Apporter un souffle nouveau aux respirateurs artificiels
La ventilation mécanique des patients sous respirateur artificiel a permis de sauver la vie de nombreux malades souffrant d’insuffisance respiratoire ou lors d’opérations chirurgicales, mais leur fonctionnement pourrait encore être optimisé. Des travaux de recherche récents, menés au Laboratoire des signaux et systèmes, visent en effet à améliorer l’estimation de l’effort effectué par le patient ainsi que la synchronisation entre le ventilateur et le patient. Ce dernier point fait l’objet du projet AirPad, soutenu par la SATT Paris-Saclay, autour d'un dépôt de brevet.
Améliorer la synchronisation entre le respirateur et le patient pourrait permettre un meilleur pronostic et offrir un gain de temps aux professionnels de santé. Le projet AirPad1 vise justement à réduire les asynchronies entre le patient et le ventilateur. Ces recherches ont démarré en juin 2019, lorsque des cliniciens ont sollicité le Laboratoire des signaux et systèmes (L2S- CentraleSupélec/CNRS/Université Paris-Saclay/Inria) pour les aider face aux problématiques qu’ils rencontrent sur l’estimation de l’effort musculaire du patient, en particulier en mode Ventilation spontanée avec aide inspiratoire (VSAI). Ce mode ventilatoire, où la ventilation est déclenchée par l’effort du patient, est principalement utilisé durant les anesthésies et les réanimations.
« Lorsqu’un ventilateur est en fonctionnement, il alterne entre des phases où il insuffle de l’air dans les voies aériennes du patient et des phases où l’air est expiré, détaillent William Pasillas-Lépine, directeur de recherche au CNRS et Luca Greco, maître de conférences à l'Université Paris-Saclay, porteurs du projet AirPad au L2S. Si le ventilateur fournit déjà beaucoup d’informations, une donnée encore manquante intéresse fortement les professionnels de santé pour un réglage optimal du niveau d’assistance : l’effort musculaire du patient, soit la courbe qui déclenche le ventilateur en VSAI. »
En effet, si grâce à leur expérience les cliniciens peuvent estimer l’effort du patient ; celui-ci est en revanche très difficile à déterminer lorsque l’effort est faible. « Actuellement, l’effort du patient ne peut pas être mesuré sans utiliser de dispositifs invasifs, notamment grâce à une sonde œsophagienne rarement utilisée », complète Luca Greco. Cette donnée permettrait notamment aux cliniciens de déterminer plus aisément s’ils sur-assistent ou sous-assistent un patient, et donc régler plus finement le niveau d’assistance.
Après avoir essayé de nombreuses méthodes face à cette problématique, les chercheurs du L2S ont développé un algorithme d’estimation mathématique, basé sur une technique d’optimisation, pour calculer l’effort du patient à partir des mesures du débit et de la pression à l’entrée des voies aériennes, facilement disponibles sur les respirateurs. Des tests ont été réalisés sur un simulateur de patient branché à un ventilateur.
Prévenir les asynchronies entre le patient et le ventilateur
Cet algorithme, qui a fait l’objet d’une publication scientifique2
, parvient à de bien meilleures estimations que l’état de l’art. Les recherches se poursuivent pour améliorer l’algorithme afin de le rendre opérationnel sur de véritables patients. Ces travaux ont débouché sur le projet AirPad, qui vise, quant à lui, à réduire les asynchronies entre le patient et le ventilateur en mode VSAI. Ce projet, mené en collaboration avec Guillaume Carteaux, professeur des universités-praticien hospitalier à l'Institut Mondor de recherche biomédicale (IMRB3
) et à l'Hôpital Henri-Mondor (AP-HP4
), est soutenu par la SATT Paris-Saclay.
Il existe en effet plusieurs types d’asynchronie entre le patient et le ventilateur comme, par exemple, l’insufflation prolongée : le patient a terminé son effort mais le ventilateur continue l’insufflation. « L’insufflation prolongée peut entraîner un risque supplémentaire : l’effort suivant ne déclenchera pas l’insufflation, souligne Luca Greco. Le risque est alors que le clinicien ne sache pas, qu’une fois sur deux, le patient fait un effort qui ne déclenche pas le ventilateur. »
Le projet AirPad permettrait justement de prévenir ces asynchronies, qui peuvent être la source d’erreurs de diagnostique induisant potentiellement un allongement de la durée des soins sous ventilation mécanique. « Le but du projet est d’optimiser le débit auquel l’expiration est déclenchée de façon à ce que la fin de l’insufflation coïncide avec la fin de l’effort du patient », résume William Pasillas-Lépine.
Le travail réalisé en amont sur l’estimation de l’effort patient est important pour ce projet puisque cela permet d’avoir une estimation précise et en temps réel des caractéristiques des voies aériennes du patient afin que la synchronie soit assurée de manière constante et automatique. La technologie d’AirPad offrirait ainsi un gain de temps aux cliniciens, qui règlent actuellement les ventilateurs manuellement, en plus de réduire les potentiels effets délétères pour la santé des patients causés par les asynchronies. Cette technologie est également basée sur des outils mathématiques, cette fois-ci combinés à des outils d’automatique.
Les recherches sont actuellement menées dans le cadre du projet AirPad et un brevet a été déposé en début d’année. « Nous avons déjà testé l’algorithme sur un simulateur de patient et commençons à être assez avancés sur ce projet, indiquent les scientifiques du L2S. L’objectif à terme serait de céder une licence à un fabricant de respirateurs, afin de réussir à transférer notre solution vers l'industrie et la rendre disponible sur des ventilateurs utilisés en clinique ». Après avoir été financé par CNRS Sciences informatiques (Projet Émergence), AirPad a été financé par la SATT Paris-Saclay via un projet POC’UP. La maturation de la technologie se poursuivra dans le cadre du programme TECH TRANSFERT de la SATT Paris-Saclay.