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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Mécanique des Fluides, Energétique, Bio-Ingéniérie

Par

Linda ACHOUR

Soutenue le 22 novembre 2005

Asynchronismes des interactions patient-ventilateur en ventilation non-invasive.
Jury

Rapporteurs
RÖSSLER OTTO, Professeur à l’Université de Tübingen (Allemagne)
LUSSEYRAN François, Chargé de Recherche au C.N.R.S., L.I.M.S.I. Orsay Examinateurs
CUVELIER Antoine., Praticien Hospitalier, CHU de Rouen
FAUROUX Brigitte, Professeur à l’Université de Paris VI
LEFRANC Marc., Chargé de Recherche au C.N.R.S., USTL Lille
MUIR Jean-François., Professeur à l’Université de Rouen

Directeur de thèse
LETELLIER Christophe., Maître de Conférences à l’Université de Rouen

Résumé
Dans un grand nombre de situations cliniques, dont les insuffisances respiratoires chroniques, l’assistance ventilatoire est appliquée par l’intermédiaire d’un masque facial (ou nasal), c’est la ventilation non invasive. Une proportion significative de patients ne tolère pas ce traitement pour des raisons encore mal comprises. Cette intolérance pourrait résulter du non déclenchement de la phase inspiratoire du ventilateur par les sollicitations du patient. Ce travail de thèse concerne donc l’analyse de ces interactions entre patient et ventilateur à l’aide de la théorie des systèmes dynamiques non linéaires. Ainsi, nous avons mis en œuvre un système d’acquisition au sein du service de Pneumologie de l’hôpital de Bois Guillaume de manière à disposer de la mesure du débit et de la pression à proximité du masque. Ensuite, nous avons développé des techniques d’analyse originales pour la compréhension des mécanismes sous-jacents à l’apparition des asynchronismes entre patient et ventilateur. Entre autres, nous avons développé un algorithme de traitement automatique des données de manière à disposer de statistiques sur un nombre significatif de cycles. Cet algorithme fournit, à partir des mesures non invasives (débit et pression), la détection automatique des cycles non déclenchés ainsi que toutes les caractéristiques ventilatoires habituellement utilisées en ventilation mécanique (volume courant, temps inspiratoire et expiratoire, fréquence respiratoire, etc.). Les erreurs de détection sont quantifiées par comparaison avec une mesure invasive mais de référence (la pression oesophagienne). Les propriétés des interactions entre patient et ventilateur sont ainsi étudiées grâce à la combinaison de techniques d’analyse issue de la théorie des systèmes dynamiques non linéaires (portraits de phase, applications de premier retour à une section de Poincaré) avec une approche statistique, plus classique. Nous avons ainsi mis en évidence deux facteurs importants pour la qualité de la ventilation non invasive : le taux d’efforts inefficaces et la variabilité sur la durée du cycle respiratoire. Nous avons remarqué qu’une augmentation de la fréquence respiratoire permettait de réduire de manière significative le taux d’asynchronismes et, par conséquent, une réduction du travail inspiratoire.

Abstract
In many different clinical situations, such as chronic respiratory failures, an assistance is applied through a facial (or nasal) mask : this is the so-called noninvasive ventilation. A significant number of patients does not tolerate this treatment for some reasons that are not so well understood. This lack of tolerance could result from the occurrence of non triggered cycles by the patient’s ineffective efforts. This thesis is devoted to the analysis of the interactions between patient and ventilator using the non-linear dynamical system theory. In order to measure the flow and pressure near the mask, we implemented an acquisition system at the Pneumology service of Bois Guillaume Hospital. On the other hand, we developed original techniques to analyse the mechanisms responsible for the occurrence of asynchronisms between patient and ventilator. Among others, we developed an algorithm for processing the data over a significant statistics, that is, on a large number of respiratory cycles. From non invasive measurements (flow and pressure), this algorithm provides automatically the number of non-triggered cycles as well as the breathing pattern commonly used in mechanical ventilation (tidal volume, inspiratory and expiratory time, respiratory rate, etc.). The ability of our algorithm to detect the non triggered cycles is estimated by a comparison with invasive measurements of the oesophageal pressure, a reference quantify for chest physicians. The properties of the interactions between patient and ventilator are then investigated by combining some techniques from the non-linear dynamical systems theory (phase portraits, first return map to a Poincaré section) with more common statistical approaches. We thus highlighted two important factors for the quality of noninvasive ventilation : the rate of ineffective efforts and the variability over the duration of the respiratory cycle. We showed that an increase of the respiratory rate is associated with a significant decrease of the rate of asynchronisms and, consequently, a reduction of the inspiratory work.


Pour pallier à l’insuffisance respiratoire chronique, l’assistance ventilatoire est appliquée au moyen d’un masque facial (nasal), c’est la ventilation non invasive. Une proportion significative de patients ne tolère pas ce traitement pour des raisons incomprises. Cette intolérance peut résulter du non déclenchement de la phase inspiratoire du ventilateur par les sollicitations du patient. Ce travail de thèse concerne l’analyse des interactions entre patient et ventilateur à l’aide de la théorie des systèmes dynamiques non linéaires (portraits de phase, applications de premier retour à une section de Poincaré). Un système d’acquisition, mis en œuvre au sein du service de Pneumologie (Hôpital de Bois Guillaume), permet de mesurer le débit et la pression à proximité du masque. Nous avons développé un algorithme de traitement automatique des données permettant la détection des cycles non déclenchés. Les erreurs de détection sont quantifiées par comparaison avec la pression oesophagienne.

To compensate chronic respiratory failures, an assistance is applied through a facial (nasal) mask : this is the so-called noninvasive ventilation. A significant number of patients does not tolerated this treatment for not understood reasons. This lack of tolerance result from the occurrence of non triggered cycles by the patient’s ineffective efforts. This thesis is devoted to the analysis of the interactions between patient and ventilator using the non-linear dynamical system theory (phase portraits, first return map to a Poincaré section). An acquisition system implemented at the Pneumology service (Bois Guillaume Hospital), allows measure the flow and pressure near the mask. We developed an algorithm to detect automatically the number non-triggered cycles. Error detections are quantify by a comparaison with oesophageal pressure.

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