Solutions de capteurs de débit dans les ventilateurs médicaux modernes by Sensirion AGMedicalExpo

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Quatre-vingt-dix ans après la première utilisation du poumon d'acier, il s'agit maintenant de systèmes de ventilation mécanique qui alimentent le patient en gaz respiratoire au moyen de "pompes à air" mécaniques Cette technique de ventilation utilise une pression positive pour fournir de l'air aux poumons du patient. L'augmentation des fonctions intelligentes intégrées à ces ventilateurs leur permet de s'adapter automatiquement aux changements de la fonction pulmonaire ou de la respiration du patient. De ce fait, la ventilation moderne à pression contrôlée ou à volume contrôlé est plus que jamais orientée vers le patient. Comme de moins en moins de modes de ventilation sont nécessaires en raison de l'augmentation de l'intelligence des appareils, les ventilateurs médicaux sont devenus moins complexes à utiliser. Dans le passé, la respiration spontanée chez les patients sous ventilation invasive était supprimée par sédation pour faciliter la ventilation mécanique. Aujourd'hui, les avantages de la ventilation spontanée sont bien compris, et l'un des objectifs est de la maintenir le plus longtemps possible, ce qui permet souvent d'obtenir de meilleurs résultats.

La ventilation non invasive fait référence aux thérapies de ventilation qui sont effectuées à l'aide de masques ou de canules nasales, souvent appelées ventilation par masque ou VNI/VNP (ventilation non invasive ou ventilation non invasive par pression positive). Dans la ventilation invasive, une sonde endotrachéale ou une canule trachéale est insérée dans la trachée du patient pour alimenter les poumons en air. Les deux types de ventilation - non invasive et invasive - ont du mérite et sont utilisés de façon complémentaire. La ventilation non invasive est souvent mise en œuvre avant l'intubation ou après l'extubation en milieu clinique. Une autre application classique de la thérapie par VNI est le traitement à domicile, où elle fournit un soutien à la ventilation aux patients sans surveillance constante par des professionnels de la santé. On fait souvent la distinction entre les ventilateurs sophistiqués pour soins intensifs, équipés d'une option de ventilation non invasive, et les ventilateurs non invasifs moins complexes destinés à être utilisés en soins subaigus et en soins à domicile.

L'humidification de l'air inhalé est un facteur qu'il ne faut pas sous-estimer, car elle va bien au-delà du simple confort du patient. Bien que la ventilation non invasive ne contourne pas les voies respiratoires supérieures et qu'une certaine humidification de l'air inhalé se produise encore naturellement, il est courant d'utiliser un système d'humidification (Figure 1), particulièrement pour les patients qui respirent par la bouche. Un air bien humidifié et réchauffé contribue de manière significative au succès de la thérapie de ventilation puisqu'il améliore à la fois le drainage des sécrétions et la tolérance de la thérapie de ventilation non invasive[1]

Les tendances actuelles dans les hôpitaux montrent que la ventilation non invasive est utilisée plus fréquemment aujourd'hui et pour beaucoup plus de symptômes que jamais auparavant. Les patients atteints d'une maladie pulmonaire obstructive chronique constituent une grande partie de la population de patients traités par ventilation non invasive dans les unités de soins intensifs. En cas d'insuffisance respiratoire aiguë, par exemple, les unités de soins intensifs utilisent de plus en plus la ventilation non invasive comme première ligne de traitement, ce qui réduit les complications infectieuses, les périodes de sevrage, la durée du séjour en soins intensifs, les taux d'intubation[2] et les coûts. De plus, dans le contexte des soins à domicile, l'utilisation de la ventilation non invasive à long terme pour les maladies pulmonaires comme la MPOC, la fibrose pulmonaire ou la mucoviscidose est en hausse.

La question clé pour tous les respirateurs est la mesure précise du débit de gaz respiratoire et du volume de gaz respiratoire qui entre et sort du patient. Ces mesures, d'une sensibilité et d'une précision maximales, permettent une ventilation orientée vers le patient, qui reflète mieux la pathophysiologie du patient, comme indiqué précédemment. Par exemple, la surveillance de la pression, du débit massique et du débit volumique au fil du temps nous permet d'observer des changements dans l'état du patient, comme une capacité pulmonaire réduite. La figure 1 montre la construction schématique d'un ventilateur avec les positions typiques du débit d'air/capteur.

Les circuits respiratoires complexes présentent une grande variabilité de composition en raison des différents types de tuyaux, humidificateurs, filtres et adaptateurs utilisés. Il en résulte souvent des fuites et des imperfections, c'est pourquoi le débit inspiratoire (I) diffère parfois considérablement du débit qui atteint réellement le patient. Il en va de même pour le débit expiratoire (E). Les mesures du débit d'air sont également entravées par les changements constants de la température de l'air, de l'humidité et de la composition des gaz respiratoires, ainsi que par la contamination des tuyaux et des capteurs expiratoires et proximaux par des expectorations, des agents pathogènes et du sang. En raison de limitations techniques dans le passé, des mesures des débits inspiratoire (I) et expiratoire (E) ont été effectuées à l'intérieur du ventilateur. Les valeurs de débit approximatives, parfois très différentes des valeurs réellement ventilées, ont ensuite été corrigées autant que possible à l'aide d'algorithmes de compensation complexes et souvent imprécis. Pour contrer ce défi technique, le débit respiratoire est maintenant mesuré le plus près possible du patient, c'est-à-dire proximalement.

Issu de la néonatologie, il est admis que la meilleure position de mesure du débit d'air, du volume et de la pression du patient est la plus proche possible, c'est-à-dire proximale (P), de celle du patient[2]. Cela permet aux patients d'être ventilés avec un volume courant aussi précis que possible et les effets de la composition du circuit de ventilation mentionnés ci-dessus sont presque entièrement éliminés. En particulier pour les applications néonatales et pédiatriques qui reposent sur la mesure précise de très petits débits, la mesure du débit proximal est devenue la norme.

Les autres avantages de la mesure du débit proximal sont la détection instantanée des signaux respiratoires, à laquelle le respirateur peut réagir encore plus rapidement, ainsi que la détection des fuites. En particulier pour réduire l'effet des fuites, les capteurs proximaux (Figure 2) s'avèrent utiles aussi bien pour la ventilation à volume contrôlé que pour la ventilation à pression contrôlée, et aident à réduire les causes des problèmes de surveillance et de déclenchement.

Le développement continu des ventilateurs a toujours été lié à la technologie des capteurs disponibles. Des rotamètres utilisés dans les premiers temps aux mesures de débit avec des capteurs de pression différentielle sur des orifices ou des anémomètres à fil chaud, la technologie de mesure des capteurs a considérablement évolué pour s'adapter aux exigences toujours croissantes des ventilateurs. La technologie CMOSens® de Sensirion, qui est utilisée dans tous les capteurs de débit massique et de pression différentielle de Sensirion, est un développement de nouvelle génération de l'anémomètre à fil chaud. Avec la technologie CMOSens®, Sensirion a développé une gamme de capteurs de débit toujours plus large basée sur la technologie MEMS (système micro-électromécanique) qui couvre désormais toutes les exigences modernes des capteurs de ventilation :

En particulier dans le cas de la mesure proximale, la gamme de capteurs Sensirion couvre les applications de ventilation adulte et néonatale avec des solutions de capteurs à usage unique et réutilisables. Comme les capteurs expiratoire et proximal entrent en contact avec l'air humide ou potentiellement contaminé du patient, le remplacement ou le nettoyage est essentiel. Pour cette raison, toutes les solutions de capteurs de débit réutilisables peuvent être nettoyées selon différentes méthodes, du lavage à l'autoclavage (135°C, pression >2 bar et humidité relative 100%).

Certaines des principales différences par rapport à la technologie précédente, les anémomètres à fil chaud, sont que les solutions modernes de capteurs de débit délivrent un signal de sortie numérique, entièrement calibré et compensé en température. Les capteurs peuvent alors être utilisés directement avec le patient et donc sans nécessiter un réétalonnage préalable long ou périodique. De plus, les capteurs mesurent le débit d'air symétriquement dans les deux sens. La technologie robuste du capteur ne nécessite pas de réglage du point zéro, ne dérive pas dans le temps et n'a pas besoin d'être étalonnée pendant toute la durée de vie du capteur.

La nouvelle génération de capteurs de débit permet également une utilisation sans hystérésis et indépendante de la position avec une plage de mesure dynamique et une sensibilité de mesure élevée dans toutes les plages de débit. Comme le signal de mesure est traité directement à l'intérieur du capteur et que la sortie est numérique et que les valeurs de débit sont compensées en température, aucun autre composant coûteux tel qu'un convertisseur A/N n'est nécessaire. Tous ces avantages permettent au personnel médical de gérer la ventilation des patients de manière sûre, facile, rapide et fiable, ce qui offre des avantages significatifs lorsqu'il s'agit de la ventilation d'urgence, ainsi que dans les environnements de soins subaigus et à domicile.

Les défis des capteurs de débit proximaux sont variés et exigeants. Les capteurs doivent être fiables et économiques, offrir une stabilité à long terme et présenter de nombreuses autres caractéristiques spécifiques au ventilateur, telles qu'une faible perte de charge, un faible volume mort, une plage de mesure bidirectionnelle et un haut niveau de sensibilité, afin d'être adaptés à une ventilation moderne orientée patient. En outre, des exigences particulièrement strictes en matière de stérilisation hygiénique sont en place, car les capteurs peuvent rencontrer de l'air potentiellement contaminé par des agents pathogènes.

Le talon d'Achille de tous les capteurs de débit d'air actuellement disponibles sur le marché est l'utilisation de capteurs en combinaison avec des humidificateurs. Comme décrit précédemment, les humidificateurs sont utilisés fréquemment et leur importance va bien au-delà du confort du patient pendant le traitement. L'humidité élevée devient un problème lorsqu'elle entraîne de la condensation, provoquant l'écoulement de gouttelettes d'eau macroscopiques dans les parties les plus froides du circuit du ventilateur. Equiper le capteur d'un élément chauffant externe supplémentaire, comme c'est le cas avec les capteurs proximaux et expiratoires de Sensirion, peut aider. Le fonctionnement de cet élément chauffant avec une puissance maximale de 0,5 W est suffisant pour éviter la condensation dans le capteur et assurer ainsi un fonctionnement stable et fiable à long terme.

Nous l'avons démontré dans un cas simulé de ventilateur néonatal avec de l'air extrêmement humide et un très petit volume courant de seulement 5 ml. Le schéma, illustré à la figure 3, montre un humidificateur généralement utilisé dans les installations de ventilation pour s'assurer que l'air respirable est bien humidifié. Le cylindre en acier du four est maintenu à 37°C et simule les poumons de l'enfant en utilisant comme référence le capteur de pression connecté. La valve contrôlée est fermée pendant le cycle respiratoire inspiratoire et ouverte une fois par seconde pendant la partie expiratoire du cycle respiratoire.

Sans l'utilisation de l'appareil de chauffage, des gouttes d'eau individuelles s'écoulent sur l'élément capteur et provoquent une mauvaise lecture des valeurs de mesure pendant 16 heures lors de la ventilation du volume courant de 5 ml. Cette erreur de lecture est clairement reconnaissable aux écarts du volume expiratoire/spiratoire par rapport au volume de référence illustré à la figure 4.

L'utilisation et la propagation des ventilateurs continueront de croître fortement à l'avenir en raison du nombre croissant de maladies pulmonaires. Les ventilateurs modernes imposent des exigences sans cesse croissantes aux capteurs afin de mettre l'accent sur les patients et leur thérapie. Une nouvelle génération de capteurs de débit a prouvé sa fiabilité des millions de fois dans le domaine des appareils CPAP et des applications automobiles, avec des avantages évidents pour les ventilateurs. Cet avantage technologique permettra aux fabricants de réaliser les prochains sauts quantiques en matière de ventilation.

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