Déterminants et Techniques de Mesure du Débit Cardiaque

Déterminants et Techniques de
Mesure du Débit Cardiaque
Alain Combes
Service de Réanimation
Institut de Cardiologie
Hôpital Pitié-Salpêtrière, AP-HP, Paris
Université Pierre et Marie Curie, Paris 6
www.reamedpitie.com
Objectifs de la circulation
|
Apporter O2 aux organes périphériques
z
|
Assurer adéquation besoins-apports
Système clos artério-veineux:
z
z
Débit retour veineux = Débit éjection des 2
ventricules
Système en série
• VD, circulation pulmonaire, VG
z
Systèmes en parallèle
• Circulations régionales
Définition « métabolique »:
Principe de Fick
Pour un organisme à l’état stable
| Sans shunt intrapulmonaire
|
DC = VO2 / (CaO2-CvO2)
VO2 = Consommation en O2
(CaO2-CvO2) = Différence des contenus artériel et veineux en O2
Définition « Physique »:
Loi de Poiseuille
|
Pour un fluide parfait:
À faible viscosité
z Si l’écoulement est laminaire
z
DC = (PAom-POD) / RVS
ΔP = Gradient de P Motrice, mmHg
R = Résistances vasculaires
Définition hémodynamique
DC = FC x VES
FC = Fréquence cardiaque/min
VES = Volume d’éjection systolique
Valeur normale = 5 à 6 L/min
IC = DC / Sc
Valeur normale > 3 L/min/m²
Déterminants du VES
DC = FC x VES
Précharge
Postcharge
Remplissage
Ejection
Performance diastolique
Performance systolique
Fonction POMPE ventriculaire
Déterminants du VES
|
Pré-charge
|
Fonction POMPE ventriculaire
|
z
Performance diastolique
z
Performance systolique
Post-charge
Définition de la précharge du cœur
|
Ensemble des facteurs qui contribuent à
créer la contrainte = stress
z
Qui s’exerce sur la paroi ventriculaire en
télédiastole
z
Juste avant la phase de contraction
isovolumique
Courbes P/V ventriculaires
A-B: Systole
C-D: Diastole
end-diastole
Pré-Charge
Tension, Pression, Stress…
La loi de Laplace
|
Pour une sphère de rayon r, où règne
la pression P, la contrainte (stress)
qui s’exerce par U de surface sur la
paroi d’épaisseur h:
z
σ = P x r / 2 h, dynes/cm²
Pré-charge et Loi de Laplace
|
|
|
Pré-charge = contrainte σ en fin de diastole
σ = P x r /2h, dynes/cm²
La précharge VG est donc:
z
z
|
Proportionnelle à la pression qui règne dans
la cavité et au rayon du ventricule
Inversement proportionnelle à l’épaisseur de
la paroi
Donc pression et volume (ou diamètres)
télé-diastoliques sont des approximations
de la précharge
Déterminants de la pré-charge
|
Retour veineux, qui dépend
z
Volume sanguin circulant, Volémie
• Apports/pertes liquidiens, fonction rénale…
z
z
z
|
Résistance/compliance du réseau veineux
capacitif (rôle du système nerveux autonome)
Pressions intra-thoracique et intra-abdominale
Débit cardiaque (circuit fermé)
Compliance du ventricule Dt et du péricarde
z
Performance diastolique de la pompe
cardiaque
Effets d’une modification
de pré-charge sur le DC
Q, L/min
DC
Retour V
0
POD, mmHg
Effets d’une modification
de pré-charge sur le DC
Q, L/min
DC
Débit Cardiaque
Retour V
0
POD, mmHg
Effets d’une modification
de pré-charge sur le DC
Q, L/min
Retour V
Remplissage
0
POD, mmHg
Effets d’une modification
de pré-charge sur le DC
Q, L/min
Retour V
ΔQ
0
POD, mmHg
Effets d’une modification
de pré-charge sur le DC
Q, L/min
Retour V
ΔQ2
ΔQ1
0
POD, mmHg
Concept de précharge
dépendance…
précharge-independance
Volume
d’éjection
systolique
précharge-dépendance
Précharge ventriculaire
Déterminants du VES
|
Pré-charge
|
Fonction POMPE ventriculaire
|
z
Performance systolique
z
Performance diastolique
Post-charge
Performance systolique
|
|
|
= Contractilité, état inotrope du myocarde:
z Propriété inhérente du myocarde à se contracter
z Génération d’une force augmentant vitesse et amplitude
du raccourcissement des fibres myocardiques
z Indépendamment des conditions de charge (pré et post
charge ventriculaire) et de la fréquence cardiaque
Augmentée par l’effort, les catécholamines endogènes ou
pharmacologiques, les digitaliques…
Indices pour évaluer l’état inotrope:
z dP/dt, FE VG, Travail systolique VG…
z Élastance en fin de systole +++
Courbes P/V ventriculaires
A-B: Systole
C-D: Diastole
end-diastole
Élastance en fin de systole
Effet inotrope et courbes P/V
Ees +
Effet inotrope positif
Ees -
Effet inotrope négatif
Performance diastolique
|
= État lusitrope du myocarde:
z Diastole cardiologique:
• relaxation isovolumique + remplissage ventricule
z
z
|
|
|
Au niveau moléculaire, capacité à faire baisser la
concentration de Ca++ intracellulaire
Phosphorylation de protéines du SR, phospholamban en
particulier, qui augmente la vitesse de réabsorption Ca
Varie le plus souvent parallèlement à l’état inotrope du
myocarde
Influence compliance péricarde + thorax
Un des déterminants de la pré-charge ventriculaire
Effet lusitrope et courbes P/V
Effet lusitrope positif
Effet lusitrope négatif
Régulation de la fonction
contractile
|
Pharmacologique
|
Mécanisme de Franck-Starling
|
Positive/Negative Staircase
|
Effet Anrep
Loi de Franck-Starling
|
Loi de Starling:
z
|
Loi de Franck:
z
|
Plus le volume télédiastolique ventriculaire augmente,
plus importante sera l’énergie générée par la
contraction du ventricule et plus important sera le
volume de sang éjecté et la pression générée
L’augmentation du volume télédiastolique
s’accompagne d’une augmentation de la vitesse de
raccourcissement des fibres, d’une force générée plus
importante et d’une accélération de la relaxation
Donc description d’un effet inotrope et lusitrope positif
lorsque le volume télédiastolique augmente
Loi de Franck-Starling
Relation force-fréquence
|
« Treppe », «Positive Staircase »,
effet escalier +, Bowditch effect:
z
Une augmentation de la fréquence cardiaque
entraîne une augmentation de la force
générée par le ventricule
z
En cas de stimulation ventriculaire rapide,
plus de Ca++ entre dans la cellule que ne
peuvent en « extruder » les pompes
cellulaires
Positive Staircase
Effet «Anrep»
|
Une brutale augmentation de la postcharge VG entraîne un effet inotrope
positif dans les minutes qui suivent…
Déterminants du VES
|
Pré-charge
|
Fonction POMPE ventriculaire
|
z
Performance diastolique
z
Performance systolique
Post-charge
Définition de la post-charge du cœur
|
Ensemble des facteurs qui contribuent à
créer la contrainte = stress
z
|
Qui s’exerce sur la paroi ventriculaire
pendant la phase de contraction
(isovolumique + éjection)
Ensemble des facteurs qui s’opposent à
l’éjection VG
z
= Impédance d’entrée de l’aorte
Post-charge et Loi de Laplace
|
|
|
Post-charge = contrainte σ VG en systole
σ = P x r /2h
La post-charge VG est d’autant plus importante que:
z La pression systolique nécessaire pour ouvrir la valve
Ao et éjecter le sang vers l’aorte est plus importante
z Le volume ventriculaire systolique est plus important
• Donc à P identique, plus le VG est dilaté, plus la postcharge appliquée aux fibres myocardiques est élevée
Inversement proportionnelle à l’épaisseur de la paroi
La contrainte ventriculaire en fin de systole est donc le
reflet des composantes de la post-charge
z Maximum de pression générée en systole par le VG
z Résistances artérielles périphériques, Compliance Ao
z
|
Déterminants de la post-charge
Pression générée
Pré-charge, qui dépend du débit de
retour veineux, donc du DC
| État inotrope du cœur
|
Mécanisme de Franck-Starling
z Effet Escalier (fréquence)
z Effet Anrep (post-charge)
z
Déterminants de la post-charge
Résistances vasculaires
|
Régulation nerveuse
z Fibres vasoconstrictrices sympathiques vasculaires:
• Centres bulbaires, ganglions Σ para-rachidiens
• Action de la noradrénaline sur les récepteurs α1
z
Fibres vasodilatatrices
• Essentiellement musculaires, mises en jeu à l’effort
• Médiateur: acétylcholine
|
|
Régulation humorale
z Catécholamines circulantes (médullosurrénale)
z Système rénine-angiotensine
z Endothéline
z Vasopressine
z Kinines et prostaglandines vasodilatatrices
Élastance et compliance aortique intrinsèques
z Effet de l’âge, calcifications…
Impédance artérielle à l’éjection
|
|
Meilleure définition de la post-charge VG, prend en compte
z Impédance caractéristique aorte
z Ondes de réflexion générées au niveau des vx périph
z Viscosité et densité du sang
z Fréquence cardiaque, caractère pulsé du flux
Par définition, Impédance Z:
z Z = PAo / QAo,
z Varie donc à tout moment de l’éjection
z La décomposition du spectre d’impédance éjectionnel
• Magnitude et phase pour chaque fréquence
• Nécessite une transformation de Fourier et une mesure HiFi en
continu pression et débit au point considéré.
|
L’impédance (et la post-charge) augmentent lorsque:
z PAo augmente (HTA, baisse de la compliance Ao)
z QAo diminue (RAC, CMH)
Pré-charge, état inotrope, post-charge:
Inter-relations des 3 composantes
|
|
|
|
La pré-charge détermine en partie la force
de contraction générée par le ventricule
Une augmentation de l’état inotrope
augmente le débit et la pression aortique,
Donc augmente la post-charge,
L’augmentation du débit Ao va augmenter le
retour veineux et donc la pré-charge…
DC = FC x VES
Déterminants de la fréquence cardiaque
|
Contrôle nerveux
z Tonus sympathique accélérateur
z Tonus parasympathique modérateur
• Prédominant à l’état basal
z
Boucle de régulation
• Récepteurs (baro-, chemo-, métabo-récepteurs)
• Centres: corticaux, sous-corticaux, bulbaires,
médullaires
• Action: sur centres nodaux cardiaques
|
|
Contrôle humoral
z Catécholamines circulantes accélératrices
Contrôle mécanique
z Barorécepteurs carotidiens, aortiques et cardiaques
Contrôle nerveux de la FC
FC et DC, à inotropisme constant
Adaptation physiologique à l’effort
|
|
|
|
|
Toutes les actions (contractions musculaires + actions
cardiovasculaires) sont mises en œuvre par le cortex
moteur (puis hypothalamus, centres bulbaires, Σ et
paraΣ)
Tachycardie par activation sympathique généralisée
Hausse des catécholamines circulantes qui
augmentent l’inotropisme et l’état lusitrope du cœur
Activation sympathique vasculaire
z Musculaire, vasodilatatrice
z Autres territoires, vasoconstriction
Forte augmentation du DC (>25 L/min)
z D’où augmentation du retour veineux et
augmentation de PA, inotropisme (Starling…)
Adaptation physiologique au
passage en orthostatisme
|
|
Baisse brutale PA dans partie sup du corps
et séquestration de sang dans le secteur
veineux capacitif des membres inférieurs
Activation des barorécepteurs,
z
z
|
|
Chute du tonus paraΣ
Activation Σ intense
Tachycardie
Hausse des catécholamines circulantes
z
z
Qui augmentent l’inotropisme et l’état
lusitrope du cœur
Qui entraînent une vasoconstriction artérielle
et veineuse
Conclusion: DC = FC x VES…
Effets des modifications pré-charge,
inotropisme, Postcharge et FC sur les
courbes P/V
http://mpp.missouri.edu/DavisMJ/Models/pvmodel.html
Techniques de mesure
du Débit Cardiaque
La technique idéale…
N’existe pas!
Fiable, reproductible
| Automatique et continue
| Sans étalonnage initial ou répété
| Non opérateur-dépendante
| Non invasive
| Facile à mettre en place et interpréter
| Peu coûteuse
|
Les techniques
|
Thermodilution
z
Méthode de Stewart-Hamilton
Dilution du Lithium
| Analyse de la courbe de PA
| Méthodes Doppler
| Méthode de Fick
| Bioimpédance
|
Thermodilution
Injection du bolus froid
T
Injection
Thermistance
Stewart-Hamilton method
(T b − Ti ) ⋅ V i ⋅ K
CO =
∫ Δ Tb ⋅ dt
t
Le cathéter artériel pulmonaire
Le cathéter artériel pulmonaire
|
CAP standard
z
z
z
|
Injections discontinues de bolus froid
Retenir la moyenne de trois à cinq mesures consécutives
Éliminer valeur manifestement aberrante
CAP à débit cardiaque « continu »
z
z
z
z
z
Cathéters équipés d'un filament thermique
Fournissent la moyenne des mesures de débit cardiaque
des 3 à 6 minutes précédentes, réactualisée toutes les 30
secondes.
Permet de s'affranchir des limitations de la thermodilution
discontinue: fonctionnement cyclique du respirateur,
perfusion de liquides non réchauffés et dérive lente de la
température de base.
Pas utilisable quand la température corporelle > à 40 °C
Moins fiable si haut débit cardiaque (Jaquet ICM 1996)
Le cathéter artériel pulmonaire
|
Limites de la méthode
z
z
Shunts intracardiaques, arythmie
Insuffisance tricuspide
• Sous-estimation si DC élevé et inversement…
z
Remplissage rapide concomitant :
• Erreur de 30 à 80 %
z
Faible volume injectat
• Surestime débit
z
Bas débit cardiaque
• Débit surestimé
Limites de la technique continue
Thermodilution
transpulmonaire
La thermodilution transpulmonaire
< 24°C
La thermodilution transpulmonaire
C V C injection du bolus froid
T
Injection
Stewart-Hamilton method
Cathéter Artériel de TD
(T b − Ti ) ⋅ V i ⋅ K
CO =
∫ Δ Tb ⋅ dt
t
Validation de la technique
TD pulmonaire vs. Transpulmonaire, Sakka, Int Care Med, 1999
PICCO thermodilution: limites
|
Limites de la méthode
Shunts intracardiaques
z Insuffisance tricuspide
z Insuffisance mitrale
z Remplissage rapide concomitant
z Anévrisme de l’aorte abdominale
z Athérome
z
Analyse de la
dilution du Li
LiDCOplus…
Li dilution + PulseCo analysis
Analyse de la
courbe de PA
Le « Pulse Contour »
P [mm Hg]
t [s]
P(t) + C(p) • dP ) dt
PCCO = cal • HR • ⌠
(
dt
⌡ SVR
Systole
Patient-specific Heart
calibration factor rate
(determined with
thermodilution)
Area of
pressure
curve
Compliance Shape of
pressure
curve
Validité de la technique PCCO
|
Plusieurs études ont comparé le débit
cardiaque mesuré par TD et PCCO:
Validité de la technique PCCO
Godje, Crit Care Med, 1999
Validité de la technique PCCO
|
Influence des modifications des RVS
PCCO: Pulse contour
BCO: Bolus froid
CCO: PAC continu
phenylephrine
Rodig, Br J Anesth, 1998
|
« Dérive » en fonction du temps
• Pour avoir Pcentage erreur (2SD/moy) <30%, calibrer <1 h
• De même, si variation RVS > 15%, fiabilité seult si calibration <1h
o Hamzaoui Crit Care Med. 2008 36(2):434-40
PiCCO: Limites
o Inconvénients
o Cathéter artériel spécifique,
o Fémoral le + souvent
o Inapplicable en cas de trouble du rythme
o Nécessite des calibrations régulières par
thermodilution pour Pulse contour car « dérive »
rapide de la valeur calculée
o Au moins toutes les heures
o Hamzaoui Crit Care Med. 2008 36(2):434-40
FloTrac®, Vigileo®
|
|
|
Fonctionne sans aucune calibration
L’onde de pouls est recueillie par un capteur
spécifique
z FloTrac™, Edwards,
z Se connecte sur n’importe quel cathéter artériel
z Relié au moniteur Vigileo™
Analyse continue de l’onde de pouls
z Étude statistique forme du signal de P. Artérielle
• > 100 fois par seconde
z
13 paramètres combinés, algorithme non divulgué
• Courbe de pression, sa forme
• Paramètres biométriques,
• Estimation de la compliance régionale aortique, etc…
FloTrac®, Vigileo®
Overall percentage error of 45.9% compared
with the bolus thermodilution technique
Vigileo
CAP
Acute variations in arterial blood pressure alter the reliability
of the FlowTrac/Vigileo® device with the second generation software
Méthodes Doppler
Mesure du DC
DC = FC . VES = FC . SurfAo . ITV
S = ∏ D2 / 4
ITV
Doppler Œsophagien
|
Débit cardiaque battement par battement
(volume d’éjection systolique)
|
Peu invasif
|
Très simple
|
2 appareils
|
z
CardioQ, Deltex, Estimation Diam Ao
z
HemoSonic, Arrow, Mesure Diam Ao
Approximation:
z
Débit Ao représente 70% du DC total
Principe
DC = SurfAo . ∫ V(t).dt
|
|
|
Réglage gain
identique
Profondeur
identique
Rotation
sonde
différente
Excess gain
Correct gain
Doppler œsophagien: avantages
|
Technique simple et peu invasive
|
Apprentissage rapide
|
Bonne reproductibilité
|
Contrôle visuel de la qualité du signal
|
Mesure du DC battement / battement
Doppler œsophagien: limites
| Opérateur-dépendant
| Sonde non fixée: repositionnement nécessaire
| Approximations pour le calcul :
z Surface aortique estimée ou mesurée (Echo TM)
• Si estimée, on peut sous-estimer l’effet sur le DC d’un RV
z 70% du DC dans l’aorte descendante
| Faisabilité
z AG avec ventilation mécanique indispensable
z Accès à la tête
| Contre-indication en cas de :
z Pathologie œsophagienne
| Inutilisable si:
z Dissection aortique
z Clampage aortique
Méthode de Fick
NICO
(non invasive cardiac output)
Principe de
Fick appliqué
au CO2
| Ré-inhalation
partielle des
gaz expirés
|
NICO
(non invasive cardiac output)
|
NICO™ utilise un système qui se branche
sur le circuit respiratoire du patient et qui
comporte trois éléments principaux :
z
z
z
un capteur de CO2 « plein flux » (absorption
infrarouge)
un débitmètre à usage unique pour la
mesure instantanée du débit inspiratoire et
expiratoire (pneumotachomètre mesurant la
pression différentielle) ;
une valve ouvrant ou fermant par
intermittence l’accès à la boucle de
réinhalation partielle
NICO
(non invasive cardiac output)
Rebreathing
valve OFF
VCO2, PaCO2 &
ETCO2 at
baseline levels.
Rebreathing
valve ON
VCO2 reduced, PaCO2
& ETCO2 elevated.
Mixed venous CO2
unchanged.
Rebreathing
valve OFF
VCO2, PaCO2 & ETCO2
return to baseline
levels.
NICO
(non invasive cardiac output)
Le CO2 diffuse rapidement dans le sang (22 fois plus vite que l’O2), on peut
supposer que le contenu veineux n’est pas différent dans les conditions normales de
ventilation et dans les conditions de réinhalation
Donc CvCO2 disparaît de l’équation
NICO: limites
|
Mesure du DC moyen
|
Mesure discontinue (toutes les 3 min.)
|
Stabilité hémodynamique pour que le
Principe de Fick soit valide
|
Approximations +++ en cas de shunt
|
Nécessite une AG avec curarisation
Bioimpédance
thoracique
Bioimpédance/Bioreactance
thoracique
|
Principe :
z
z
z
|
Avantage :
z
z
|
À chaque battement, le volume sanguin thoracique change
et modifie l’impédance électrique du thorax
ΔV/V = ΔZ/Z, Bioimpédance, modulation amplitude
ΔV/V = ΔX/X, Bioréactance, modulation fréquence
Caractère strictement non-invasif,
Simplicité de mise en oeuvre (huit électrodes à la base du
cou et du thorax)
Inconvénients :
z
z
z
z
Insuffisamment validée???
Insuffisance aortique, anévrisme aortique, shunt
intracardiaque,
Arythmies
OAP, augmentation du volume liquidien thoracique
Bioimpédance thoracique
Conclusion
|
Monitorage du débit cardiaque
z
Indispensable chez les patients les plus « à risque »
z
Permet de guider la réanimation « hémodynamique »
|
Aucune des méthodes utilisées n’est parfaite
|
La plupart sont invasives (CAP+++)
|
Nouvelles techniques en cours d’évaluation
z
|
Bien connaître la technique utilisée dans son unité
z
|
Vigileo, Bioimpédance/réactance
Et ses limites+++
Intérêt des variations de DC ou de VES (SVV)
z
Pour prédiction efficacité épreuve remplissage
z
Plus qu’une valeur à temps t