de matrice e g singularit ou explosion de matrice et sauver du temps de calcul l quation B 6 est utilis e Le terme de pond ration a n est calcul partir de l quation B 7 APA n 1 x n x 2 4 n 1 Re a nor B 6 1 a n A x A n 1 x n oe Gr ce cet algorithme il n est pas n cessaire de conserver toutes les donn es pr c dentes pour identifier les param tres recherch s Il est donc simple mettre en place et peu gourmand en puissance de calcul Pour utiliser l algorithme RLS on doit appliquer les tapes pr paratoires suivantes 1 D finir l entr e du syst me B 2 Annexe B Syst me commander D finir la sortie du syst me crire le mod le du syst me Identifier les variables explicatives SA et D oS Cibler les param tres valuer B 2 Circuit fluide La figure B 1 pr sente le parcours du liquide l int rieur du respirateur liquidien Le diagramme de corps libre pr sente toutes les sections qui seront l tude pour d terminer les pertes de charge Ces pertes de charge se traduisent par une pression exerc e sur le piston qui une fois multipli e par la section de ce dernier donne la force exerc e par le mouvement du liquide sur le piston i Point 8 FR 7 EAP to cum cs LEBEL AR RL EE SPO LEE IEA eee ee cocvsvossuscubecsesesseccecevesesececbuse Ke cocaueesssecssesseseseesese es SQ R 0 Im 1 Piston oN 2
187. on la r sistance peut changer de fa on importante Alors il devient ambigu de d finir la r sistance ou le moment opportun pour d terminer la r sistance afin d valuer la constante de temps expiratoire La figure 3 18 qui suit Chapitre 3 Mod le stationnaire pr sente la variation de la r sistance R index e selon la surface corporelle en fonction du d bit diff rent volume pulmonaire pourcentage de la capacit pulmonaire totale CPT Les ronds sur cette figure indiquent la r sistance des voies respiratoires lorsqu on limite le d bit expiratoire une pression de r f rence Pra 2 cm H20 R sistance des voies respiratoires versus le d bit expiratoire 0 45 0 35 0 254 R cm H20 s ml m 0 15 0 05 Oo a O ot O 250 V ml s m Fig 3 18 R sistance index e des voies respiratoires en fonction du d bit expiratoire et du volume pulmonaire pourcentage de la capacit pulmonaire totale CPT Les ronds verts indiquent la r sistance des voies respiratoires lorsque le d bit expiratoire est limit e la pression de r f rence P 2 cm H 0 On constate que la r sistance des voies respiratoires pour une pression de r f rence constante peut varier d un facteur important entre le d but et la fin de l expiration Par contre il est possible d avoir une r sistance constante si on fait varier le d bit en fonction du volume pulmonaire Analyti
188. on le liquide _ adim 4 5 Validation in vitro 4 5 1 Mod le Simulink non lin aire La premi re validation in vitro a t ex cut e pour valider l expression des pertes de pression dans le circuit du respirateur et le mod le du moteur lectrique Ainsi pour l instant les poumons ne sont pas coupl s au syst me Rineaire et E sont mise z ro Du point de vue th orique le mod le Simulink de la figure 4 22 pr sente l ensemble des quations pour les pertes de pression non lin aires ainsi que pour le moteur 4 27 Chapitre 3 Mod le stationnaire Chip Signal Gain2 Volume Fig 4 22 Mod le simulink pour valider la mod lisation du circuit fluide ainsi que du moteur Pour une commande utilisant un sinus glissant de 0 1 Hz 100 Hz sur 15 secondes Chirp Signal dans Simulink la r ponse th orique du syst me non lin aire est illustr e la figure 4 23 20 Volume ml Commande Volt Temps sec Fig 4 23 R ponse simul e du mod le non lin aire avec Simulink La d rive du volume s explique par la pr sence des termes statiques au niveau du couple moteur voir la section 4 3 1 o le terme pgh favorise la descente du piston mais s oppose la remont e de ce dernier Comme en t moigne la figure 4 24 si on retire ce terme le volume cesse de d river De plus en retirant la force de fiction au niveau du joint l amplitude du mouvement du 4 28 Chap
189. ons avec du PFC liquide et un respirateur m canique gazeux supporte la respiration du patient Cette technique est plus r pandue et ne requiert pas de respirateur sp cialis Elle a fait l objet d tudes 9 16 18 depuis plusieurs ann es et semblait d montrer qu elle peut tre b n fique et utilis e 1 3 Chapitre 1 Introduction d une mani re s curitaire sur l humain Par contre en mai 2001 Alliance Pharmaceutical Corporation annon ait les r sultats pr liminaires d cevant de la VLP en tude clinique de phase 2 3 L tude sur 311 adultes r partis dans 56 centres aux tats Unis en Europe et au Canada ne d montrait aucun avantage significatif utiliser la VLP 2 Depuis on assiste une r orientation des activit s de recherches vers la ventilation liquidienne totale VLT 3 La VLT consiste remplir totalement les poumons avec du PFC liquide Une fois ceux ci remplis un respirateur m canique ins re et retire un volume de PFC appel le volume courant ou Vf des poumons selon les param tres ventilatoires fournis par les intervenants Cette technique d montre une sup riorit face la VLP car elle assure une 11 F sats de gt 21 Mais cette activit de distribution plus homog ne du PFC dans les poumons recherche est plus difficile 4 mettre en place que la VLP et la VLA car elle n cessite un respirateur liquidien total d di qui pour l instant n est pas disponible commercia
190. ont les param tres identifier Dans le cas de notre syst me commander l entr e est la tension de commande U au servo amplificateur et la sortie est le volume mesur dans la pompe Fe La comparaison entre les 2 fonctions de transfert th orique versus identifi e sera faite en comparant les p les qui consiste calculer les racines du d nominateur de la fonction de transfert ou les racines du polyn me A q Pour d buter l identification la d rive du volume de la pompe a t retir e De plus l amplitude du mouvement du piston de la pompe est n gligeable apr s 5 secondes Par cons quent l intervalle de temps 0 5 secondes sera employ En utilisant la fonction arx m de Matlab les p les identifi s pour le mod le ARX d ordre 221 sont 1 et 0 961 En r duisant l ordre du mod le 4 30 Chapitre 3 Mod le stationnaire ARX 211 les p les identifi s sont 1 et 0 954 Le gain statique quant lui est de 16 7 La figure 4 25 pr sente la sortie des mod les ARX et Simulink utilisant la m me commande au moteur At T T TT Mod le non lin aire Rire Mod le ARX221 Mod le ARX211 Volume ml Temps sec Fig 4 25 Sortie des mod les ARX et non lin aire sous Simulink Les traces sont pratiquement identiques Visuellement il est difficile de faire la distinction entre les deux mod les ARX Par contre l analyse de la position des p les indique une meilleure approximat
191. p important d un facteur minimum de 3 5 35 Chapitre 5 Systeme de commande Lieu de Bode de la fonction de transfert 50 Ha J a ee ano lt Z Obese 2 E E ae pe ee AS DRE La sms 5 P s Fpul s ie ae 50 L L s od RRARRARRER P s Fpul s C s 100 Fa a a or oe nn ts nul A em oe Gv mes ee a EE aS re CORRE CT es Be Wr lB 10 107 10 10 10 107 50 F T T i ey T ARE Oe EE O TT J D wert co 50 we eget 4 7 eee pee aaa TTT ae ne 2 100 bone otre re rere Es RO lue 2 150 4 200 ame mere en ae PME es F pil rial a R a ee it RE tie FREE oss 10 107 10 10 10 10 Fr quence Hz Fig 5 22 Ajout de perturbations qui prend en consid ration le dynamique des tubes flexibles pour un gain Kpu 800 5 3 4 4 Fonction de sensibilit et sensibilit compl mentaire La figure 5 23 pr sente la sensibilit S s et la sensibilit compl mentaire T s du syst me en boucle ferm e La fonction de sensibilit en sortie S s indique la sensibilit de la sortie Pva aux perturbations sur cette sortie bruit de mesure ou autre La sensibilit compl mentaire T s d termine la relation entre la sortie du syst me Pva et la consigne P e ainsi que l effet du bruit de mesure sur la sortie Pva Si on regarde de pr s la fonction de sensibilit S s les perturbations en haute fr quence sur la sortie Pva gt 3 Hz affectent la sortie du syst me Pva
192. pe Inspiratoire Expiratoire Capteur de Capteur Pression trach e G n rateur hr des r f rence Tension interne Pression Vitesse Tension d sir e Servo amplificateur Fig 5 9 Sch ma bloc du contr le en pression lors de l expiration 5 2 2 1 Remarque Sur le respirateur m canique gazeux la mesure de la pression se fait au niveau du respirateur voir le chapitre 2 sur l tat des connaissances figure 2 21 car les pertes de pression dans la tubulure sont presque n gligeables et facilement compensables De plus la pr sence d expectorations au niveau de la trach e peut venir fausser la mesure de pression Cependant sur le respirateur liquidien les pertes de pression sont importantes dans le circuit du respirateur ce qui ne permet pas pour l instant de d placer le capteur de pression de la trach e la pompe En contre partie l insertion et le retrait de liquide lave convenablement les voies respiratoires permettant ainsi d obtenir une mesure de pression trach ale fiable 5 14 Chapitre 5 Systeme de commande 5 2 3 Superviseur Sur le respirateur liquidien de l quipe Inolivent d crit pr c demment une pompe est d di e inspiration et la seconde a l expiration Sachant qu il peut y avoir des erreurs mesurables entre les volumes inspir et expir un superviseur a t d velopp pour g rer ces erreurs De plus le
193. piration d au moins quatre secondes 35 Gr ce cette pause il est possible d obtenir une mesure fiable de la pression r elle l int rieur des poumons quivalente la pression alv olaire Palv y t 2 5 Stat j Peip Peep Lorsque la pause de 4 secondes ne peut tre assur e il est tout de m me possible de calculer la compliance du syst me respiratoire Le calcul est identique ce qui est pr sent quation 2 5 Dans ce cas on ne parle plus de compliance statique mais de compliance dynamique Cy et les valeurs diff rent l une de l autre 2 2 5 Courbe PV La courbe PV met en contraste deux param tres importants soit la pression l int rieur des voies respiratoires et le volume des poumons en fonction du temps La courbe PV qui en r sulte est montr e la figure 2 10 et la pente de cette derni re nous donne fa compliance Chapitre 2 Etats des connaissances Fig 2 10 Courbe PV en ventilation gazeuse Sur cette courbe la pr sence d une hyst r sis explique l cart entre la courbe inspiratoire et expiratoire La limite sup rieure en pression est fix e dans la majorit des cas 30 cm H2O 3 A partir de cette pression la courbe affiche un fl chissement indiquant la limite lastique des poumons Lors d une ventilation un volume courant quelconque la ventilation ne s effectue pas sur l ensemble de cette courbe mais sur une portion de celle ci comprise en
194. piration forc e La capacit inspiratoire CI de l anglais Inspiratory Capacity ou IC est le volume disponible pour l inspiration suite une expiration normale Le volume courant de l anglais Tidal volume ou V est d fini comme tant le volume que l on inspire lors d une inspiration au repos Le volume r siduel VR de l anglais Residual Volume ou RV est le volume de gaz qui reste dans les poumons suite a une expiration forc e Ce volume d air est toujours pr sent dans les poumons et il ne peut tre expir Le volume de r serve expiratoire VRE de l anglais Expiratory Reserve Volume ou ERV est le volume additionnel disponible pour expirer suite 4 une expiration au repos Le volume de r serve inspiratoire VRI de l anglais Inspiratory Reserve Volume ou IRV est le volume additionnel disponible pour inspirer suite une inspiration au repos 2 2 3 D finition des pressions Avant de d finir les divers termes une explication des diff rentes pressions au niveau du syst me respiratoire doit tre faite pour ensuite aborder les propri t s de l appareil respiratoire Les indices anglais sont utilis s mais ils sont accompagn s d une traduction fran aise Peip Du terme anglais Positive End Inspiratory Pressure cette pression est mesur e dans la trach e la fin d une inspiration Cette valeur sert dans le calcul de la compliance Peep Du terme anglais Positive End Expiratory Pr
195. piratoires 5 33 Fig 5 20 Lieu de Bode du syst me en boucle ouverte suite un changement de l lastance pulmonaire __ 5 34 Fig 5 21 Lieu de Bode du syst me en boucle ouverte suite une augmentation de l lastance et d une diminution de la r sistance pulmonaire 5 35 Fig 5 22 Ajout de perturbations qui prend en consid ration le dynamique des tubes flexibles pour un gain Kpu 800 5 36 Fig 5 23 Sensibilit S s et sensibilit compl mentaire T s du syst me en boucle ferm e 5 37 Fig 5 24 R ponse du syst me en boucle ferm e suite un chelon de consigne pour diff rentes valeurs de r sistance des voies respiratoires 5 39 Fig 5 25 R ponse du syst me en boucle ferm e suite un chelon de consigne pour diff rentes valeurs d lastance 5 39 Fig 5 26 R ponse du syst me en boucle ferm e suite un chelon de consigne pour le cas pr sent la figure 5 21 5 40 Fig 5 27 R ponse du syst me en boucle ferm en ajoutant un bruit sur la mesure de la pression trach ale __ 5 41 Fig 5 28 Variation du volume expir en fonction du temps pour diff rentes pressions de r f rence 5 42 Fig 5 29 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire de type collapsus La pression de r f rence est 5 cm H30 5 43 Fig 5 30 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire d
196. ponse du syst me en boucle ferm e devra tre l int rieur des limites prescrites par les crit res de performance Fig 5 17 Zone de commande pour le contr leur mettre en place 5 28 Chapitre 5 Syst me de commande 5 3 4 2 Contr leur Le syst me commander pour effectuer un contr le en pression est un syst me stable p le et z ro gauche de l axe imaginaire dont le p le du syst me m canique est rapide mais avec un z ro tr s lent RimeaireS E P s Pva s K lineaire F s 5 20 Us s p Par la suite on consid re le cas o F s 1 sans les dynamiques non mod lis es Pour effectuer un placement de p le le contr leur suivant doit tre mis en place C s ere 5 21 La multiplication de la fonction de transfert du contr leur par le syst me commander nous donne la fonction de transfert du syst me en boucle ouverte Z s L s C s P s 5 22 Pour ce syst me minimum de phase un p le en boucle ferm e doit tre ajout et ce dernier doit tre l g rement plus rapide que le z ro Le syst me commander avec son contr leur en boucle ferm e donne la fonction de sensibilit compl mentaire suivante L s LE E EX sys S1 T s 1 L s s s p Xs r Rares EXs s s 5 23 Les 3 p les en boucle ferm e peuvent tre plac s selon les param tres so s et r Sans perte de g n ralit ces 3 p les se
197. pression ou le d bit inspiratoire mesur d passe un seuil fix sur le respirateur par le clinicien commun ment appel trigger level l insufflation est d clench e par le respirateur Cette insufflation va assurer au patient qui n a pas la capacit de faire tout le travail inspiratoire n cessaire une ventilation efficace L inspiration peut donc est d clench e par les actions spontan es du patient sur le respirateur en anglais cette option est appel s patient triggered en fran ais mode auto d clench En VLT par la pr sence d un liquide tr s dense et visqueux dans les poumons la respiration spontan e chez les patients ne pourra probablement pas tre observ e Par cons quent la description de cette option pour les diff rents modes ventilatoires sera omise La section qui suit pr sente un court historique du contr le appliqu la ventilation m canique suivie par les modes de base Les modes plus avanc s seront ensuite d crits Chapitre 2 Etats des connaissances 2 4 1 Historique du contr le de l change gazeux Saxton et Myers en 1953 ont t les premiers d velopper un contr leur boucle ferm e pour la ventilation En utilisant le niveau du CO la fin d une respiration comme entr e P co ils ont d crit l ajustement automatique de la pression inspiratoire pour contr ler le Parco Par contre les r sultats de cette recherche ne furent jamais publi s et aucune recherche sur d
198. quement il est tr s difficile de calculer la r sistance globale des poumons un d bit d fini car l aspect fortement non lin aire du mod le complique la t che Cependant il est possible de d terminer la r sistance initiale des voies respiratoires d bit nul en utilisant l quation 3 22 voir d tails en annexe A 3 32 Chapitre 3 Mod le stationnaire 16 282 ag Ro yes 3 22 En conclusion il n y pas de moyen direct en VLT pour calculer la constante de temps expiratoire du syst me respiratoire a partir de la r sistance des voies respiratoires et de la compliance du syst me respiratoire 3 4 Validation exp rimentale Plusieurs essais exp rimentaux ont t effectu s in vivo sur des agneaux nouveau n s par l quipe Inolivent pour valider les avantages de la VLT Dans un premier temps la VLT a t test e sur huit agneaux terme poumons sains avec du PFOB Durant ces tests le capteur de pression au niveau de la trach e a d riv pour des raisons toujours inconnues C est pourquoi la pression trach ale ne peut tre utilis e en valeur absolue En valeur relative i e variation de pression entre la Peep et le Peip les donn es peuvent tre exploit es pour calculer des valeurs de compliance de r sistance de d bit expiratoire etc Par contre il est impossible de relier ces valeurs leur niveau de pression alv olaire cause de la d rive du capteur de pression La seconde phas
199. r dissoudre une grande quantit d O2 dans le salin et parce que ce dernier retire le surfactant qui recouvre les alv oles Ces probl mes ont t surmont s en 1966 par le Dr Leland Clark qui a t le premier utiliser des perfluorocarbones oxyg n s la pression atmosph rique pour supporter la respiration de souris de chats et de chiens 6 De plus les perfluorocarbones sont non toxiques chimiquement stables et biocompatibles Ils sont identifi s comme liquide id al car ils ont une bonne diffusion dans les voies a riennes une faible tension de surface et une solubilit importante pour les gaz respiratoires permettant ainsi d assurer une oxyg nation et une puration efficace du CO A titre comparatif les PFC peuvent contenir 50 ml d O2 dl de PFC comparativement 3 ml d O gt dl de salin voir tableau 1 1 Un premier PFC le perflubron PFOB a t approuv pour usage m dical d autres comme le Perfluorodecalin PFDEC ont une mention pour usage m dical Chapitre 1 Introduction Tableau 1 1 Propri t s physiques de certains fluides utilis s en ventilation gazeuse et liquidienne Air Salin PFOB PFDEC Densit kg m 1 13 1000 1920 1900 Viscosit dynamique mPa s 0 02 0 71 2 11 5 11 Solubilit O2 ml de gaz dl de liquide 3 53 49 Solubilit CO ml de gaz dl de liquide 57 210 140 1 2 2 Avantages L avantage consid rable de la ventilation liquidienne par rapport la ventilation gaze
200. r e de nouveau la valeur mesur e actual current value La sortie du contr leur en courant du sol no de est de type modulation de largeur 2 51 Chapitre 2 Etat des connaissances d impulsion PWM de l anglais Pulse Width Modulation ce qui module l ouverture de la valve Donc l expiration est contr l e en pression au niveau de Peep demand e par le clinicien TRANSDUCER CONTROLLED SYSTEM EXPIRATORY soil VALYE POSITION VALVE SENSOR SOLENOID ACTUAL CURRENT ALUE PRESSURE CONTROL Fig 2 30 Sch ma bloc du contr le en d bit lors de expiration pour tous les modes Source Manuel de service du Servo 300 En fonction de ce qui vient d tre pr sent on remarque que les r gulateurs mis en place utilisent des contr leurs de type Proportionnel Int grateur D rivateur PID Ce type de contr leur est approuv par la FDA et les autres organismes r gisseurs car ils ont fait leurs preuves par le pass De plus pour la r gulation en volume et en pression la pr sence de pr compensateur semble tre une mesure acceptable pour les appareils m dicaux Ces observations seront consid r es dans le choix du contr leur pour la phase expiratoire sur le respirateur liquidien 2 52 Chapitre 2 tat des connaissances R f rences 1 Vaseen Vesper A Portable lung apparatus US patent US4232665 1980 November 11 2 Shaffer Thomas H Wolfson Marla R Heckman James L Hoffman J
201. r leur C s l galit suivante doit tre r solue s s p Xs r K R s EYs s s s a0 s 2 0 s 02 C 5 lineaire Annexe C Syst me de commande Si l on distribue les termes dans cette relation on obtient 3 2 3 2 2 2 3 s Pn r KRipeaineSo 8 KRineaireS KES Pur KES 5 260 a s Raco o b ao C 6 On peut faire ressortir les trois galit s suivantes ao Ss KE C 7 pn r KR ineaire 0 2 a C 8 KR ineaireS KEs Pm r 2a 1 o C 9 Si on isole r dans la relation C 8 Pe BS 2 ao Pm B KR iineaireS0 C 10 Si on combine les quations C 7 et C 10 dans C 9 2 aw 2 KES Rags 1o KR jinecire KE Pum 2 aro Pn KR jinecireS0 Pm C 11 On isole finalement s S Rinecire 20 E 2as 1Jo Ep 25 ao Ep C 12 0 E KE z KR iineaire Pm On remplace s dans la relation C 10 3 oy 2 i 2 r 2 ao i Pn KB pan 26 E 2a a lo Ep 25 T ao _ Ep C 13 E KE D ERP En simplifiant on obtient ea KRiineaire 0 as LKR pere EOG 26 a a KE o a KE p C 14 E KE KR C 2 Annexe C Syst me de commande C 2 Pr sentation du calcul des a Lorsque so 0 on peut faire ressortir le terme a a partir de la relation C 12 S T R ineaire O E a 1 o Ep 25 F ao aji Ep 0 C 15 E KE ou KR jneaire P m En distribuant on obtient R peire CO E2a oi Eo Ep 2
202. r maintenir le volume pulmonaire constant Ainsi la ventilation est poursuivie mais un volume inspir inf rieur au volume courant Dans tous les cas la r solution du collapsus doit se faire manuellement selon les observations des cliniciens Ils peuvent modifier la fr quence respiratoire Fr le volume courant Vt et ou le volume pulmonaire de fin d expiration CRF En g n ral la cons quence des collapsus est une diminution de l efficacit de la VLT car le collapsus limite la fr quence respiratoire Fr et ou le volume courant Vt d sir s tout en maintenant un volume de fin d expiration plus important Ceci se traduit par une baisse de la ventilation minute Vmin De plus les pressions n gatives importantes ainsi que les apparitions fr quentes et prolong es des collapsus pourraient entrainer des dommages au niveau des voies respiratoires bien que ce fait n ait pas t d montr 1 4 Objectifs du projet de doctorat L objectif poursuivi est de d velopper un algorithme de contr le qui minimise le risque de d velopper un collapsus expiratoire tout en maximisant la ventilation minute Pour atteindre cet objectif plusieurs questions doivent tre abord es 1 Quelles sont les causes du collapsus expiratoire La compr hension du ph nom ne de limitation est une tape cruciale dans la r solution du probl me En identifiant les causes il est alors possible de cibler les actions prendre pour les viter 2 Est ce
203. r transmettre au public par telecommunication ou par l Internet pr ter distribuer et vendre des th ses partout dans le monde a des fins commerciales ou autres sur support microforme papier lectronique et ou autres formats L auteur conserve la propri t du droit d auteur et des droits moraux qui prot ge cette th se Ni la th se ni des extraits substantiels de celle ci ne doivent tre imprim s ou autrement reproduits sans son autorisation In compliance with the Canadian Privacy Act some supporting forms may have been removed from this thesis While these forms may be included in the document page count their removal does not represent any loss of content from the thesis Canada Conform ment la loi canadienne sur la protection de la vie priv e quelques formulaires secondaires ont t enlev s de cette th se Bien que ces formulaires aient inclus dans la pagination il n y aura aucun contenu manquant R sum Le monde de la m decine recherche continuellement de nouveaux moyens pour repousser les limites de la pratique Depuis plusieurs ann es la ventilation liquidienne totale VLT est tudi e pour aider le support respiratoire des patients en d tresse respiratoire s v re Cette nouvelle technique de ventilation remplace le m lange gazeux normalement inhal par un liquide PFC En VLT les poumons sont totalement remplis de PFC et un ventilateur liquidien assure l insertion et le
204. r chauffer le PFC Le syst me de chauffage de l quipe de Shaffer est compos d un l ment lectrique chauffant sur lequel est d pos un sac jetable dans lequel le PFC circule 5 En plus de contenir tous les syst mes m caniques pour effectuer la ventilation liquidienne totale il est souhaitable que le respirateur apporte des renseignements sur la m canique du syst me respiratoire du patient Certaines quipes 2 ont brevet un proc d de contr le pour un respirateur liquidien bas sur la comparaison des conditions actuelles avec un intervalle de valeurs souhait es qui d terminent l indication d une alarme ou l activation d une servovalve sur le r seau de conduit N anmoins la difficult n est pas de d cider quand indiquer une alarme mais d ajuster la ventilation en cons quence pour viter cette alarme Pour ajouter la complexit de g rer la ventilation et les volumes ins r s et retir s des poumons lors d une VLT il est d montr qu une certaine quantit de PFC migre dans le sang et finit par 27 L quipe de Degraeuwe a d velopp tre limin e par transpiration au travers de la peau un contr leur qui compense le volume dans les poumons en fonction de la pression mesur e la fin de chaque expiration Cependant cette technique demande de prolonger la phase inspiratoire pour caract riser les poumons De plus lorsqu un changement des propri t s pulmonaires s op
205. rant une ventilation en pression contr l e Contrairement au mode ventilatoire PC le volume courant est fix et la r f rence n est plus une valeur de pression mais un d bit de r f rence V L quation 2 28 pr sente la fagon de calculer cette r f rence fo H 2 28 Ti D s le d but l inspiration le contr leur tente d atteindre le d bit de r f rence calcul Lorsque ce niveau est atteint le d bit est maintenu dans les voies respiratoires jusqu au temps d inspiration Ti Comme il est illustr pour les cas A C la pression varie selon la compliance et la r sistance des voies respiratoires Il est donc important de bien fixer les limites en pression dans les voies respiratoires pour viter des surdistensions Comme pour le mode PC l expiration s ex cute pression contr l e au niveau de la Peep Si le temps d expiration est insuffisant cas D le d bit la fin de l expiratoire ne sera pas nul et la pression mesur e sera sup rieure la Peep demand e On assiste alors au ph nom ne d auto peep apr s chaque cycle une partie du volume inspir n est pas expir ce qui fait augmenter de cycle en cycle la valeur de la Peep Il est donc primordial que le clinicien modifie les param tres ventilatoires initiaux et corrige cette situation ex augmenter le temps d expiration ou diminuer le V 2 35 Chapitre 2 Etats des connaissances Pya cm H20 D bit L min Vt mi
206. ratoire 7 pr Le temps de pause expiratoire TpFg Les limites en pression haute en cas de surpression et basse en cas de collapsus La figure 5 1 pr sente un exemple des respirations que l on peut avoir durant une VLT en VCi VCe Sur cette figure la variation du volume dans les pompes est illustr e la partie ombrag e indique l endroit o le volume de liquide d plac par les pompes participe a la variation du volume pulmonaire La partie claire pr sente le remplissage avant l inspiration ou la vidange avant l expiration pour chaque pompe et ce changement de volume ne modifie pas le volume pulmonaire Le profil volumique inspiratoire d termine la r f rence que devra suivre la pompe Donc d s le d part de l inspiration le contr leur poursuit la r f rence calcul e Comme il est illustr pour les cas et B la pression trach ale varie selon la r sistance des voies respiratoires et la compliance du syst me respiratoire Il est donc important de bien fixer les limites en pression dans les voies respiratoires pour viter des surpressions L expiration est aussi command e en volume et le profil g n r conditionne la pression mesur e dans la trach e Si les param tres du profil ne sont pas bien d termin s en fonction de l intervalle de pression laquelle la VLT s ex cute des collapsus expiratoires peuvent survenir cas C Dans ce cas pr cis la pompe expiratoire s arr te avant l atteinte de so
207. retrait d un volume courant L quipe interdisciplinaire Inolivent d veloppe et exp rimente depuis 10 ans la VLT Lors des essais une probl matique majeure a t rencontr e le collapsus expiratoire Contrairement la ventilation gazeuse ou l expiration est passive l expiration doit tre active pour forcer l extraction du liquide Le syst me de pompage cr e alors une d pression dans la trach e qui peut mener l crasement des voies respiratoires c est le collapsus expiratoire Ce dernier peut tre vit en diminuant le volume et ou la fr quence respiratoire mais au risque de compromettre la r mission du patient L objectif de cette th se est donc la compr hension de ce ph nom ne afin d laborer des solutions permettant d optimiser la ventilation La compr hension s appuie sur la mod lisation num rique des coulements fluides dans les poumons Ce mod le a t valid in vivo sur le mod le ovin du nouveau n Il a permis de d montrer que le collapsus se produit avant tout dans la trach e ce qui justifie la pr sence d un capteur de pression cet endroit De plus il a mis en lumi re certains param tres importants consid rer dont la pression de fin d inspiration Peip qui influencent grandement la ventilation minute produit de la fr quence respiratoire par le volume courant Le mod le num rique d montre la pertinence de mettre en place une strat gie de contr le bas
208. ront un p le simple sur l axe r el 1 aws et deux p les qui peuvent tre r els ou complexes conjugu s d amortissement amp et de pulsation naturelle w Pour sp cifier l emplacement de ces 3 p les en boucle ferm e afin de rencontrer les crit res de performances tablis la forme du d nominateur de la fonction de sensibilit compl mentaire 7 s est fix e par le polyn me repr sent par l quation 5 24 s aa s 260 5 0 5 24 5 29 Chapitre 5 Systeme de commande Dans la relation 5 24 wo est la bande passante souhait e du syst me en boucle ferm e et amp est l amortissement du syst me Afin de d terminer la valeur du p le et du z ro du contr leur l galit suivante doit tre r solue s s p As r K Rineaines Esos 5 s a Js 2608 a 5 25 En isolant les termes r so et 57 on trouve les relations 5 26 5 28 plus de d tails sont fournis en annexe C r R iineaire 20 ny Riineaire E 2 a 1w E 2 aos E p 5 26 p E E Piha RO E 2 a Iw T P ECS a o p E s EE pR 5 27 m lineaire S ao 5 28 TE 28 Les param tres Ryineaire E et le p le moteur pm sont connus et le seul param tre d terminer est la variable a Cette valeur est critique pour assurer un contr leur stable Si on r arrange les quations 5 26 et 5 27 les relations suivantes sont obtenues a Pimen EO 2E Sy E Py 5 29 Riar 2Rineaire E
209. rs sont de 186 ml et 800 ml respectivement Donc le facteur de mise l chelle de l enfant l adulte est 13 FSO pe 3 15 1200 4840 Gr ce la courbe PV effectu e sur l agneau la capacit pulmonaire totale en VLT avec du PFOB chez un agneau de 4kg est de 486 ml Pour compl ter l quation pr c dente pour l agneau il manque le volume de tissu pulmonaire une mise l chelle du tissu pulmonaire chez l enfant en fonction de la capacit pulmonaire a t effectu e pour d terminer une valeur Chapitre 3 Mod le stationnaire approximative du tissu pulmonaire chez l agneau Ainsi le volume du tissu pulmonaire chez l agneau a t calcul 112 mi Il est alors possible de reprendre l quation 3 2 pour obtenir le facteur d chelle 0 463 13 pe PRE T 3 16 1200 4840 La longueur de la trach e fait exception cette r gle car tous les agneaux en VLT sont intub s Ainsi cette derni re a t fix e 5 cm selon les observations faites durant les exp rimentations animales La longueur des voies respiratoires pour chaque g n ration est list e dans le tableau 3 3 3 2 4 R solution du mod le Les entr es initiales du mod le sont la pression alv olaire Palv le d bit volumique expiratoire d sir dans les voies respiratoires V le volume pulmonaire expiratoire V et les propri t s physiques du PFC utilis voir le tableau 3 4 Le volume pulmonaire en fonction de la press
210. rte de pression par friction visqueuse APyjsc 1 2 AP ise SZ 7 Re2 ou Z gt 1 2 21 AP PE AON CE Reynolds en 1982 a refait sensiblement le m me travail en mod lisant la perte de charge dans un mod le en latex contenant les huit premi res g n rations d un poumon droit adulte Il a id alis son mod le bas sur ce que Weibel avait d j fait Il a d montr que l quation de Rohrer permet d estimer les pertes de charge AP r elles au niveau des voies respiratoires en fonction de l quation de Poisseuille AP pour un coulement laminaire L quation 2 22 pr sente la relation o a 1 5 b 0 0035 et n 1 chez l humain Cependant il a consid r le profil de vitesse comme tant presque parabolique en utilisant un gal 1 Collins a fait le m me travail pour l expiration La relation empirique qu il a trouv est la m me que Reynold l exception que a 0 556 b 0 06 et n 0 5 9 Mise Zo at bRe 2 22 AP Gr ce la g om trie pulmonaire et aux relations empiriques pour corriger les pertes de pression par friction visqueuse diff rents auteurs ont d crit des mod les pour am liorer la compr hension des ph nom nes limitatifs dans les voies respiratoires e g le collapsus expiratoire Le mod le d crit par Lambert en est un exemple Il sera repris et transpos la VLT dans le chapitre sur le mod le stationnaire 2 29 Chapitre 2 Etats des connaissances 2
211. rvient l expiration cas C si dans le temps prescrit le volume expir est inf rieur au volume demand V k le temps d expiration T n est pas prolong L erreur E et la compliance dynamique Cy sont alors calcul es et le volume inspirer au cycle suivant sera modifi par le Superviseur pour augmenter la Peep 5 8 Chapitre 5 Syst me de commande Dans le cas contraire si le volume expir est sup rieur ce qui a t demand par le clinicien dans le temps d expiration allou la Peep sera diminu e proportionnellement Le Superviseur est responsable de la gestion de la Peep l int rieur des limites permises D part de inspiration Inspiration en volume contr l selon les param tres gt D part de l expiration Expiration en pression contr l e au niveau fix Temps exp gt Arr t de l expiration Pas de modification sur la Peep Modification de la Peep avec Con et Eo Fig 5 5 Algorithme de d cision pour le mode VCi VCRPe 5 9 Chapitre 5 Syst me de commande 5 1 3 1 Consid rations importantes La r gulation de la pression expiratoire ne se fait pas au niveau de la Peep demand e Par cons quent le d bit la fin de l expiration ne sera pas nul Le clinicien ne pourra pas utiliser ce crit re pour v rifier la dur e du temps expiratoire afin de retirer le liquide inspir Contrairement au mode pr c den
212. s Pva pour chaque g n ration z Le r sultat pr sent la figure 3 9 est pour la trach e z 0 un d bit volumique nul V 0 la pression alv olaire Palv peut tre directement lue sur l abscisse La ligne pointill e au dessus et en dessous de chaque ligne continue donne l intervalle d erreur possible sur le d bit en fonction d une erreur sur le volume pulmonaire de 15 ml kg Chapitre 3 Mod le stationnaire Courbes IVPD pour le PFOB Palv de 0 30 cm H20 200 T T T T T T CPT 100 180 ES Sais 1009 ma m Intervalle d erreur sine do Se EL eee 4 160 i si A 140 RS ee CE cs i E 120 aaen oe soe sn ee lt amp 100 we eae ell a 7 C1 VV YY 0 CPT 22 40 30 20 10 0 10 20 30 Pvajo cm H20 Fig 3 9 Courbes IVPD pour le PFOB Pour obtenir ces courbes la pression alv olaire et le volume pulmonaire est fixe Il suffit ensuite d augmenter le d bit expiratoire V jusqu l atteinte de la pression limite 500 cm H O ou de la vitesse de propagation d une onde de pression c Lorsque V 0 on retrouve la pression alv olaire Palv D bit expiratoire pour un volume pulmonaire moyen Intervalle de confiance avec une erreur sur le volume pulmonaire de 15 ml kg Comme il est possible d observer sur la figure 3 9 le d bit expiratoire maximal augmente proportionnellement avec la pression alv olaire Par co
213. s conditions initiales des poumons dont le volume pulmonaire V et la Peip Math matiquement Vi gt SV Peip A 9 Si l objectif est de trouver le temps expiratoire minimal pour atteindre le volume expiratoire d sir au temps V t Te a une Peip sp cifique la courbe DEMV doit tre suivie et la relation r soudre est la suivante V f A 10 A 2 Annexe A Mod le stationnaire Des courbes DEMV pr sent es dans le chapitre 3 et report es la figure A 1 la fonction AVe peut tre approxim e par l quation diff rentielle V m V B All Ou mp dfld V donc le terme m est associ la pente de la courbe DEMV __ 0 V Te __ AV m A 12 V 0 V te v Le terme B peut tre d termin au temps 0 B V 0 m V 0 A 13 L quation lin aire pr sent e en A 11 a la solution analytique suivante B V t C e A 14 m e Le param tre C V 0 B m est calcul en utilisant les termes me B et le volume pulmonaire initial juste avant le d but de l expiration soit au niveau de la Peip Le terme me dans cette derni re est l inverse de la constante de temps Te d o 1 __P tT _ A 15 m AV A 3 Annexe Mod le stationnaire Courbes DEMV pour diff rentes Peip ye baie 4 i 20 L NNA AAN re ns ee Des se OE Sal 40 Al SLO Rede eee 4 ae eee ee eee een eee E ET E AS i 100 F 4
214. s les globules rouges en faveur de la conversion des ions bicarbonates en CO2 La figure qui suit illustre en d tail le transport du CO 2 13 Chapitre 2 Etats des connaissances Cellule d un tiss L Liquide _ Intersttel Plasma dans le capiliaire L h m nie bine litere le CO tie H i Fig 2 8 Transport du CO source 2 2 2 D finition des volumes pulmonaires La figure 2 9 pr sente les diff rents volumes et capacit s respiratoires a3 IRV Volume de r serve inspiratoire ERV Volume de r serve expiratoire Capacit inspiratoire ee a Ss g Volume gt _ courant V v SF g EQ pn a 5 LI a Q wL a Li Q Capacit r siduelle fonctionnelle CRF se gt Volume r siduel Fig 2 9 Volumes et capacit s pulmonaires source http www wikipedia org 2 14 Chapitre 2 Etats des connaissances La capacit r siduelle fonctionnelle CRF de l anglais Fonctionnal R sidual Capacity ou FRC est d finie comme tant le volume des poumons a la fin d une expiration normale La capacit pulmonaire totale CPT de l anglais Total Lung Capacity ou TLC est d finie comme tant le volume de gaz dans les poumons la fin d une inspiration forc e La capacit vitale CV de l anglais Vital Capacity ou VC est d finie comme tant le volume de gaz qui peut tre expuls hors des poumons lors d une res
215. s les poumons en fonction des r sistances moyennes Le tableau 4 5 fournit la liste compl te des valeurs pour les r sistances lin aires exp rimentales Rjineaire pour le PFOB et le PFDEC Paw lt R V pour V lt 30 ml s 4 16 lineaire 4 23 Chapitre 3 Mod le stationnaire PFOB sur agneau malade PFDEC sur agneau malade 100 Er ps gears CE a t o e eres EE CRUE ee Dh nn ven PAS NES tee ei Re D l Bo ee ee ee Je suc D 50 i e mn ee N 1 I B 20 gl o i 20 x Qe 1 QO alae eee 7 A EA 0 10 20 D bit ml s D bit ml s Fig 4 20 Pression r sistive des voies respiratoires calcul e en fonction des param tres R et R identifi s dans la section pr c dente La ligne en pointill s indique l cart type possible et la droite fournit la valeur born e de la r sistance Tableau 4 5 Coefficient Rineaire de la r sistance lin aire identifi e exp rimentale pour le PFOB et le PFDEC pour un agneau typique de 4 kg Re PFOB PFDEC Unit Minimum 1 36 x 10 1 85 x 10 cm HO s m Moyenne 1 08x10 4 74x10 cm H20 s m Maximum 2 03x 106 7 62x10 cm HO s m 4 4 2 Bornage des pertes de charge dans le circuit du respirateur Comme il est illustr la figure 4 21 les pertes de pression dans le circuit fluide ne sont pas lin aires En bornant les pertes de charges au d bit expiratoire maximal moyen est de 30 ml s on peut crire l quation 4 17 La valeur d
216. s param tres mais sera moins sensible au bruit de mesure Inversement l algorithme r gira plus rapidement aux variations param triques si est petit mais sera sensible au bruit La fonction co t pour le RLS est repr sent e math matiquement par l quation B 2 L indice n est utilis pour indiquer l chantillon laquelle l algorithme est rendu sur des donn es pr enregistr es Dans le cas o Annexe B Systeme a commander l algorithme calcule en temps r el les donn es sont trait es au fur et mesure de leur enregistrement l indice n peut tre remplac par t pour signifier le temps n J n gt ae n B 2 i 0 L erreur e n est calcul e l aide de l quation B 3 e n y n w n x n B 3 Dans cette derni re relation y n est la sortie mesur e et x n comprend toutes les variables explicatives du syst me Ces variables contiennent les sorties ant rieures y n 1 n 2 et peuvent aussi contenir les entr es u n n 1 n 2 impos es au syst me Par cons quent x n y n 1 y n 2 u n u n 1 u n 2 B 4 Lorsque la fonction co t est d velopp e en tenant compte de l quation de l erreur la relation pour la mise jour des param tres est la suivante w n 1 w n a n 4A n 1 x n e n o 4 x n x n B 5 Dans la relation B 5 la matrice d auto corr lation A doit tre invers e 4 Pour viter les probl mes d inversi
217. s relations 5 9 et 5 10 l quation stochastique non lin aire suivante est obtenue V k V 9 V k 1 b k 5 11 avec b k b k 1 b K 5 17 Chapitre 5 Syst me de commande Si le bruit de mesure est blanc E b k 0 l esp rance math matique de la valeur moyenne de V k VS EV k est la solution l quation suivante EV g EV V g 6 12 Pr s du point d quilibre la dynamique peut tre approxim e par ov k H F6 k 1 614 5 13 O OV x v k V est une petite perturbation pr s du point d quilibre Le point d quilibre A PAR se dg V est attractif si et seulement si la pente de la courbe respecte la condition 1 lt a lt 1 dg Par d finition g V est une fonction croissante monotone gt 0 Donc la condition de e dg RTE aa lt 1 En r gime tabli la correction du volume e stabilit implique la v rification que assure un volume inspir et expir gal permettant de maintenir un volume pulmonaire CRF constant Validation exp rimentale Le superviseur a t test in vitro pour d terminer si l algorithme converge et corrige les erreurs mesurables Le systeme d acquisition DSpace DS1003 processor board DS2201 I O board a t utilis pour enregistrer pr cis ment les signaux des potentiom tres des pompes expiratoire et inspiratoire Quatre volumes courants ont t choisis pour refl
218. sc ral de la pl vre adh re fermement l ext rieur des poumons et le feuillet pari tal de la pl vre la paroi de la cavit thoracique et la face sup rieure du diaphragme La pl vre pari tale s pare aussi le poumon du m diastin situ entre les deux poumons o elle prend alors Chapitre 2 Etats des connaissances a ai re le nom de pl vre m diastinale Les deux feuillets sont s par s par un mince film de liquide et forment la cavit pleurale cavit virtuelle dans laquelle r gne une pression n gative lors de la respiration au repos Par la tension superficielle du liquide les feuillets se comportent comme deux plaques de verre retenues l une contre l autre par une pellicule d eau assurant l adh sion et le glissement des poumons contre la cage thoracique en Poumon droit Poumon gauche Sa Inf rieur Diaphragme Fig 2 6 Poumons chez humain source http www wikipedia com 2 2 1 1 Arborescence des voies respiratoires L air p n tre d abord par la cavit nasale et buccale pour atteindre le pharynx le carrefour des conduits a rien et digestif le larynx et la trach e Cette derni re m ne l coulement d air directement aux bronches souches l entr e des poumons droit et gauche voir figure 2 7 Les subdivisions successives des bronches finissent par donner naissance aux bronchioles terminales Jusqu a ce niveau il n y a aucun change gazeux
219. se Dans le mod le de Lambert l quation pour les pertes de charge par friction visqueuse APv par unit de longueur s inspire de l quation de Poisseuille quation 3 9 Cette relation suppose un coulement laminaire et non rotatif Lors d une expiration forc e en ventilation gazeuse ces 3 4 Chapitre 3 Mod le stationnaire conditions ne sont pas respect es car les bifurcations cr ent un coulement secondaire ph nom ne d montr exp rimentalement et num riquement AP Szu Sen 3 9 dx Ainsi quelques auteurs ont propos une relation Ze pour corriger l quation de Poisseuille La solution propos e est bas e sur la relation de Rohrer exprim e math matiquement par l quation 3 10 Pour cette derni re Reynolds a propos a 1 5 b 0 0035 et n 1 Elad a sugg r que le b tait trop important et il a corrig cette valeur 0 0013 Plus r cemment Collins a sugg r a 0 556 b 0 060 et n 0 5 Par contre Reynolds propose les valeurs les plus conservatrices et ce sera ces derni res qui seront utilis es e a bRe 3 10 Pour l instant il n y a pas eu d tude effectu e pour d terminer une quation Ze propre la VLT Ainsi l quation 3 10 sera reprise pour le calcul du d bit expiratoire maximal 3 1 6 Bifurcations Finalement on doit tenir compte de la chute possible de la pression suite un changement de section apr s le passage d une bifurcation
220. se traduit par une atteinte plus progressive du d bit expiratoire Donc le gain statique peut tre ajust pour limiter les variations rapides de la commande au d part de l expiration et ainsi viter l excitation du mode flexible du tube 5 46 Chapitre 5 Syst me de commande Pva la trach e et Palv pour une Pref 2 cm H2O Pression cmH20 V mis Volume et d bit ml et ml s Fig 5 33 R ponse du syst me en boucle ferm e en utilisant le mod le pulmonaire non lin aire de type collapsus La pression de r f rence P 2 cm H O et le gain statique du contr leur a t multipli par 0 3 Dans tous les cas pr sent s la r gulation en pression permet d viter le d veloppement d un collapsus Lorsque la pression commence diminuer le contr leur compense imm diatement en diminuant le d bit Par contre le clinicien aura la responsabilit de s assurer que le temps expiratoire est suffisant pour retirer le volume demand 5 3 4 7 Validation in vitro Pour valider le contr leur in vitro le montage de la figure 5 34 a t assembl pour repr senter les poumons Le tube de latex fait office de voie respiratoire et le r servoir offre une compliance constante qui est gale la section de ce dernier 5 47 Chapitre 5 Syst me de commande R servoir fixe Tube endotrach al Tube de latex Capteur de pression Fig 5 34 Montage
221. sion alv olaire sup rieures 13 cm H20 Peu apr s le point d gale pression migre dans les voies respiratoires p riph riques Ces conclusions sont concordantes avec les r sultats obtenues par Lambert avec la seule diff rence que les points d gale pression sont toujours en amont des segments limitatifs 3 Position des points d gale pression et des segments limitatifs versus Palv Generation z Pai cmH 0 Fig 3 13 Localisation des segments limitatifs et des points d gale pression en VLT en fonction de la pression alv olaire 3 3 4 Profil volumique expiratoire optimal Sachant le d bit expiratoire maximal permis par les voies respiratoires il est possible d en d duire le profil expiratoire optimal qui permettrait de retirer le volume inspir le plus 3 24 Chapitre 3 Mod le stationnaire rapidement possible Tous les r sultats d montr s pr c demment taient majoritairement en relation avec la pression alv olaire Pour d terminer ce profil en volume optimal il est essentiel de d crire la relation entre le volume pulmonaire et la pression alv olaire au moment de l expiration Les courbes PV g n r es pr sent es la section 3 1 7 permettent de faire le pont entre ces deux param tres 3 3 4 1 Les DEMV En utilisant les courbes PV g n r es il est possible de recalculer les courbes IVPD pr sent es la figure 3 9 pour une pression de fin d inspiration Peip don
222. sion pour ce nouveau mode ventilatoire Les phases inspiratoires et expiratoires sont limit es en temps La d marche est identique ce qui a t d crit pr c demment Le profil volumique inspiratoire d termine la r f rence que devra suivre la pompe inspiratoire D s le d part de l inspiration le contr leur poursuit la r f rence calcul e Comme il est illustr pour les cas A et B la pression la trach e varie selon la 5 4 Chapitre 5 Systeme de commande r sistance des voies respiratoires et la compliance du syst me respiratoire Il est donc important de bien fixer les limites en pression dans les voies respiratoires pour viter des surpressions l expiration et contrairement la ventilation gazeuse la r gulation de la pression ne se fait pas au niveau de Peep Ce choix est n cessaire pour r duire le temps d expiration et maximiser la fr quence respiratoire tout en vitant le collapsus Ainsi la pression dans la trach e est r gul e un niveau de 2 cm H20 pour toute la dur e de l expiration Pva cm H20 D bit L min Vi mi Ve mi Fig 5 2 Exemple de respirations en mode VCi PCe lors d une ventilation liquidienne totale Au cours d une expiration en pression diff rentes situations peuvent survenir Le cas C sur la figure 5 2 illustre la situation o temps d expiration est insuffisant pour extraire tout le volume inspir Dans ce cas l algorithme prolonge le t
223. sion se fait de respiration en respiration inter respiration Ce mode est commun ment appel Volume contr l r gulation de pression ou VCRP de l anglais Pressure Regulated Volume Control ou PRVC sur le respirateur Servo i de Maquet Ventilation Adaptative en Pression sur le respirateur Galileo de Hamilton Medical de l anglais Adaptative Pressure Ventilation Auto Flow sur le respirateur Evita 4 de Dr ger Medical Ventilation en Volume Contr l sur le respirateur 840 de Puritan Bennett Ventilation en Contr le Variable de la Pression sur le respirateur Venturi de Viasys Healthcare de l anglais Variable Pressure Control Ce mode ventilatoire exploite les points positifs de la ventilation en pression contr l e en maintenant un V et une Vmin constants et une r duction automatique des limites en pressions lorsque le patient est en r mission L algorithme de contr le est presque identique a celui d crit dans le mode VA Tous ces modes ventilatoires sont limit s en pression et la fin de l inspiration est d termin e par un temps d inspiration Ti contrairement au mode VA dont l inspiration est limit e par un seuil de d bit inspiratoire Ils utilisent le volume inspir les respirateurs mesurent uniquement le volume d livr et non expir pour viter les erreurs li es aux fuites potentielles comme mesure 2 43 Chapitre 2 Etats des connaissances pour ajuster la limite en pression de cycl
224. ssion alv olaire Palv et le volume pulmonaire expiratoire V en fonction de diff rente valeur de Peip Pour ce faire des courbes pression volume PV ont t d termin es exp rimentalement voir la section 3 2 1 et l quation de Venegas a t utilis e voir la section 2 2 5 pour param trer ces courbes Un fois param tr e il est possible de reproduire de nouvelle courbe selon le volume pulmonaire ou la pression alv olaire demand e 3 1 8 Equation d indexation Dans le but de comparer les valeurs du mod le avec les r sultats exp rimentaux la surface corporelle de l anglais Body Surface Area ou BSA a t utilis pour indexer certaines valeurs L quation 3 14 a t employ e pour calculer la SC chez l agneau SC 0 084 x poids 3 14 3 2 Application du mod le Pagneau Pour valider le mod le il n y pas de donn es exp rimentales disponibles dans la litt rature sur des enfants ou des nouveau n s car la VLT est encore au niveau de la recherche animale En contrepartie l agneau peut servir de mod le animal pour repr senter la physiologie de l enfant Donc la g om trie de l enfant sera l g rement adapt e 3 6 Chapitre 3 Mod le stationnaire En premi re partie des courbes pression volume PV ont t effectu es sur des agneaux morts pour d terminer la capacit pulmonaire totale CPT en VLT 3 2 1 Courbe PV 3 2 1 1 Courbe PV exp rimentale Dans la litt rature
225. st TRANSDUCERS CONTROLLED SYSTEM Neen ee pom ss en eS th tte TETE PRESWURE FLOW SENOR SOURIS GAS Fea Re Bien aaa pow INSP VALVE PORTON EU AUS hard DRE PONTRON VALUE Wes SP ye ll ORT Ce TER HT il Vv ie 7 n l i T Ne T ls TON RU CURREN a RI Sw ve 1 LOW P 1 e i N d lt F Le El a D Ji ji i T Fy NTR Po VA goal n al e a ad ere lL ee 7 BST bi yam Rene RE see Pressure Re eee E a FLOW CONTROL regulation Fig 2 29 Sch ma bloc du contr le en pression lors de inspiration pour le mode PC Source Manuel de service du Servo 300 2 4 5 3 Expiration R gulation en pression La figure 2 30 pr sente le sch ma bloc du syst me pour contr ler l expiration en pression La r f rence en pression Peep est compar e a leur mesure r elle en utilisant le capteur de pression et le contr leur PID bo te Peep PID control donne la position souhait e de la valve expiratoire desired position value La position souhait e est compar e la position r elle de la valve exp valve position Gr ce au contr leur PD une consigne en courant desired current value sera transmise au contr leur du sol no de et compa
226. st illustr la figure 2 2 chaque circuit comprend 2 valves ind pendantes dont l ouverture est command e par l automate durant le cycle respiratoire Les circuits communiquent entre eux uniquement au niveau du Y 2 5 Chapitre 2 Etats des connaissances fa oO N S oO E Filtre Q a game S a F 2 3 El ments SD 9 chauffant H RP O 02 LC l Valve 3 Valve 5 Pompe inspiratoire Pompe expiratoire Fig 2 2 Sch ma du circuit fluide du respirateur liquidien total Une pompe piston est d taill e la figure 2 3 Le moteur met en rotation les engrenages au niveau du r ducteur de vitesse l int rieur du r ducteur un pignon entraine la cr maill re ce qui cr e le mouvement de translation du piston Ce dernier se d tache de la cr maill re pour en faciliter le nettoyage Le potentiom tre mesure la position du piston l int rieur du cylindre de la pompe Chapitre 2 Etats des connaissances Piston Potentiom tre R ducteur de vitesse Cr maill re Fig 2 3 Pompe piston sur le respirateur liquidien L oxyg nateur pr sent a la figure 2 4 est un bulleur compartiment servant a saturer le PFC en oxyg ne pour en extraire tout le CO vacu dans l coulement gazeux Une membrane perfor e sa base g n re les bulles d ox
227. t t les premiers contr ler le volume courant V ainsi que la fr quence respiratoire Fr pour maintenir la valeur de la Pico au niveau d sir En 1973 Coles et coll d veloppaient un syst me de contr le pour la ventilation et l anesth sie en utilisant la mesure du CO expir la concentration d O2 inspir e la pression sanguine ainsi que le volume du sac d anesth siant La valeur du Paco tait contr l e en ajustant le V tout en maintenant la fr quence respiratoire constante L efficacit de leur syst me de contr le a t d montr e par des exp rimentations animales mais il n y a pas eu de publication subs quente Chapitre 2 Etats des connaissances Coon et coll en 1978 a d montr avec succ s le contr le du pH sanguin en utilisant un capteur sous cutan art riel et un respirateur Siemens 900 Le syst me de commande ajustait le V pour maintenir le pH a la valeur d sir e Les exp rimentations animales ont d montr le bon fonctionnement du contr leur court terme mais la d gradation du capteur par des prot ines complique son utilisation Par la suite plusieurs auteurs ont tent de contr ler en boucle ferm e la pression positive de fin d expiration Peep la fraction d oxyg ne inspir e FiO ainsi que la ventilation minute Vmin durant une ventilation conventionnelle en utilisant la Paco la capacit r siduelle fonctionnelle CRF et l oxym trie comme signaux d entr
228. t PCe si le temps n cessaire pour retirer le liquide inspir est inf rieur au temps d expiration fix par le clinicien la Peep est ajust e pour rencontrer les objectifs en volume L augmentation constante de la Peep peut tre associ e au ph nom ne d auto Peep car le temps d expiration est insuffisant pour retirer le liquide inspir Il est donc important que le clinicien fixe dans un intervalle raisonnable la variation permise de la Peep Si le clinicien constate que l algorithme maintient constamment des Peep lev es il doit revoir l tat g n ral du patient pour ajuster les param tres en volume et ou en temps L avantage de ce mode est son autor gulation Si le clinicien recherche la Peep minimale pour rencontrer son crit re en volume et en temps ce mode permet de rechercher cette valeur De plus si l tat du patient s am liore i e la compliance augmente et ou la r sistance diminue la Peep de cycle en cycle devrait diminuer indiquant une am lioration possible de l tat du patient 5 2 Structure de commande sur le respirateur liquidien Pour implanter ces nouveaux modes ventilatoires au niveau de l expiration de nouvelles structures de commande s imposent Ainsi l expiration est maintenant r gul e en pression et le Superviseur sera bonifi pour g rer les diff rents cas rencontr s 5 2 1 R gulation en volume La figure 5 6 pr sente le sch ma bloc du syst me pour contr ler l
229. t me en boucle ferm e 5 40 Chapitre 5 Systeme de commande filtre bien les bruits de mesure Ce r sultat est conforme la r ponse de 7 s et des sp cifications Wo et C Pression a la trach e Pression cmH20 Commande Volt Temps sec Fig 5 27 R ponse du syst me en boucle ferm en ajoutant un bruit sur la mesure de la pression trach ale 5 3 4 6 Simulation num rique du syst me non lin aire Les simulations ont t effectu es avec le mod le non lin aire reproduisant le collapsus expiratoire Avant de pr senter la r ponse du systeme la figure 5 28 pr sente le volume expir en fonction du temps pour les diff rentes pressions de r f rence La variation du volume expir tend a suivre une d croissance exponentielle Donc la r gulation en pression permet de g n rer en temps r el le profil expiratoire comme il a t d montr dans le chapitre 3 sans avoir besoin au pr alable de d finir un profil comme c est le cas pour le contr le en volume Pour une pression de r f rence entre 0 et 10 cm H20 il n y a pas de diff rence majeure au niveau du volume expir pour un temps d expiratoire de 8 secondes Cependant si le volume a expirer demand est de 90 ml il est possible de retrancher 1 seconde sur le temps expiratoire si on fixe la pression de r f rence 10 cm H2O en comparaison d un consigne 0 cm H20 Si la pression de r f rence est 5 cm H
230. t a t retenu pour la VLT Pour d velopper ce r gulateur en pression la pompe a piston et les poumons du patient ont t mod lis s dans le chapitre 4 Pour les poumons le mod le stationnaire du chapitre 3 a t r duit une fonction de transfert simple du premier ordre Puisqu un nombre significatif d exp rimentations in vivo ont t effectu es les param tres du mod le pulmonaire ont t identifi s et utilis s pour l impl mentation du contr leur Quant la pompe une mod lisation compl te du syst me m canique a t effectu e afin d en trouver la fonction de transfert Une fois les syst mes mod lis s une analyse a t effectu e dans le chapitre 5 pour d terminer les param tres affectant la robustesse du syst me commander La r sistance des voies respiratoires ainsi que la dynamique des tubes flexibles viennent influencer ce syst me Suite cette analyse un contr leur a t propos pour r guler la pression dans les voies respiratoires un niveau de pression d fini En ventilation gazeuse cette pression correspond la Peep Cependant pour optimiser le temps d expiration et le volume expir en VLT cette limite a t modifi e entre 5 et 10 cm H20 Pour les cas simul s les r sultats num riques obtenus r pondaient bien aux crit res de performance tablis Cependant lorsque la pression de r f rence est fortement n gative 10 cm H20 le d bit expiratoire est la lim
231. t atteint Lorsque le volume d livr est gal au V demand l inspiration prend fin mais le temps d inspiration ne peut pas d passer 3 secondes 2 38 Chapitre 2 Etats des connaissances Consid rations Pour que ce mode soit efficace les param tres de pression et de d bit doivent tre s lectionn s ad quatement Si les pressions sont trop importantes toutes les respirations seront contr l es en pression et le V minimal sera garanti En contrepartie si la limite en d bit est fix e une valeur trop lev e toutes les respirations seront contr l es en volume et le temps d inspiration risque d tre prolong inutilement Quand le clinicien observe des transitions fr quentes entre le contr le en pression et en volume ce dernier doit tenter d en identifier la cause diminution des efforts du patient ou de la compliance pulmonaire pr sence de s cr tion ou autres probl mes au niveau des voies respiratoires Breath ON Trigger Pressure Control at pressure support setting Insp flow 25 of peak flow Delivered Viz set Vi Insp Flow gt set peak flow Cycled off inspiration Switch to flow control at peak flow setting Delivered Vt _ set Vt Paw lt Pressure gt support setting Fig 2 21 Algorithme de d cision pour les modes VAPS et PA 2 39 Chapitre 2 Etats des connaissances Cycle resp Pya cm H20 D bit L min Vt
232. t de la pompe piston Cette oscillation est caract ristique d un syst me de 2 ordre dont la fr quence de pulsation pul 3 5 Hz avec un amortissement amp d environ 0 2 La fonction de transfert de cette x dynamique est pr sent e a la relation 5 19 Cette perturbation est additive donc K pus F pul s s ff 2 E nl z 5 19 pul pul 5 3 3 Analyse du syst me en boucle ouverte 5 3 3 1 Lieu de Bode Le lieu de Bode permet de tracer la r ponse fr quentielle d une fonction de transfert en amplitude et en phase en boucle ouverte L analyse du lieu de Bode permet de d terminer la marge de gain et la marge de phase La marge de gain est le gain n cessaire pour avoir un retour en boucle ferm e unitaire lorsque la phase est gale 180 degr s Si le gain de boucle est sup rieur cette marge le syst me sera instable en boucle ferm e La marge de phase quant elle est la diff rence entre la phase et 180 degr s quand l amplitude est 0 dB Ces marges sont 5 22 Chapitre 5 Systeme de commande des indicateurs de la robustesse du syst me Pour assurer une bonne robustesse une marge de phase entre 30 60 degr s est sugg r e et la marge de gain doit tre sup rieure 6 dB La figure 5 13 pr sente le trac du lieu de Bode de la fonction de transfert du syst me en 5 18 sans tenir compte de la dynamique du tube On note 4 domaines distincts 1 De 0 0 1 Hz pr senc
233. tableau 4 7 dresse la liste de tous les param tres dans cette relation avec leur valeur respective y s K 3 Fe tay cet on kes fee pe 4 18 U s D s D s D s D ey Ou K 17 K K 4 D em J M pre K olL m D rm J mM M prc F K olk l Re ma R ATER E D EAr KL ae been ee 77 1 K D EAr KR La fonction de transfert entre le volume de liquide dans la pompe et la commande la pompe pr sent e l quation 4 18 peut tre r crite pour faire appara tre les constantes de temps 1 3 Ces constantes de temps font r f rence directement la rapidit du syst me r agir suite l imposition d une commande La partie lectrique tient compte du moteur tandis que la partie m canique inclut toutes les pi ces mobiles La constante de temps pulmonaire quant elle tient compte de la r sistance et de l lastance pulmonaire VAs _ 1 U s 7 tis 1Xr s 1Xz 5 1 4 19 Pour le PFOB Rc max 1 44 x 10 cm HO s m et Riineaire 1 08 x 10 cm H20 s m Gr ce ces valeurs et en utilisant la fonction pole de Matlab la constante t 1 5 x 10 sec R L soit la constante de temps lectrique du moteur Te t2 1 9 x 10 sec JRK soit la constante de temps lectrom canique du syst me Tem et 73 155 sec associ au syst me fluide et pulmonaire La dynamique du moteur lectrique est tr s rapide donc elle est n gligeable par rapport
234. tard pur SSSR eee RE T T 50 LT FA pre a DR SG 100F e d 150 a A col e 200 V 250 300 sl PRET 4 10 10 10 10 10 10 10 Fr quence Hz Fig 5 14 R ponse en fr quence du syst me en fonction de diff rentes dynamiques non mod lis es 5 24 Chapitre 5 Systeme de commande Modification de la r sistance des voies respiratoires Comme il a t d crit dans les chapitres pr c dents l expiration forc e en VLT peut entra ner des limitations du d bit expiratoire Ces limitations se traduisent par une augmentation marqu e de la r sistance des voies respiratoires menant dans le pire des cas un collapsus des voies respiratoires Dans le chapitre 4 la r sistance des voies respiratoires minimale moyenne et maximale a t identifi e en VLT avec du PFOB et du PFDEC et le tableau 5 3 en pr sente les valeurs pour des agneaux de 2 9 kg Tableau 5 3 Valeur des r sistances minimale moyenne et maximale pour le PFOB et le PFDEC identifi es dans le chapitre 4 pour des agneaux de 2 9 kg Les champs ombrag s indiquent les valeurs de r sistance minimale et maximale R sistance Poids PFOB PFDEC Unit 2 0kg 2 16 x 10 2 94 x 10 cm H20 s m Rimeaire min 4 0kg 1 36x10 1 85x10 cm H0 s m 9 0kg 792x10 1 08x10 cemIbOsm 2 0kg 1 71x10 2 76x 10 cm HO s m Rineaire moy 4 0kg 1 08x10 4 74x 10 cm H20 s m 9 0kg 6 29x10 7 52x 10 cm H2O s m 20kg 3 22x1
235. tats de l identification avec l algorithme RLS avec bruit de mesure avec un profil volumique exponentiel 4 13 Fig 4 12 R sultats de l identification avec l algorithme RLS avec bruit de mesure lors de l occurrence d un collapsus expiratoire 4 13 Fig 4 13 Donn es exp rimentales pour l identification des param tres recherch s cycle 150 agneau num ro 071906 VLT avec PFOB 4 15 Fig 4 14 R sultat de l identification des param tres R et R pour les signaux de la figure 4 13 4 15 Fig 4 15 Donn es exp rimentales pour l identification des param tres de r sistance lors d un collapsus expiratoire cycle 311 agneau num ro 071906 VLT avec PFOB 4 16 Fig 4 16 R sultat de l identification des param tres R et R pour les signaux de la figure 4 15 Lors du collapsus l erreur diverge 4 16 Fig 4 17 Description du parcours du PFC travers les composantes du respirateur 4 19 Fig 4 18 R sultats du calcul des pertes de charge pour diff rents diam tres de tube endotrach al et en fonction du d bit expiratoire volumique PFOB 4 21 Fig 4 19 Sch ma lectrique du moteur DC avec le diagramme de corps libre des efforts sur le rotor 4 22 Fig 4 20 Pression r sistive des voies respiratoires calcul e en fonction des param tres R et R identifi s dans la section pr c dente La ligne en pointill s indique l cart type possible et la droite fournit la valeur born e d
236. te un changement de l lastance pulmonaire La figure 5 21 pr sente les effets cumul s d une diminution de la r sistance et d une augmentation de l lastance Cette fois la marge de phase est modifi e et s approche de 180 degr s mais elle reste n anmoins aux environs de 30 degr s Par cons quent le syst me en boucle ouverte conserve sa robustesse 5 34 Chapitre 5 Syst me de commande Gain dB Phase deg 150 200 1 f T 1 n P s fo os Ts L s Ts L s avec R min et E max H L i 1 1 10 10 10 10 Cr RE T ae ge De ge Se 100 aa pots iain ent EER EMOTES we error al L nr Ae PTT es SER 10 10 10 10 Fr quence Hz Lieu de Bode de la fonction de transfert Fig 5 21 Lieu de Bode du syst me en boucle ouverte suite une augmentation de l lastance et d une diminution de la r sistance pulmonaire La figure 5 22 pr sente l ajout d un mode flexible tubes flexibles sur le respirateur avec un Kpu 800 voir relation 5 19 En premier lieu on remarque une forte modification de la phase la fr quence de r sonnance du tube flexible dans notre cas 3 5 Hz De plus le gain de la fonction de transfert a t modifi en comparaison de la fonction L s 10dB Sachant que la bande passante du contr leur a t fix e autour de 5 Hz il est anticiper que le gain statique du contr leur soit tro
237. te section Les valeurs moyennes accompagn es de leur cart type sont pr sent es dans le tableau 4 3 4 14 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pression trach ale 30 T T T T T i l i ae i AR A E A ire 7 z i i i i 2 10 Fe ee SE EE Pee ge oe a Sala ES FRE ES EES sa p 7 Fa c i t 1 1 2 N l 1 4 1 f n 4 I 1 1 B Opo NET AAE AA ANA EAA AH a 1 1 1 1 Ww 10 1 1 1 1 L 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Volume et d bit dans la pompe expiratoire Debit Debit et volume mi s et ml kg Fig 4 13 Donn es exp rimentales pour l identification des param tres recherch s cycle 150 agneau num ro 071906 VLT avec PFOB 20 T T T T Cr si opt Ash ae FA EN Aaya e y i 1 20 i i i i i 1 2 3 4 5 6 Temps sec Fig 4 14 R sultat de l identification des param tres R et R2 pour les signaux de la figure 4 13 4 15 Chapitre 3 Mod le stationnaire Pression trach ale 50 7 T RO M OF means Es Re nn we aan ie NE S TAE la 7 5 Lu n Nt mo LS sms ae nr is Ness J 8 y a i i i i 100 1 1 1 1 1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Volume et d bit dans la pompe expiratoire Debit et volume ml s et ml kg Fig 4 15 Donn es exp rimentales pour l identification des param tres de r sistance lors d un collapsus expiratoire cycle 311 agneau num ro 071906 VLT avec
238. ter les conditions d utilisation exp rimentales soit de 75 150 ml Sur une p riode de 2 heures la diff rence entre le volume inspir et expir ACRF a t additionn e Les r sultats sont pr sent s dans le tableau 5 1 Fait remarquer l cart type sur le signal inspiratoire est tr s r pr sentatif de l erreur de quantification conversion analogique num rique de l automate qui est de 0 14 ml Donc le superviseur pr sent en quation dans cette section d montre son efficacit corriger les erreurs mesurables 5 18 Chapitre 5 Systeme de commande Tableau 5 1 R sultats du test de validation du superviseur Les valeurs mesur es sont exprim es en ml accompagn es de leur cart type La variable ACRF est la diff rence entre le volume inspir et expir additionn e sur une p riode de deux heures Vt Vi inspir V expir ACRF 75 75 06 0 16 75 09 0 16 14 3 100 100 16 0 15 100 19 0 43 15 8 125 125 19 0 17 125 19 0 34 1 0 150 150 22 0 15 150 31 0 28 31 1 5 2 3 2 Mode VCi VCRPe Pour le mode VCRPe ce qui est modifi par le Superviseur est en r alit le volume inspir ou expir en ajustant le param tre AV La cons quence sera une variation observable du niveau de la Peep Par mesure de s curit cette variation sera limit e 1 cm H2O par cycle Manuel de service du Servo 300 En VLT sur des agneaux ceci repr sente une variation du volume inspir ou expir d
239. time Fig 2 23 Algorithme de d cision pour la ventilation en mode VA Resp t moin 75 Pref 2 10 D bit inspiratoire maximal D bit inspiratoire A maximal D bit inspiratoire maximal Seuil de d bit inspiratoire 5 du d bit maximal inspiratoire Vt minimum Temps Fig 2 24 volution des respirations au cours du mode ventilatoire VA Le temps inspiratoire varie d une respiration l autre 2 42 Chapitre 2 Etats des connaissances Consid rations Dans le cas d un patient ayant les voies respiratoires obstru es si les niveaux de pression augmentent pour maintenir un V constant un ph nom ne d auto peep peut en r sulter lorsque l auto peep augmente le V diminue pour un niveau de pression de r f rence constant L algorithme de d cision augmente alors la r f rence ce qui augmente le V aggravant l auto peep de lair Par cons quent il est primordial de bien fixer les alarmes en pression et en volume minute Vmin pour la s curit du patient Pour corriger cette situation il faut s assurer que le temps d expiration est suffisamment long pour permettre le retrait du volume inspir 2 4 3 3 VCRP Le nom g n rique pour ce mode est une ventilation 4 double commande en pression et en volume limit en pression et en temps de l anglais Dual Control Breath to Breath Pressure Limited and Time cycled Ventilation L ajustement du niveau de pres
240. tion 2 23 pour chaque g n ration z entre les points in et out Ensuite il est n cessaire de faire la sommation des pertes de pression pour d terminer la chute de pression entre la trach e et les alv oles Puisque les tubes sont rigides la pression dans les voies respiratoires est surestim e lors de l inspiration et sous estim e l expiration Le chapitre 3 sur le mod le stationnaire apportera des explications sur cette constatation 2 4 Algorithmes de contr le disponibles commercialement Les modes ventilatoires sur les respirateurs gazeux sont utilis s d abord pour contr ler la phase inspiratoire La phase expiratoire est command e en pression c d que le respirateur maintient une pression minimale positive tout en permettant un d bit expiratoire Pour viter diff rents ph nom nes qui seront d crits au cours de cette section il est important de bien surveiller ce qui s y passe De plus par mesure de s curit il est important de fixer ad quatement les limites disponibles sur le respirateur pour signaler des situations potentiellement dangereuses Une pression trop importante au niveau des poumons peut causer des dommages volo barotraumatisme aggravant ainsi l tat du patient En ventilation gazeuse plusieurs modes surveillent les efforts faits par le patient lors d une ventilation m canique assist e Si le patient d bute un effort inspiratoire la pression mesur e la bouche chute rapidement si la
241. toires ne fait pas exception cette r gle La chute de pression associ e la friction est proportionnelle au d bit V et au facteur R soit la r sistance En d autres termes la r sistance d un conduit peut tre d termin e en sachant la chute de pression AP et le d bit V du fluide qui le traverse L quation 2 8 est la d finition math matique de la r sistance R Les unit s utilis es pour exprimer la r sistance sont en cm H20 s ml 2 19 Chapitre 2 Etats des connaissances R 2 8 En ventilation gazeuse la r sistance des voies respiratoires peut tre mesur e en utilisant la Rapid Interruption Method r git par l quation 2 9 Tout juste avant la fin de l inspiration il est n cessaire de mesurer la pression P et le d bit inspiratoire V T Suite l occlusion la pression P est mesur e La diff rence de pression entre les instants et 2 est divis e par le d bit inspiratoire W T pour obtenir la valeur de la r sistance dite initiale B B R Fr 2 9 Cependant si l on prolonge la pause de fin d inspiration le volume dans les poumons va se redistribuer et on observe alors une diminution de la pression P2 Par cons quent l quation 2 9 nous donne la r sistance initiale des voies respiratoires sous estimant ainsi la valeur de la r sistance 2 2 7 Constante de temps expiratoire Lors de la ventilation m canique gazeuse conventionnelle il est important d
242. tomate Krem est la constante de la force contre lectromotrice Ra est la r sistance lectrique du rotor K est la constante de couple gale Krem Jest l inertie de rotation du rotor 6 est la vitesse angulaire et 6 est l acc l ration angulaire gt Cree est la somme des couples m caniques appliqu e sur le moteur 4 4 Mod le lin aire Dans la section 4 1 et 4 2 les r sistances des voies respiratoires et du circuit fluide sont non lin aires Pour obtenir la fonction de transfert lin aire du syst me commander les pertes de pression associ es aux r sistances seront born es dans la plage d utilisation normale de la pompe Ainsi lors d une expiration le d bit expiratoire maximal moyen est de 30 ml s 44 1 Bornage des pertes de charge pulmonaires La figure 4 20 pr sente la pression r sistive des voies respiratoires Pva calcul e en fonction des param tres R et Rz identifi s dans la section 4 1 4 Malgr le fait que le PFDEC soit plus visqueux que le PFOB la Paw pour le m me d bit est inf rieure avec le PFDEC Il est cependant difficile de cibler la raison de cette diff rence De plus la variabilit de la r sistance est plus importante avec le PFOB Donc en tenant compte des carts types sur les param tres R et Ro la variation de la Paw avec le PFDEC est incluse dans la variabilit du PFOB La droite sur ces figures quation 4 16 fournit la valeur des pertes de charge dan
243. tre la pression exerc e sur la surface du piston et le couple moteur n cessaire En final les quations du circuit fluide seront combin es pour obtenir la fonction de transfert du syst me Chapitre 3 Mod le stationnaire Moteur Cr maill re Fig 4 1 Sch ma g n rale pour le syst me mod liser 4 1 R duction du mod le des poumons Dans ce chapitre nous allons r duire le mod le pr sent dans le chapitre 3 pour obtenir un mod le de comportement dynamique des poumons 4 2 Chapitre 3 Mod le stationnaire 4 1 1 D finition du mod le Le mod le pr sent dans le chapitre 3 ne fait aucune distinction entre le poumon droit et gauche De plus la courbe pression volume t faite en tenant compte de la compliance globale des poumons Il est donc possible de r duire le mod le physiologique un mod le de premier ordre mais en consid rant la r sistance non lin aire Ry des poumons voir la figure 4 2 Comme pr sent dans l tat des connaissances ce mod le a comme quation la relation 4 1 Pva t Palv t Ry Felt 4 1 o Palv est la pression alv olaire Ryz est la r sistance non lin aire des poumons et V r est le d bit volumique expiratoire en fonction du temps V t lt 0 La pression alv olaire se calcule selon la relation 4 2 Palv t Peip EVe t 4 2 o E est l lastance Peip est la pression de fin d inspir
244. tre la Peep et la Peip Pour repr senter math matiquement la portion expiratoire de cette courbe l quation de Salasar et Knowles est utilis e largement 38 Elle est pr sent e ici l quation 2 6 V A Be 2 6 o A est la capacit pulmonaire totale CPT B et k repr sentent la rigidit relative des poumons Pour que cette relation soit valable le volume pulmonaire doit tre sup rieur 50 de la CPT Dans le cas contraire la pr cision de cette relation est compromise Dans le but de mieux repr senter l ensemble de la courbe PV Venegas a propos l quation 2 7 2 V Palv a 2 7 1 e7 Pale ea Chapitre 2 Etats des connaissances La figure 2 11 pr sente la signification des diff rents param tres employ s pour la partie expiratoire Le coefficient a est l asymptote volumique inf rieure et b l asymptote volumique sup rieure ou la capacit vitale Le terme c est le point d inflexion de la courbe PV et le param tre d est proportionnel l intervalle de pression l int rieur duquel la majorit du volume pulmonaire varie P c 2d Volume ml 400 200 0 20 Pressure cmH20 Fig 2 11 Description de la signification des coefficients de quation de Venegas 2 2 6 R sistance L coulement d un fluide dans un conduit est toujours sujet une friction de ce dernier contre la paroi L coulement d un gaz ou d un liquide dans les voies respira
245. u dernier prototype fonctionnel de l quipe est fournie 1 3 Probl mes inh rents la VLT Pour ventiler efficacement un patient en VLT une ventilation minute Vmin minimale doit tre atteinte pour maintenir les changes gazeux pulmonaires Ce param tre est d fini par le produit du volume courant par la fr quence ventilatoire L objectif est donc d optimiser la Vmin en maximisant le volume courant ou la fr quence respiratoire La cons quence directe est une augmentation des d bits inspiratoire et expiratoire Contrairement la ventilation m canique gazeuse o l expiration est passive la VLT n cessite une phase expiratoire active qui est ex cut e par le respirateur Ind pendamment du syst me de pompage utilis la pompe impose un d bit volumique dans les voies respiratoires Ce d bit provoque une d pression dans la trach e qui est fonction des propri t s m caniques du syst me pulmonaire Dans le cas o cette d pression est trop importante les voies respiratoires s affaissent on parle alors d un collapsus expiratoire Ce ph nom ne limite grandement le d bit expiratoire et par cons quent la ventilation minute L inspiration quant elle ne pose pas de probl me car elle s ex cute toujours pression positive Le collapsus n est donc pas pr sent lors de l inspiration En VLT le collapsus expiratoire a t d crit par l quipe de Baba et explor de fa on exp rim
246. ue le nombre de cycle pour chaque agneau L cart type des valeurs est indiqu entre crochet 4 17 Tableau 4 4 Coefficients R et Re2 pour le PFOB le PFDEC et l eau tube endotrach al de 5 5 mm 4 20 Tableau 4 5 Coefficient Rineaire de la r sistance lin aire identifi e exp rimentale pour le PFOB et le PFDEC pour un agneau typique de 4 kg 4 24 Tableau 4 6 Coefficients Re max pour le PFOB le PFDEC et l eau tube endotrach al de 5 5 mm 4 25 Tableau 4 7 Valeurs des param tres utilis s 4 27 Tableau 5 1 R sultats du test de validation du superviseur Les valeurs mesur es sont exprim es en ml accompagn es de leur cart type La variable ACRF est la diff rence entre le volume inspir et expir additionn e sur une p riode de deux heures 5 19 Tableau 5 2 Valeur des diff rents param tres 5 21 Tableau 5 3 Valeur des r sistances minimale moyenne et maximale pour le PFOB et le PFDEC identifi es dans le chapitre 4 pour des agneaux de 2 9 kg Les champs ombrag s indiquent les valeurs de r sistance minimale et maximale 5 25 Tableau B 1 Param tres physiques du circuit fluide sur le respirateur liquidien B 6 Tableau B 2 Coefficients pour le PFOB le PFDEC et l eau pour les quations des pertes de charge dans le circuit du respirateur tube endotrach al de 5 5 mm B 7 Tableau C 1 Param tres physiques du circuit fluide pour le montage in vitro C 5 XV
247. uids san Diego Calif patent us5853003 1998 dec 29 26 Sekins Michael K Shaffer Thomas H Wolfson Marla R Pulmonary Delivery of Therapeutic Agent San Diego Calif patent us5707352 1998 jan 13 27 Rosenberg Gwen H Use of liquid fluorocarbons to facilitate pulmonary drug delivery us patent US5531219 1996 07 02 28 Sekins KM Leeper DB Hoffman JK Keilman GW Ziskin MC Wolfson MR et al Feasibility of Lung Cancer Hyperthermia Using Breathable Perfluorochemical PFC Liquids Part IL Ultrasound Hyperthermia Int J Hyperthermia 2004 may 20 3 278 99 29 Sekins KM Leeper DB Hoffman JK Wolfson MR Shaffer TH Feasibility of Lung Cancer Hyperthermia Using Breathable Perfluorochemical PFC Liquids Part I Convective Hyperthermia Int J Hyperthermia 2004 may 20 3 252 77 30 Sekins Micheal K Shaffer Thomas H Wolfson Marla R Lung Cancer Hyperthermia Via Ultrasound And Or Convection With Perfluorochemical Liquids US patent US5158536 1992 October 27 Chapitre 1 Introduction 31 Sekins Michael K Shaffer Thomas H Wolfson Marla R Fluorocarbon Compositions for Pulmonary Therapy San Diego Calif patent us6166092 2000 dec 26 32 Sekins Michael K Apparatus for Pulmonary Therapy patent us5788665 1998 aug 4 33 Sekins Michael K Shaffer Thomas H Wolfson Marla R Apparatus for pulmonary delivery of drugs with simultaneous liquid lavage and ventilation us patent US5562608 1996 10 08 34 Sekins Michael K
248. un algorithme de contr le qui minimise le risque de collapsus expiratoire tout en maximisant la ventilation minute Le mod le stationnaire pr sent au chapitre 3 d montre que le collapsus expiratoire se produit dans la trach e Cette information justifie la pr sence d un capteur de pression cet endroit pour en surveiller le d veloppement De plus ce mod le indique que le profil volumique exponentiel est une solution ad quate pour r duire le risque de d velopper un collapsus Il a aussi mis en vidence deux param tres importants consid rer dont le niveau de Peip et le volume courant Vt Selon la Peip souhait e il y a un Vt id al permettant l obtention d une ventilation minute optimale Finalement ce mod le nous a permis d explorer les diff rentes avenues prendre pour r soudre les collapsus lors des exp rimentations Mais malgr toutes ces informations les param tres ventilatoires doivent tre ajust s manuellement selon le patient Suite au d veloppement de ce mod le la recherche de nouveaux modes ventilatoires pour la VLT a d but afin de simplifier l ajustement des param tres ventilatoires l expiration En 6 1 ventilation m canique gazeuse il existe un nombre impressionnant de possibilit s pour ventiler ad quatement les patients en support ventilatoire En explorant les types de contr le mis en place nous avons remarqu que l expiration est toujours r gul e en pression et ce concep
249. un ph nom ne d auto Peep s installe L interpr tation de ce ph nom ne peut tre approch e de la m me fa on qu en ventilation gazeuse le temps d expiration est trop court et ou le volume expirer est trop grand Donc une modification des param tres s impose pour rencontrer les objectifs 5 6 Chapitre 5 Systeme de commande Inversement si le temps n cessaire pour retirer le liquide inspir est inf rieur au temps d expiration fix par le clinicien ce dernier doit revoir ses param tres ventilatoires A ce moment plusieurs options s offrent a lui dont La diminution de la Peep Ceci aura une influence directe sur le d bit expiratoire maximal admissible dans les voies respiratoires L augmentation du Vt Une augmentation du volume expirer sur une chelle de temps fixe augmente in vitablement le d bit expiratoire La diminution du temps expiratoire Te automatiquement le respirateur diminue le temps d expiration et poursuit son cycle respiratoire A l expiration la r gulation de la pression se fait un niveau de pression inf rieur la Peep toujours 2 cm H20 pour toute la dur e de la phase expiratoire Ce param tre ne sera pas accessible par le clinicien 5 1 3 Nouveau mode ventilatoire VCi VCRPe Le premier mode ventilatoire est de nouveau repris pour contr ler en volume l inspiration L expiration est de nouveau r gul e en pression et le niveau de Peep est modifi auto
250. une pression interne Palv proportionnel sa compliance C et au volume V qu elles contiennent En dynamique la pression dans les voies respiratoires Pva est directement proportionnelle a la r sistance R a l coulement V ajout e la pression alv olaire Palv L quation 2 14 expose ce mod le Pva Palv RV RV 2 14 Patm C P E sosie couse li Fig 2 13 Mod le un compartiment lin aire gauche et son comportement droite 2 22 Chapitre 2 Etats des connaissances 2 3 2 Mod le un compartiment non lin aire Le mod le non lin aire part de l quation 2 14 d crite pr c demment mais la r sistance R et ou la compliance C ne sont plus simplement proportionnels En 1915 Rohrer propose l quation dae ae A 4 2 15 pour mod liser la r sistance R des voies respiratoires volume pulmonaire constant 2 R a by 2 15 En 1950 Otis quantifie les termes a et b pour un cycle respiratoire complet 3 5 cm H0 sec L et 1 5 cm H O sec L chez l adulte en bonne sant Ferris a refait un travail semblable pour trouver des constantes l g rement diff rentes de 3 5 cm H2O sec L et 0 41 cm H20 sec L l inspiration et 3 79 cm H2O sec L et 0 51 cm H2O sec L lors de l expiration Par la suite diff rentes quations ont t propos es mais elles ont rarement t utilis es en mod lisation 45 En ce qui trait la compliance cette d
251. urbe Pression Volume 3 6 3 18 quation d indexation 3 6 3 2 Application du mod le l agneau 3 6 3 2 1 Courbe PV 3 2 1 1 Courbe PV exp rimentale 3 2 1 2 Courbe PV moyenne 3 2 1 3 Courbes PV secondaires g n r es 3 2 2 Sections des voies respiratoires 3 2 3 Longueur des voies respiratoires 3 2 4 R solution du mod le 3 3 R sultats num riques et discussions 3 3 1 Les IVPD 3 3 2 Analyse du m canisme limitatif 3 3 3 Segment limitatif et point d gale pression 3 3 4 Profil volumique expiratoire optimal 3 3 4 1 Les DEMV 3 3 4 2 Profil expiratoire optimal 3 3 5 Transposition en VLT 3 3 5 1 Choix de la limite du d bit expiratoire 3 3 5 2 Ventilation minute 3 3 6 R sistance des voies respiratoires 3 4 Validation exp rimentale 3 4 1 Traitement pr alable des signaux exp rimentaux 3 4 2 Extractions du d bit versus la pression alv olaire 3 4 3 R sultats et discussion 4 Syst me commander 4 1 R duction du mod le des poumons 4 1 1 D finition du mod le 4 1 2 Mesure de l lastance 4 1 3 La r sistance pulmonaire th orique 4 1 4 R sistance pulmonaire exp rimentale 4 1 4 1 Validation th orique de la m thode 4 1 4 2 Validation exp rimentale in vivo 4 2 Circuit fluide 4 2 1 Pertes de charge 42 2 R sultats 4 3 Syst me moteur 4 3 1 Couples appliqu s au moteur 3 7 3 7 3 10 3 12 3 13 3 15 3 16 3 18 3 18 3 21 3 23 3 24 3 25 3 26 3 28 3 28 3 30 3 3
252. urs ont t tir es directement de la documentation sur le r ducteur de vitesse de la compagnie Oriental Motor 2LF25N 2 En regroupant D Cee a 4 0 4 0 C B 35 2 2 ee ne ee es Le x xm MM B 9 Annexe B Syst me commander B 4 Fonction de transfert globale Pour trouver la fonction de transfert globale on transpose les quations dans le domaine de Laplace en utilisant les quations lin aires pour les r sistances lin aires du circuit fluide RC ax et pulmonaire Riineaire Y Cree a0 a 0 a 0 C B 36 L I s s K U s K jem 5 RB 1 s B 37 JO s K I s C s B 38 En combinant les quations B 36 et B 38 JO s K 1 s a 6 a 6 a 0 C B 39 On r crit cette relation en fonction de s JO s s K 1 s a 0 s s a 0 s s a 0 s C B 40 On regroupe les termes O s A s a s a 5 a K 1 s C B 41 Pour simplifier les quations les couples statiques sont retir s de cette relation La cons quence de ce retrait peut tre explor e grace a la relation B 41 Le couple disponible exprim par K 1 s sera sup rieur permettant alors une plus grande acc l ration angulaire du moteur Donc l amplitude du mouvement de la pompe sera plus importante en omettant ces couples statiques On remplace l expression de s dans l quation B 37 AN a s a 5 a z s R K U s K A s s Bata On isole de nouveau o s a VU a s
253. use dans le traitement des d faillances respiratoires est la possibilit en annulant l interface air liquide et en ayant une basse tension de surface de permettre l expansion et le recrutement des alv oles pathologiques non compliantes avec des pressions beaucoup plus basses La ventilation alv olaire est donc plus homog ne les at lectasies sont limin es et les in galit s ventilation perfusion diminu es ce qui minimisent les risques de volo barotraumatisme Ces b n fices ont t retrouv s dans toutes les tudes r alis es sur des mod les animaux de d tresse respiratoire Le seul inconv nient quand l utilisation des PFC est leur densit importante et leur grande viscosit comparativement l air Cet aspect sera abord la section 1 3 de ce chapitre 1 23 Administration de la ventilation liquidienne La ventilation liquidienne peut tre r alis e de plusieurs fa ons soit en utilisant le PFC sous forme d a rosol VLA en partielle VLP ou en totale VLT 1 La mise en a rosol du PFC est assez simple Le PFC est vaporis sous forme de gouttelettes vapeurs ou de gaz satur en PFC dans les voies respiratoires raison d un certain volume par heure et un respirateur m canique gazeux assure la respiration pies Cette m thode est utilis e notamment en imagerie m dicale o le PFC est utilis comme agent de contraste 2 La VLP quant elle consiste remplir partiellement les poum
254. xp rimentaux 3 11 Fig 3 5 Courbes PV moyenne sur l agneau poumon sain avec du PFOB 3 11 Fig 3 6 Courbes PV expiratoires g n r es avec l quation de Venegas pour diff rentes Peip 3 13 Fig 3 7 Variation de la section des voies respiratoires adimensionn es en fonction de la pression transmurale Ptm pour quelques g n rations z 3 15 Fig 3 8 D marches pour la r solution du mod le 3 17 Fig 3 9 Courbes IVPD pour le PFOB Pour obtenir ces courbes la pression alv olaire et le volume pulmonaire est fixe Il suffit ensuite d augmenter le d bit expiratoire jusqu l atteinte de la pression limite 500 cm HO ou de la vitesse de propagation d une onde de pression c Lorsque V Q on retrouve la pression alv olaire Palv D bit expiratoire pour un volume pulmonaire moyen J Intervalle de confiance avec une erreur sur le volume pulmonaire de 15 ml kg 3 19 Fig 3 10 D bit expiratoire maximal DEM versus la Palv pour les diff rents PFC employ s en VLT 3 20 Fig 3 11 Courbes IVPD et de d bit critique Vcrit dans la voie respiratoire voir relation 3 8 pour les g n rations z 0 2 Lignes grasses D bit critique Vcrit Lignes fines IVPD la pression alv olaire au d bit expiratoire nul V 0 ml s m 3 22 Fig 3 12 Courbes IVPD et de d bit critique Vcrit dans la voie respiratoire voir relation 3 8 pour les g n rations z 3 5 Li
255. xpiration et de l inspiration sur le respirateur liquidien _ 5 11 Fig 5 7 Profils en volume et en d bit utilis s pour l inspiration durant une VLT 5 13 Fig 5 8 Profil exponentielle utilis pour l expiration durant une VLT 5 13 Fig 5 9 Sch ma bloc du contr le en pression lors de l expiration 5 14 Fig 5 10 Sch ma de contr le global incluant le Superviseur et les deux contr leurs en volume pour les pompes inspiratoire et expiratoire 5 16 Fig 5 11 Structure d taill e de la r gulation en pression 5 20 Fig 5 12 Oscillation de la mesure de pression suite l arr t de la pompe piston 5 22 Fig 5 13 Lieu de Bode de la fonction de transfert du syst me incluant les poumons 5 23 Fig 5 14 R ponse en fr quence du syst me en fonction de diff rentes dynamiques non mod lis es 5 24 Fig 5 15 Lieu de Bode du syst me pour 3 valeurs de r sistance PFOB Rineaire M0y 1 08 x 1 O cm HO s m Rineaire min 7 92 x 10 cm H20 s m Rineaire MAX 3 22 x 10 cm HzO s m 5 26 Fig 5 16 Lieu de Bode du syst me pour 3 valeurs d lastance PFOB E moy 1 67 X 10 cm H 0 m E min 0 83 X 10 cm H O m E max 3 33 X 10 cm H 0 n 5 27 Fig 5 17 Zone de commande pour le contr leur mettre en place 5 28 Fig 5 18 Lieu de Bode de P s et de L s 5 32 Fig 5 19 Lieu de Bode du syst me en boucle ouverte suite un changement de r sistance des voies res
256. yenne 0 064 0 035 1 36 1 53 1 51 0 97 Malades PFDEC 23 mai 2006 0 060 0 009 0 77 0 24 1 48 0 76 1337 30 mai 2006 0 111 0 035 1 96 1 13 1 61 1 02 1341 18 juillet 2006 0 048 0 010 0 60 0 28 0 99 0 28 1460 22 ao t 2006 0 029 0 014 0 75 0 55 1 53 1 07 1351 24 ao t 2006 0 044 0 007 0 53 0 23 1 12 0 33 1362 10 octobre 2006 0 024 0 005 1 10 0 18 0 87 0 33 1682 Moyenne 0 053 0 013 0 77 0 24 1 26 0 63 4 17 Chapitre 3 Mod le stationnaire 4 2 Circuit fluide Avant de d finir les quations pour la m canique des fluides la figure 4 17 pr sente le chemin parcouru par le PFC dans le circuit du respirateur Les hypoth ses suivantes ont t formul es pour d buter les calculs 1 Le liquide utilis est suppos incompressible L coulement dans les tubes est suppos turbulent La rugosit des sections circulaires est gale z ro 2 3 4 On n glige les effets instationnaires qui ont lieu au niveau des changements de sections 5 L coulement est consid r stationnaire 6 La hauteur entre le piston et la sortie du tube endotrach al est consid r e constante 7 La paroi des tubes est rigide Pour d terminer la diff rence de pression entre les points 1 et 10 l quation de Bernoulli relation 4 6 a t employ e Cette relation permet de calculer la pression Py exerc e par le liquide sur le piston Pour plus de d tails sur l ensemble des calculs e
257. yg ne pur Il est accompagn d un r servoir auxiliaire duquel la quantit de PFC est mesur e et pomp e Un capteur de pression mesure le niveau du liquide dans le r servoir pour d duire le volume de PFC pr sent La variation du r servoir est proportionnelle au volume ins r et retir des poumons Une diminution du niveau de PFC dans ce r servoir signifie que le respirateur augmente le volume au niveau des poumons Par contre les pertes de PFC par vaporation au niveau des oxyg nateurs viennent fausser cette mesure Il 0 existe un syst me pour compenser ces pertes mais le respirateur actuel n en poss de pas 2 7 Chapitre 2 Etats des connaissances Modules thermo lectrique Condenseur im g Section annulaire f v0 14 aon ae 4 ros EE N 4s pie Capteur de temp rature b Ta AE 4 2 5 5 8 pa 18 fi f a la 0 iE cae E Rd a 2 S 44 APR 4 1 a ee 17 ir oe 4 SD El ment chauffant 4 pin J p amp 4 4 Q i KE il H Membrane perfor e y g Entr e d oxyg ne pr En cS ASS df RE Fig 2 4 Dessin des oxyg nateurs compartiment s mis en s rie avec le filtre et le condenseur Pour minimiser le nombre de tubulures et le volume de remplissage le syst me de chauffage et de condensation sont int gr s l oxyg nateur Enroul autour de sa base m tallique l l ment chauffant permet de r chauffer et de maintenir le liquide

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