I. Le service de physiologie respiratoire

REMERCIEMENTS
Je remercie tout d'abord Christophe Letellier pour son investissement dans cette
nouvelle formation d'ingénierie pour le biomédical.
Je tiens à remercier le Docteur Catherine Tardif qui a permis la réalisation de ce stage.
Je la remercie pour avoir enrichi mes connaissances, et pour les corrections qu'elle a apportées
à ce rapport de stage.
Je remercie également l'interne Hélène Morisse, les techniciens Béatrice et Alain de
m'avoir aidé à progresser.
Merci enfin à Linda Achour qui a aiguillé mes recherches et qui a eu un rôle primordial
pour la réalisation de ce rapport.
-1-
Abstract
Expiratory flow limitation and
dynamic hyperinflation during exercise
My placement will take place at the hospital of Bois-Guillaume, with Dr C. Tardif in the
unit of respiratory physiology. I will study functional explorations during exercise. This
technique is used to understand symptomatology, disordered lung mechanics and disability in
the field of obstructive lung diseases. Furthermore, I will work with tools for exercise testing
(for instance spirometers, plethysmographs, helium dilution), tools to measure the gaseous
exchanges or to detect airflow limitations.
A spirometer is a device which assesses lung function by measuring the volume of air
inspired and expired by the lungs. The spirometry permits to calculate typical volumes of lung
capacity (vital capacity, ventilation rate). This test is used to determine how the lungs receive,
hold, and utilize air; to monitor a lung disease, the effectiveness of treatment; to determine the
severity of a lung disease. To diagnose a lung disease, other tools are necessary.
A plethysmograph is an instrument used in order to record variations of volume of an
organ. To estimate the lung function, a body plethysmograph is used. It consists of a large box
which is closed. The patient is in this box. The volume of the thorax is determined from
pressure changes in the box. With this device, we can measure the functional residual capacity
(FRC) and the lung-thorax compliance. The lung volume and the pressure in lungs are
measured by spirometry.
Spirometry and plethysmography are two of the basic pulmonary function tests.
Lung and heart diseases can be diagnosed thanks to cardiopulmonary exercise test
(CPET). In fact, this method evaluates both cardiac and pulmonary functions by measuring
gas exchanges (monitoring, in addition, electrocardiography, blood pressure, pulse oximetry).
The patient is exercised on a bicycle or a treadmill. Measurement of expiratory gases during
exercise testing permits to grade the severity of a disease or evaluate the response to
interventions that may affect exercise capacity.
Finally, this placement will enable me to better understand how doctors can assess
respiratory diseases such as asthma or chronic obstructive pulmonary disease (COPD), thanks
to functional explorations. Indeed, the devices we saw are the means to link clinical
symptoms and functional responses, through physical exercise.
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SOMMAIRE
Page
Remerciements ................................................................................................................ 1
Résumé en anglais ........................................................................................................... 2
Introduction ..................................................................................................................... 4
I.
Le service de physiologie respiratoire ..................................................................... 5
II.
L’appareil respiratoire : notions de physiologie et exemples de troubles .................. 6
1)
2)
3)
III.
La respiration ........................................................................................... 6
La broncho-pneumopathie chronique obstructive .................................... 10
Le syndrome d’apnées du sommeil .......................................................... 12
Explorations fonctionnelles dans la prise en charge de la broncho-pneumopathie
chronique obstructive et du syndrome d’apnées du sommeil................................ 14
1)
2)
3)
Les explorations fonctionnelles respiratoires ........................................... 14
L'exploration pendant le sommeil ............................................................ 21
Exploration fonctionnelle à l’exercice ..................................................... 25
IV. Exemples d'EFX dans une situation particulière .................................................... 27
EFX et assistance circulatoire .......................................................................... 27
Conclusion .................................................................................................................... 29
Glossaire ....................................................................................................................... 30
Bibliographie ................................................................................................................. 31
-3-
Introduction
Étudiante en deuxième année de licence "Ingénierie pour le BIOMédical" (IBIOM), mon stage
en milieu hospitalier est dirigé par le Docteur Catherine Tardif. Il se déroule dans l’unité de
physiologie respiratoire, à l’hôpital de Bois-Guillaume (CHRU de Rouen). Cette unité réalise les
explorations fonctionnelles permettant de porter le diagnostic ou d'effectuer une surveillance chez des
malades souffrant de troubles respiratoires. Ces explorations sont faites au repos ou à l'exercice ou
pendant le sommeil. Les maladies concernent tantôt les voies aériennes intra-thoraciques (maladies
obstructives : asthme, broncho-pneumopathie chronique obstructive, emphysème), tantôt les atteintes
du parenchyme pulmonaire ou les atteintes neuro-musculaires (maladies restrictives), tantôt les
troubles respiratoires du sommeil. Ces explorations consistent en la mesure de pressions, volumes et
débits et des analyses de gaz.
C'est dans ce contexte que j'ai pu étudier les différents moyens diagnostiques des limitations
des débits expiratoires, notamment dans la broncho-pneumopathie chronique obstructive. Nous nous
intéressons également aux troubles qui surviennent pendant le sommeil.
La broncho-pneumopathie chronique obstructive, plus communément appelée BPCO, est,
selon la définition scientifique, "une maladie chronique et lentement progressive caractérisée par une
diminution, non complètement réversible, des débits aériens" [1]. La BPCO est donc une maladie des
bronches qui subissent une inflammation. À long terme, leur calibre se rétrécit, ce qui se répercute sur
le fonctionnement de l'appareil respiratoire, et qui a un retentissement global sur l’organisme et sur les
muscles périphériques.
La BPCO atteint particulièrement les adultes de plus de 40 ans (sa fréquence augmentant avec
l'âge). En France, elle concerne 3 à 4 millions de personnes, ce qui représente 6 à 8 % de la population
[2]. Mais il est à noter que seul un tiers des patients atteints est diagnostiqué. La répartition des
patients BPCO est la suivante : 55 % d'hommes et 45 % de femmes. La principale cause de cette
maladie est le tabagisme.
En ce qui concerne les pathologies du sommeil, nous nous intéresserons au syndrome d'apnées
du sommeil (SAS), qui consiste en la survenue d’interruptions des échanges gazeux pendant le
sommeil. Il peut s’agir soit d’apnées (arrêts complets d’au moins dix secondes), soit d’hypopnées
(réductions des échanges gazeux suivies d’une désaturation).
Le syndrome d’apnées du sommeil atteint entre 4 et 6 % de la population, voire 10 % selon les
sources. Il touche surtout la population masculine [3]. De plus, l’obésité est un facteur de risque qu’il
ne faut pas négliger.
Ces maladies, BPCO et syndrome d'apnées du sommeil, se traduisent par des signes cliniques
(essoufflements, somnolence diurne, …) et ont un retentissement dans la vie de tous les jours, ce qui
constitue un handicap.
C'est ainsi que j'établirai, dans un premier temps, une brève description du service, en
présentant les activités principales. Je ferai un rappel sur la physiologie de la respiration et ses
pathologies. Ensuite j'aborderai les outils de diagnostic et de suivi que sont les explorations ;
successivement, nous verrons les explorations fonctionnelles respiratoires (EFR) qui permettent de
déterminer les volumes et les débits respiratoires, les enregistrements polygraphiques pendant le
sommeil (EPS) et enfin les explorations fonctionnelles à l'exercice (EFX) qui permettent de mesurer la
tolérance à l’effort des patients.
-4-
I. Le service de physiologie respiratoire
I.
Le service de physiologie respiratoire
Le service de physiologie, au sein du CHU de Rouen comprend deux unités fonctionnelles :
l’unité de physiologie digestive et urinaire qui se trouve à Charles-Nicolle et l’unité fonctionnelle de
physiologie respiratoire et sportive qui se trouve à l'hôpital de Bois-Guillaume. Le chef de service de
physiologie est le Professeur Anne-Marie LEROI.
Dans l'unité de physiologie respiratoire où a lieu mon stage, la prise en charge des patients a
pour principal objectif le dépistage, le diagnostic et le suivi de toute pathologie qui atteint le
fonctionnement de l’appareil respiratoire.
Pour ce faire, les examens de la fonction respiratoire sont notamment les explorations
fonctionnelles respiratoires (EFR), l’exploration fonctionnelle à l’exercice (EFX) et l’enregistrement
polygraphique du sommeil (EPS).
La structure du service est organisée autour de ces 3 explorations :
2 salles pour les EFR où se trouvent, dans l’une un pléthysmographe et dans l’autre
un spiromètre avec utilisation d’un gaz traceur, l’hélium (le pléthysmographe permet de faire de la
spirométrie, mais tous les patients ne peuvent pas subir cet examen). Les deux appareils permettent en
outre d’étudier le transfert du monoxyde de carbone
une salle pour la gestion des EPS : accueil et prise en charge des patients, analyse et
interprétation des données sur l’ordinateur
une salle pour les EFX où se trouvent notamment les ergomètres (bicyclette et tapis
de course) qui sont reliés à un ordinateur (pour le pilotage des ergomètres et l’acquisition des données)
il y a également des salles de consultation, un secrétariat et des bureaux (pour les
techniciens et les médecins).
Ces examens peuvent en outre faire l’objet d’un bilan pré-opératoire. Le but est alors de
déterminer si la fonction respiratoire est suffisante, par exemple avant une lobectomie (= ablation
d’une partie ou de la totalité d’un lobe de poumon). Il est en effet essentiel d’évaluer si le bénéfice
d’une opération ne sera pas affecté par le handicap encouru.
L’EFX permet également d’établir un programme de réhabilitation à l’exercice, et de suivre les
bénéfices d’un tel entrainement.
Flux de patients dans le service :
− 60 EFR / semaine, soit environ 12 par jour
− 16 EPS / semaine
− 6 à 8 EFX / semaine.
Coût des examens : [4]
− gaz du sang
− spirométrie
− spirométrie + gaz du sang
− pléthysmographie
− TlCO
− EPS
− EFX
− EFX + gaz du sang
36,88 €
37,88 €
114,88 €
76,80 €
34,56 €
119,31 €
94,06 €
114,88 €
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I. Le service de physiologie respiratoire
Support informatique, gestion des données, personnel :
Les rendez-vous sont pris par Annie, la secrétaire. Elle accueille également les patients à leur
arrivée dans le service.
Ensuite les examens (EFR et EFX) sont réalisés. L’acquisition des données se fait sur des postes
informatiques locaux. Celles-ci sont transmises par des serveurs. Les techniciens, Béatrice et Alain,
font une première analyse critique de ces dernières, puis les mettent en forme.
L’interne, Hélène Morisse, et le Docteur C. Tardif, sont responsables de l’interprétation d’ordre
médical et établissent un compte-rendu.
Ces données doivent enfin être archivées.
L’envoi des résultats et du compte-rendu au patient et / ou au médecin traitant est du ressort de
la secrétaire.
Les patients sont donc, dans le service pris en charge par la secrétaire, les techniciens, l’interne
et le Docteur Tardif.
Réalisation des examens
−
Les EFR sont réalisées par les techniciens qui se chargent du matériel – entretien, étalonnage,
maintenance – et de faire effectuer au patient les manœuvres nécessaires.
−
Pour les EFX, outre ce même travail technique, la surveillance médicale est constante.
−
L’EPS se déroule de façon un peu particulière. En effet, cet enregistrement se fait en
ambulatoire : il est réalisé au domicile du patient. Le technicien est un étudiant en médecine. Il
enregistre les données démographiques du patient sur l'ordinateur (nom, prénom, taille, poids,
âge). Il pose ensuite des capteurs sur le patient. Il contrôle la qualité des tracés sur l'écran. Il
transfère les données de l'ordinateur sur la mémoire du boîtier d'enregistrement que le patient
emmènera au domicile. Il explique au patient comment mettre en route l'enregistrement. Le
patient rentre enfin chez lui avec le boîtier et des questionnaires à remplir. Le lendemain
matin, le patient ramène le boitier dans le service. La technicienne transfère alors les données
sur un ordinateur puis fait une première analyse critique. Ensuite les données sont traitées
selon la procédure habituelle, décrite précédemment.
II. L’appareil respiratoire : notions de physiologie et deux
exemples de maladies
1) La respiration
L'appareil respiratoire est formé des voies aériennes supérieures (ou voies respiratoires
supérieures) que sont le nez et les fosses nasales, la bouche, le pharynx (carrefour aérodigestif) et le
larynx (gorge). Les voies aériennes supérieures sont des formations extra-thoraciques (Fig. 1). Leur
principal rôle est d’humidifier et d’épurer l’air.
-6-
II. L'appareil respiratoire
Fig. 1 : Voies aériennes supérieures (coupe sagittale)
Faisant suite à ces conduits, nous situons les voies aériennes inférieures (Fig. 2), intrathoraciques, au sein desquelles nous pouvons distinguer une zone de conduction : la trachée et les
bronches (bronches souches, bronches et bronchioles) ; et une zone respiratoire : les alvéoles
pulmonaires.
Fig. 2 : Voies aériennes inférieures (schéma)
Les bronches et les bronchioles produisent en permanence, mais en quantité normalement
limitée, une substance collante : le mucus. Son rôle est d'enrober les impuretés (particules et germes)
qui ont pu pénétrer dans l'appareil respiratoire avec l'air inspiré. Propulsé par des cils microscopiques
répartis le long de la paroi bronchique, le mucus évacue son chargement vers les voies aériennes
supérieures pour être expectoré ou dégluti. En cas d'irritation des voies aériennes, la toux assure un
complément d'épuration essentiel.
Le but de la respiration est l’échange de gaz : élimination du gaz carbonique et absorption de
l’oxygène. Pour ce faire, l’air entre dans les voies aériennes, c’est la conduction. Ensuite les échanges
gazeux ont lieu au niveau des alvéoles par le phénomène de diffusion. En effet les alvéoles sont
perfusées par des capillaires (Fig. 3). Les gaz diffusent librement à travers la membrane alvéolocapillaire pour être éliminés (CO2) ou absorbés (O2).
-7-
II. L'appareil respiratoire
Fig. 3 : Schéma de la perfusion des alvéoles par les capillaires.
La respiration est divisée en 2 étapes qui se succèdent de manière cyclique. Il s'agit de
l'inspiration et l'expiration, qui sont caractérisées par une variation de la pression intra-pulmonaire
(Fig. 4). En effet, lors de l'inspiration, la pression alvéolaire est négative par rapport à la pression
atmosphérique ; au contraire, pendant l'expiration, cette différence de pression est positive.
Fig. 4 : Schéma explicatif de la mécanique respiratoire. [6]
L'inspiration :
C'est un phénomène actif basé sur la contraction d'un muscle essentiel : le diaphragme. Cela lui
confère un mouvement dirigé vers le bas. La conséquence directe est une augmentation du volume du
thorax dans les trois dimensions. Les poumons s'agrandissent également car ils suivent passivement le
déplacement de la cage thoracique grâce à la plèvre (fine membrane qui entoure le poumon et qui le
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II. L'appareil respiratoire
rend solidaire du thorax). Dans le même temps, on observe une modification de la position des côtes :
elles s'écartent et s'élèvent. Lors d'inspirations profondes et/ou difficiles, ces mouvements sont aidés
par des muscles accessoires.
La cage thoracique étant une enceinte étanche (la seule ouverture est constituée par les voies
aériennes), l'augmentation du volume entraîne systématiquement une différence de pression négative.
Ce phénomène provoque un appel d'air. L'air pénètre alors dans les poumons jusqu'à ce qu'un équilibre
des pressions soit observé (Palvéolaire = Patmosphérique). C'est la fin de l'inspiration.
L'expiration :
Contrairement à l'inspiration, ce deuxième temps du cycle respiratoire est un phénomène passif,
si l’expiration n’est pas forcée.
Il repose sur la restitution de l'énergie élastique accumulée par le parenchyme (= tissu)
pulmonaire et le thorax au cours de l'inspiration précédente. On observe un retour du thorax à sa
position initiale du fait de l'élasticité de l'ensemble thoraco-pulmonaire.
La relaxation du diaphragme a pour conséquence de diminuer le volume de la cage thoracique.
En cas d'expiration forcée, des muscles sont sollicités (abdominaux et inter-costaux).
Puisque le volume des poumons diminue, Palvéolaire devient supérieur à Patmosphérique. L'air est donc
expulsé des poumons jusqu'au retour de l'équilibre de ces deux pressions, ce qui correspond à la fin de
l'expiration.
Les muscles inspiratoires et expiratoires doivent lutter contre des résistances provenant de
l'élasticité du système thoraco-pulmonaire, et de la difficulté de circulation de l'air dans les voies
aériennes. En cas de pathologies, ces résistances sont augmentées.
Il existe deux grands types d'atteintes respiratoires :
• Les pathologies restrictives : elles se définissent comme une diminution des
volumes pulmonaires, réduisant dans le même temps la capacité à effectuer une ventilation normale.
Les volumes restreints sont notamment la capacité vitale (CV) et la capacité pulmonaire totale (CPT).
Exemples de troubles ventilatoires restrictifs : pneumonectomie (ablation d’un poumon), maladies
neuro-musculaires, cypho-scoliose, syndrome obésité-hypoventilation.
• Les syndromes obstructifs : ils sont caractérisés par une augmentation des
résistances au niveau des voies aériennes. La conséquence principale est une diminution du volume
expiré maximal en 1 seconde (VEMS) et donc du rapport de Tiffeneau (=VEMS/CV). Cliniquement,
un trouble ventilatoire obstructif doit être suspecté devant la présence, à l'auscultation, de ronchus et
de sibilants (sifflements qui accompagnent le murmure respiratoire) et une prolongation du temps
expiratoire.
Exemples de maladies obstructives bronchiques : broncho-pneumopathie chronique obstructive
(BPCO), asthme, mucoviscidose.
Je m'intéresse tout particulièrement à la BPCO, pathologie dont j'ai pu suivre la prise en charge
au sein du service.
-9-
II. L'appareil respiratoire
2) La broncho-pneumopathie chronique obstructive
Comme nous l'avons vu précédemment, la BPCO est une pathologie très fréquente. Elle
constitue la cinquième cause de mortalité dans le monde, après l'infarctus, les accidents vasculaires
cérébraux, les infections respiratoires et la tuberculose [7].
La BPCO est une bronchopathie (= maladie des bronches qui s’inflamment) et une
pneumopathie (maladie des poumons). En effet, les bronches longtemps inflammées subissent une
réduction de leur calibre. Cela a une répercussion sur l’anatomie du poumon et sur son
fonctionnement.
La BPCO est caractérisée par une obstruction bronchique anatomique (rétrécissement du calibre
des petites voies aériennes par un épaississement de leur paroi), contrairement à l'asthme où
l'obstruction est fonctionnelle (bronchospasmes) [8]. Cette obstruction est donc, dans la BPCO,
permanente. De plus, elle est peu, voire pas réversible.
C'est une maladie qui s'installe très progressivement, conséquence d'une atteinte des petites
voies aériennes ; son évolution est lente et insidieuse. Elle s'accompagne d'une toux avec
expectorations.
Fig. 5 : Schéma des conséquences pulmonaires de la BPCO à différents stades.
On distingue 3 stades de la maladie (Fig. 6) :
Ce sont les stade 1, 2 et 3 : le signe évocateur est la dyspnée (essoufflements) qui accompagne
d’abord des efforts intenses, puis des efforts de plus en plus modérés, pour finalement devenir
constante même au repos (la déambulation et la toilette deviennent alors pénibles). Cela se traduit à
l’exploration par une diminution progressive du VEMS (volume expiré maximal en 1 seconde). De
plus, il y a présence d'une toux fréquente et d'expectorations.
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II. L'appareil respiratoire
Stade 1
BPCO débutante
Stade 2
BPCO évoluée
Stade 3
BPCO sévère
Fig. 6 : Les différents stades de la BPCO.
À un stade avancé, le calibre des bronches est très diminué. L’air entre dans les alvéoles mais
s’évacue difficilement. Il en résulte une augmentation de la pression Palvéolaire, les alvéoles se distendent
puis se détruisent ; c’est l’emphysème pulmonaire. À un stade ultime, la BPCO évolue parfois en
insuffisance respiratoire chronique.
Plus la BPCO évolue, plus la surface d’échanges gazeux est diminuée entraînant une réduction
du taux d’oxygène absorbé et du taux de gaz carbonique éliminé.
L'obstruction va entraîner une hétérogénéité de la vidange expiratoire des différents territoires et
une augmentation du volume alvéolaire télé-expiratoire dans les territoires où prédomine l'obstruction.
De plus, l'augmentation des résistances à l'écoulement de l'air va avoir pour conséquence une
augmentation du travail ventilatoire. Enfin, l'obstruction va produire des anomalies du rapport
ventilation-perfusion avec un effet shunt dans les zones pulmonaires mal ventilées ayant pour
conséquence d'aggraver l'hypoxémie (diminution de la pression partielle en oxygène dans le sang).
Pour lutter contre ces phénomènes, l'organisme va développer des mécanismes compensateurs dont les
effets peuvent être délétères. Pour limiter l'augmentation du travail ventilatoire, le patient va
spontanément augmenter sa fréquence respiratoire et diminuer son volume courant. L'espace mort
(volume de gaz qui ne participe pas aux échanges gazeux) se trouve donc augmenté et favorise
l'apparition d'une hypoventilation.
Pendant la phase expiratoire, le diamètre des petites voies aériennes s'affaisse, ce qui entraîne,
dans le cas de cette pathologie où les bronches sont déjà rétrécies, une diminution des débits
expiratoires. Il y a alors sollicitation excessive des muscles expiratoires afin d'évacuer les volumes
pulmonaires inhalés. Cela majore la fatigue de ces muscles et peut entraîner une dyspnée
(essoufflements).
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II. L'appareil respiratoire
Le service concerne également les pathologies ou troubles respiratoires qui sont liés au sommeil.
Nous allons donc également nous intéresser au syndrome d'apnées du sommeil.
3) Le syndrome d’apnées du sommeil
Initialement, les médecins ont décrit le syndrome pickwikien. Il correspond à des troubles du
sommeil associés à un tableau clinique précis : obésité, somnolence, insuffisance cardio-respiratoire.
La notion de syndrome d'apnées du sommeil (SAS) est apparue car on a détecté la présence d'apnées
pendant le sommeil chez des malades dont le tableau clinique était différent de celui du syndrome de
Pickwik [9].
Le diagnostic d'apnées du sommeil se fait grâce à la polygraphie ou la polysomnographie. Le
traitement de référence est la ventilation nocturne en pression positive continue par masque nasal
(PPC) ; elle permet de garder les voies aériennes ouvertes.
Grâce à l'enregistrement du sommeil, il est établi que les présentations cliniques du SAS ont un
caractère très diversifié. On note également la sévérité de ses complications : retentissement cardiovasculaire qui peut être majeur, somnolence diurne excessive.
Les patients ayant une réduction du calibre des voies aériennes supérieures sont sujet à des
irrégularités de la ventilation. Ces irrégularités sont à l'origine des troubles respiratoires liés au
sommeil, dont notamment le SAS.
Au sein de ce syndrome, qui se définit comme un nombre excessif d'interruptions des échanges
gazeux, on distingue les hypopnées, les apnées centrales et les apnées obstructives.
Les hypopnées. Elles se caractérisent par une diminution des signaux respiratoires. En effet,
cela est dû à une obstruction partielle des voies aériennes supérieures qui entraîne une diminution de
l’amplitude du débit (Fig. 7).
Fig. 7 : Différence entre une hypopnée (b : réduction du débit d’air)
et une apnée (a : débit nul)
Les apnées centrales. Dans ce cas, il n’y a pas d’obstruction des voies aériennes. En effet, elles
sont décrites comme des épisodes récurrents d’apnées en l’absence d’augmentation des résistances des
- 12 -
II. L'appareil respiratoire
voies aériennes supérieures. Ceci signifie que le flux d’air est interrompu alors qu’il n’y a pas
d’obstruction à l’écoulement de l’air. Ces apnées centrales sont dues à l’absence d’efforts inspiratoires
du sujet et, par principe, d’absence de commande ventilatoire centrale.
A l’enregistrement, on observe qu’il n’y a plus de mouvement du thorax et de l’abdomen ce qui
traduit bien une inhibition de la commande des muscles respiratoires (Fig. 8).
Fig. 8 : Caractéristiques d’une apnée centrale : absence d’efforts inspiratoires (détectés
par des sangles mesurant les mouvements de l’abdomen (trait continu) et du thorax (en
pointillés)) qui se traduit par un débit nul.
Les apnées obstructives. Elles se traduisent par des épisodes récurrents d’obstruction complète
des voies aériennes. En effet, à l’éveil, tous les muscles des voies aériennes ont une tonicité qui permet
de maintenir un calibre correct entre la langue et le pharynx permettant à l’air d’entrer dans les
poumons. Lors du sommeil, cette tonicité diminue et entraîne une réduction du calibre oro-pharyngé,
d’où l’apparition d’obstruction des voies aériennes supérieures accompagnée d’une augmentation
significative de la résistance à l’écoulement de l’air.
Fig. 9 : Mécanismes d’origine des apnées obstructives du sommeil.
En dépit des efforts inspiratoires du sujet, le débit d’air reste nul (l’obstruction est complète) :
c’est une apnée. En conséquence, la ventilation alvéolaire n’est plus adéquate et aboutit à des
désaturations (chute du taux d’oxygène dans le sang) et à des micro-éveils. On peut facilement
comprendre que cette fragmentation du sommeil est responsable d’une hyper somnolence diurne.
A l’enregistrement (Fig. 10), pendant une apnée obstructive on observe fréquemment un
déphasage des mouvements du thorax et de l’abdomen traduisant une lutte contre l’obstruction.
- 13 -
II. L'appareil respiratoire
Fig. 10 : Caractéristiques d’une apnée obstructive : déphasage des mouvements
respiratoires (détectés par des sangles sur l’abdomen (trait continu) et le thorax (en
pointillés)) avec une absence de flux d'air (débit nul).
Le diagnostic du SAS se base principalement sur le nombre d’apnées et d’hypopnées par heure,
noté IAH (Indice d’Apnée-Hypopnée). Si celui-ci est supérieur à 5 le SAS est considéré comme léger,
s’il est supérieur à 30, le SAS est dit sévère. Le nombre d’apnées et d’hypopnées s’avère donc être
primordial pour le diagnostic de la maladie. Il s’établit en pratique par un examen polygraphique voire
polysomnographique nocturne.
III. Explorations fonctionnelles dans la prise en charge de la
BPCO et du SAS
1) Les explorations fonctionnelles respiratoires (EFR)
Il s'agit d'un terme générique qui regroupe les explorations permettant de mesurer les variables
quantifiables de la fonction respiratoire.
Ces techniques permettent d'évaluer les déficiences mécaniques de l'appareil respiratoire dans le
but de diagnostiquer et surveiller le type d'atteinte au cours des maladies respiratoires. En confrontant
les résultats aux données cliniques et radiologiques, ainsi qu'à des valeurs théoriques (obtenues pour
des sujets sains), cela permet d'apprécier la sévérité de la pathologie.
Les EFR englobent la mesure des volumes pulmonaires, des débits ventilatoires ; la mesure des
gaz du sang ; l'étude de la mécanique respiratoire, de la force des muscles respiratoires ; la mesure du
transfert des gaz tels que le monoxyde de carbone (TlCO) et l'étude de la commande ventilatoire.
Les volumes pulmonaires mobilisables sont mesurés par spirométrie. Ces volumes sont la
capacité vitale (CV), le volume courant (VT), la capacité inspiratoire (CI), le volume de réserve
expiratoire (VRE) et le volume expiré maximal en 1 seconde (VEMS). Les volumes non mobilisables
sont évalués grâce à la pléthysmographie ou par dilution d'un gaz traceur. Ces volumes sont : la
capacité résiduelle fonctionnelle (CRF), le volume résiduel (VR) et la capacité pulmonaire totale
(CPT).
Les volumes mesurés sont exprimés en valeur absolue, et en pourcentage de la valeur théorique.
Cette dernière est calculée en fonction du sexe, de l'âge et de la taille du patient. Des équations de
références ont été établies pour des sujets sains. L'unité de physiologie utilise les valeurs de références
- 14 -
III. Explorations fonctionnelles
européennes (Quanjer, P.H et al, Eur Respir J Supl, 1993, 16:5-40). Remarquons que le poids n'influe
pas (ou presque pas) sur les volumes pulmonaires et les débits bronchiques.
Un résultat est valide si trois mesures reproductibles (critères définis par les sociétés savantes)
sont obtenues.
Fig. 14 : Spirographie : permet de décrire les volumes pulmonaires.
Volumes et
capacités
Abréviations
Volume courant
Volume de réserve
expiratoire
VT
VRE
Volume résiduel
VR
Définitions
Volume mobilisé à chaque cycle respiratoire pendant
une respiration normale. (en moyenne, VT = 500 ml).
Volume maximum pouvant être rejeté en plus du
volume courant à l'occasion d'une expiration profonde
(en moyenne, VRE = 1,2 l). Il existe parallèlement la
même chose en inspiration, c'est le volume de réserve
inspiratoire VRI.
Volume se trouvant dans les poumons à la fin
d'expiration forcée.
CV = VT + VRI + VRE
Capacité vitale
CV
Capacité
CI
CI = VT + VRI
inspiratoire
Capacité résiduelle
CRF
CRF = VRE + VR
fonctionnelle
Capacité
CPT
CPT = CV + VR
pulmonaire totale
Tab. 1 : Définitions et abréviations des volumes et capacités pulmonaires [11]
La spirométrie
C'est la plus répandue des EFR. En effet, c'est l'examen principal qui détermine une BPCO et en
précise le stade.
- 15 -
III. Explorations fonctionnelles
La spirométrie est une méthode très ancienne. Son origine remonte à la mesure de la "capacité
vitale des poumons" décrite par John Hutchinson en 1846.
En routine, elle est utilisée essentiellement pour mesurer le VEMS. Cela correspond au plus
grand volume de gaz qui peut être expiré en 1 seconde. Ce temps d'une seconde est choisi
arbitrairement.
Le VEMS permet d'établir le rapport de Tiffeneau (RT) : RT = VEMS
CV
. Ce rapport est très
important car il permet de faire la part entre une atteinte restrictive et une atteinte obstructive. En effet,
une diminution du VEMS conditionne un déficit fonctionnel respiratoire, quel que soit son mécanisme
(obstruction ou restriction).
La spirométrie permet en outre la réalisation d'une courbe débit-volume. Elle est obtenue à l'aide
d'un pneumotachographe, outil permettant de mesurer des débits. Le volume est obtenu par intégration
de la courbe de débit en fonction du temps.
La courbe débit-volume :
Au cours d'une manœuvre d'expiration forcée, le pneumotachographe permet une mesure directe
des débits instantanés qui, exprimés en fonction du volume auquel ils ont été produits, définissent une
courbe débit-volume. L'expiration est en général suivie par une inspiration maximale pour obtenir une
boucle.
Le volume est porté en abscisse (il est croissant vers la gauche) et le débit en ordonnée (les
débits inspiratoires sont négatifs, les débits expiratoires sont positifs) (Fig. 15). Pour être interprétable,
le tracé doit incorporer à la fois au moins une boucle complète à volume courant et une boucle
complète en inspiration et expiration forcées.
La forme de la courbe débit-volume apporte de précieuses informations. En dessous de 50 à 75
% de la capacité vitale, les débits expiratoires maximaux sont en effet largement indépendants de la
coopération des malades. Ils sont alors surtout déterminés par les propriétés des poumons. Dans cette
zone effort-indépendante, chez les sujets sains le débit expiratoire décroît à peu près linéairement avec
le volume pulmonaire. Des conclusions peuvent facilement être établies en regardant la forme des
courbes (Fig. 15).
(a) courbe normale
(b) syndrome restrictif : morphologie
globale normale mais de taille
réduite
- 16 -
III. Explorations fonctionnelles
(c) syndrome obstructif (courbe
concave vers le haut) avec limitation
de débit (perte de débit entre le
volume courant et l’expiration
forcée)
(d) obstruction des voies aériennes
extra-thoraciques
(e) obstruction trachéale
Fig. 15 : Courbes débit-volume.
La courbe permet donc de dépister une obstruction des voies aériennes. De plus, elle permet
l'étude des mécanismes pendant l'expiration grâce à des débits expiratoires. Parmi ces débits, on retient
notamment le débit expiratoire de pointe (DEP), le débit maximal à 25% de la CV (DEM25), le débit
maximal à 50% de la CV (DEM50) et le débit maximal à 75% de la CV (DEM75). Cela permet de
préciser la localisation de l'obstruction des voies aériennes : plutôt centrale lorsqu'elle affecte des
débits à haut volume (DEP et DEM75) ou plutôt périphérique lorsque ce sont les débits à bas volume
qui sont touchés (DEM50 et DEM25).
La pléthysmographie
Cette technique permet comme nous l'avons vu de mesurer les volumes non mobilisables : la
CRF, le VR et la CPT. Elle permet en outre d'évaluer les variations de volumes intra-thoraciques et les
résistances des voies aériennes à l'écoulement gazeux.
Grâce à ces mesures, on chiffre la gravité de la distension compliquant la BPCO [12].
- 17 -
III. Explorations fonctionnelles
Dans le service, la pléthysmographie corporelle est utilisée, avec l'appareil MasterScreen Body
(Jaeger, Hoecher, Allemagne) (Fig. 16) qui est un pléthysmographe permettant de faire dans le même
temps de la spirométrie (c'est de la spiro-pléthysmographie). Le sujet est enfermé dans une cabine
close hermétiquement dans laquelle on peut mesurer des variations de volume. Il respire par la bouche,
en portant un pince-nez, à travers un circuit respiratoire incluant un pneumotachographe (mesure des
débits) et un dispositif de mesure des pressions des voies aériennes (capteurs type piézorésistif).
Fig. 16 : Pléthysmographe MasterScreen Body
Les voies aériennes du malade sont occluses par une valve en milieu d'inspiration d'un volume
courant normal et le sujet effectue des respirations rapides contre la valve. Les variations de pression
dans les voies aériennes et les variations de volume dans la cabine sont enregistrées et permettent le
calcul de la CRF. Ce calcul est basé sur la loi de Boyle-Mariotte qui dit qu'à une température donnée,
P × V = cste (où P est la pression et V le volume). Connaissant ainsi la CRF et ayant mesuré le VRE
et la CI par spirométrie, le calcul du VR et de la CPT est aisé (Fig. 14).
Le principe du pléthysmographe repose donc sur les propriétés de compressibilité et détente des
gaz.
Les limites de la pléthysmographie reposent sur le fait que certains patients ne peuvent pas
entrer dans la cabine : brancard, sujets claustrophobes, … ; les fauteuils roulants peuvent entrer (dans
certains modèles).
Les capteurs
Les capteurs de débit et de pression sont des systèmes complexes permettant de transformer le
signal mécanique recherché (débit ou pression) en un signal électrique, qui peut être traité par un
système informatique.
Le pneumotachographe :
Fig. 17 : Pneumotachographe Jaeger
Un pneumotachographe est un dispositif permettant de mesurer des débits aériens.
Celui du spiromètre et celui du pléthysmographe sont identiques. Ce sont des
pneumotachographes à grille de la marque Jaeger. Le pneumotachographe à grille est caractérisé par sa
- 18 -
III. Explorations fonctionnelles
relation linéaire entre la pression et le débit. Le premier pneumotachographe à grille est le
pneumotachographe de Lilly [Lil50].
Le principe du pneumotachographe à grille repose sur la mesure d'une pression différentielle de
part et d'autre d'une grille très fine (mailles de 40 µm) placée dans le circuit ventilatoire. Cette
différence de pression est obtenue grâce à la grille qui oppose une résistance au flux de l'air.
Le débit Q est ainsi calculé avec la loi de Poiseuille : Q = ( P1 − P 2) × cste . La "constante" est
fixée par le constructeur car elle dépend du rayon du capteur, de la viscosité de l'air et de la distance
entre les deux points où la pression est mesurée.
Les volumes sont ensuite obtenus par intégration du signal de débit en fonction du temps.
Le capteur de pression du pléthysmographe :
C'est un capteur de type piézorésistif.
L'effet piézorésistif se traduit par une variation de résistance d'un semi-conducteur sous l'effet
d'une contrainte (dans notre cas, c'est la variation de pression). Les mesures piézorésistives reposent
sur la déformation que subit une membrane élastique (en silicium) sous l'effet d'une pression. Un pont
de Wheatstone (Fig. 18) constitué de 4 résistances semi-conductrices est intégré à cette membrane.
Sous l'effet de la variation de pression la conductibilité du silicium est modifiée (il y a deux raisons :
déformation géométrique et conductibilité intrinsèque). La variation géométrique de la membrane en
silicium se traduit par une variation de sa résistance. Le pont subit alors un déséquilibre proportionnel
à cette variation. Il génère donc une variation de tension, elle aussi proportionnelle à la variation de
pression. La variation de tension peut être analysée par le système informatique, et ainsi on peut
déduire la variation de pression à l'intérieur du pléthysmographe.
Fig. 18 : Schéma du montage d'un pont de Wheatstone
Etude du transfert alvéolo-capillaire d'un gaz
Il s'agit de mesurer le TlCO. C'est une mesure importante dans le sens où elle reflète la capacité
du poumon à échanger des gaz. En effet, elle fournit des informations sur le transfert, ou la diffusion,
des gaz entre l'alvéole et les capillaires pulmonaires. Sa valeur peut être modifiée par une épaisseur
anormale de la membrane alvéolo-capillaire, une distension des alvéoles, un rapport
ventilation/perfusion mauvais, une quantité d'hémoglobine trop faible.
Principe de la mesure : le patient inspire de l'air mélangé avec deux gaz traceurs : du monoxyde
de carbone (CO) et de l'Hélium (He). Le CO traverse la membrane et se lie à l'hémoglobine, tandis que
l'hélium qui est très peu soluble ne traverse pas les alvéoles (il permet de mesurer le volume
alvéolaire).
Le monoxyde de carbone (CO) est utilisé pour plusieurs raisons : absence dans le sang, grande
affinité pour l'hémoglobine. Le plus souvent, une méthode en apnée est réalisée pour effectuer la
mesure. La manœuvre se déroule en 4 temps (Fig. 19 et 20) :
- respiration normale d'air ambiant puis expiration complète (Fig. 19, 1)
- inspiration complète et rapide du mélange gazeux (dont la concentration en CO et He est
connue) (Fig. 19, 2)
- apnée de 10 secondes (Fig. 19, 3)
- 19 -
III. Explorations fonctionnelles
- expiration rapide (Fig. 19, 4) et analyse des FeCO (fraction expirée en CO) et FeHe (fraction
expirée en Hélium) par spirométrie?? Cela permet de mesurer la concentration en CO dans le gaz
expiré et ainsi de déterminer la diffusion du gaz au sein des poumons.
Fig. 19 : Schéma de la manœuvre de mesure du TlCO. (I = compartiment gazeux réservé
Fig. 20 : Tracé obtenu par spirométrie pendant la mesure du TlCO. (a) respiration
normale à l'air ambiant et expiration complète ; (b) inspiration complète ; (c) apnée ; (d)
expiration profonde.
La gazométrie
C'est ce que l'on appelle également la mesure des gaz du sang. Cette mesure est réalisée par
prélèvement soit artériel (ponction dans l'artère radiale au niveau du poignet), soit capillaire (ponction
au bout du doigt après avoir appliqué localement un vasodilatateur pour artérialiser les capillaires de la
région).
L'analyse fournit des renseignements sur les conséquences de la respiration, à savoir :
- la PaO2 (kPa): pression partielle de l'oxygène dissout dans le sang artériel
- 20 -
III. Explorations fonctionnelles
- la PaCO2 (kPa): correspond à la quantité résiduelle de CO2 dissout dans le sang artériel
après élimination de l'excès de CO2 au niveau pulmonaire.
Ces deux paramètres permettent d'évaluer la qualité des échanges gazeux entre les
capillaires pulmonaires et les alvéoles.
- la SaO2 (%): représente la saturation en oxygène de l'hémoglobine (elle est calculée ou
mesurée)
- le pH : reflète la concentration du sang en ions H+
- le taux de bicarbonate (mmol/l): principal tampon dans l'équilibre du pH. C'est un
paramètre calculé.
On obtient en outre le taux de lactate. Il permet d'évaluer l'oxygénation tissulaire. En effet, le
lactate est produit lors de la glycolyse anaérobie (= en absence d'oxygène). Son taux reflète donc la
respiration cellulaire.
Ainsi, grâce à ces paramètres, la gazométrie constitue un reflet de la fonction pulmonaire et de
l'équilibre acido-basique.
L'efficacité des échanges respiratoires dépend de plusieurs facteurs. Parmi ces facteurs, nous
pouvons citer :
- la ventilation alvéolaire : apport adéquat d'air aux alvéoles
- la diffusion des gaz (O2 et CO2) à travers la membrane alvéolo-capillaire doit être bonne
- la perfusion : fait que les alvéoles reçoivent des capillaires sanguins pour les échanges gazeux.
Une anomalie à chacun de ces trois niveaux peut entraîner des dysfonctionnements de l'appareil
respiratoire traduits par des anomalies des taux d'oxygène et de gaz carbonique dans le sang. Il peut
s'agir d'hypoxémie (diminution de la PaO2) ou d'hypercapnie (augmentation de PaCO2).
2) L’exploration du sommeil
Confronté à une suspicion de troubles respiratoires liés au sommeil, le but d’un enregistrement
pendant le sommeil est de rechercher des anomalies ventilatoires et un trouble de l'hématose, de
préciser leur condition de survenue et, dans la mesure du possible, de comprendre leur mécanisme afin
de pouvoir proposer une thérapeutique adaptée.
On distingue la polygraphie ventilatoire et la polysomnographie. La polygraphie ventilatoire
correspond à l’enregistrement des signaux de la respiration et de l’oxygénation. La polysomnographie
permet d’enregistrer, en plus, des signaux électro-physiologiques tels que l’électro-encéphalogramme,
l’électro-myogramme et l’électro-occulogramme. Dans le service les enregistrements se font en
ambulatoire. On n’utilise donc pas les voies électro-physiologiques.
Dans le commerce, il existe plusieurs systèmes d’acquisition des signaux polysomnographiques.
Le système le plus récent (2008) utilisé dans le service est le CID102L8, de la société française
CIDELEC ; c’est sur ce modèle que j’insisterai. Les évolutions principales consistent en la
miniaturisation de l’appareil et le nombre des signaux enregistrés. Le premier appareil de cette société
ne permettait l'enregistrement que du son trachéal et l’oxymétrie.
L’appareil comprend un boîtier (Fig. 11) qui recueille, par l’intermédiaire de capteurs fixés sur
la peau, des signaux analogiques et les transforme en signaux numériques. Il contient une mémoire
- 21 -
III. Explorations fonctionnelles
interne, qui peut enregistrer jusqu’à 24 heures pour ce modèle, et une batterie NI-MH (nickel-métal
hydrure) prismatique interne de 3,6 volts. Ces batteries ont plusieurs avantages : leur recharge est
facile, pour ce faire il n'y a pas besoin de les ôter du boîtier, elles sont très résistantes. Le boîtier est
ensuite relié à un ordinateur pour le traitement, l’analyse et le stockage des données. Les signaux
enregistrés sont ensuite visualisés grâce à un logiciel spécifique (fourni par la société).
Fig.11 : Repères du branchement des capteurs sur le boitier CID102L8
La respiration est analysée à trois niveaux :
- analyse du flux aérien : pression nasale, sons trachéaux
- efforts respiratoires à l’origine des débits d’air générés
- conséquences de l’activité respiratoire sur les échanges gazeux : analyse de la saturation de
l’hémoglobine en oxygène.
Fig.12 : Installation des capteurs sur un sujet. Tous les signaux sont recueillis par le
même système d’acquisition
- 22 -
III. Explorations fonctionnelles
Analyse des échanges gazeux :
La pression nasale, mesurée par des lunettes nasales (Fig. 12) permet d’enregistrer des
informations sur la présence ou l’absence de flux d’air. Cela permet de confirmer la présence d’une
apnée ou d’une hypopnée.
Le son trachéal :
Le diagnostic du SAS peut être facilité par l’analyse du ronflement. En effet, en cas
d’obstruction des voies aériennes, l’écoulement de l’air devient turbulent, ce qui provoque un son lors
de la respiration. Les sons trachéaux sont enregistrés grâce à un microphone placé à la base du cou, en
position susternale (Fig. 12). La chambre acoustique du microphone doit parfaitement adhérer à la
peau pour éviter une perte partielle des signaux enregistrés. Les ronflements sont généralement définis
par un son d’intensité supérieur à 75 décibels avec une durée de plus de 0,25 secondes.
Analyse des efforts respiratoires du patient :
On utilise la mesure des mouvements thoraco-abdominaux, méthode non-invasive et facile à
mettre en œuvre. La motilité du thorax et de l’abdomen traduit chaque effort inspiratoire du patient en
se basant sur la variation de circonférence de ces deux segments. Elle est mesurée par des sangles qui
ressemblent à deux ceintures, posées, l’une autour du thorax et l’autre autour de l’abdomen (Fig. 12).
Elles sont équipées d’une jauge de contrainte. Leur principe repose sur la modification de la résistance
électrique provoquée par leur élongation lors de l’inspiration. Le signal obtenu de variation de
résistance est transformé en variation de tension. Cette transformation permet d’obtenir des courbes
qui reflètent les modifications de la dimension de la cage thoracique et de l’abdomen à chaque cycle
respiratoire.
L’inconvénient principal provient de la diversité de corpulence des patients. En effet, chez
certains patients, les mouvements thoraco-abdominaux sont à peine visibles. De plus, une sangle mal
serrée ou qui se relâche pendant la nuit peut provoquer une perte de signal. Cette méthode reste
cependant la référence en routine clinique.
Cette mesure dépend essentiellement de la stabilité des capteurs. Cette stabilité peut être affectée
par le comportement du patient : il peut bouger ou tirer sur les capteurs. L’analyse du comportement
est donc primordiale pour l’interprétation des autres signaux polygraphiques.
Analyse de l'hématose :
L'hématose est la transformation du sang veineux (pauvre en oxygène, riche en gaz carbonique)
en sang artérialisé (enrichi en oxygène) au niveau des poumons.
L’oxymétrie transcutanée permet de quantifier la saturation en oxygène du sang artériel. Elle est
mesurée grâce à un oxymètre de pouls (dispositif non-invasif) formé par une pince digitale positionnée
au bout du doigt (Fig. 12). Le principe de l’oxymètre repose sur le spectre d’absorption de
l’oxyhémoglobine (hémoglobine liée à l’O2) qui est différent de celui de l’hémoglobine. L’oxymètre
émet un faisceau lumineux (émet dans le rouge et l’infrarouge). Ce faisceau traverse le doigt et gagne
l’autre côté du capteur (Fig. 13). L’absorption spécifique de l’hémoglobine et de l’oxyhémoglobine
permet de déterminer le pourcentage d’hémoglobine libre et d’hémoglobine liée à l’O2. On peut par
conséquent estimer la saturation du sang en oxygène : SaO2.
L’oxymètre permet en outre d’enregistrer la fréquence du pouls en battements par minute.
- 23 -
III. Explorations fonctionnelles
Fig. 13 : Schéma d’un oxymètre de pouls.
Autres variables (analyse de la position et des mouvements) :
Au cours d’une nuit, les changements de position ou les mouvements du patient peuvent aider à
décider si un signal est artéfacté ou non. De plus, certains évènements respiratoires tels que les apnées
sont plus fréquents en position dorsale.
La position du patient est enregistrée par un capteur de position et indique la position du patient
selon qu’il est couché sur le dos, sur le ventre, sur le côté gauche ou droit. Elle est mesurée grâce à un
capteur de position placé sur le thorax ou l'abdomen (Fig. 12). Les changements de position du patient
peuvent expliquer les artéfacts apparaissant sur les courbes d’efforts inspiratoires. Puisqu’un
changement de position peut induire un micro-éveil, enregistrer la position du patient permet
également de différencier un micro-éveil d’origine comportemental d’un micro-éveil d’origine
respiratoire dû à des apnées par exemple.
Le capteur de position est très simple. Il s’agit d’une demi-sphère contenant une bille. Lorsque
le patient se tourne sur un côté, la bille touche la paroi du capteur et un signal de changement de
position est envoyé au boitier.
Les mouvements du patient sont enregistrés grâce à un actimètre (Fig. 12). Ce capteur, de la
taille d’une montre, se place sur le poignet et détecte les mouvements grâce à une cellule
piézoélectrique sensible à l’accélération. Il stocke ensuite les informations sur la mémoire du boîtier
d'enregistrement. Ces mouvements peuvent traduire des éveils.
Cette technique d'enregistrement est peu contraignante et est le fruit d'évolutions technologiques
récentes. Elles ont permis d'apporter des informations suffisamment précises et de bonne qualité. En
effet, auparavant, le clinicien devait choisir entre des informations précises, au détriment du sommeil
du patient (l’enregistrement n’est alors plus représentatif des habitudes du patient) ; ou un sommeil le
moins perturbé possible, mais des informations trop limitées.
La technologie de l'EPS vue par le patient :
J'ai proposé un questionnaire pour les patients venant pour un enregistrement du sommeil.
Treize patients ont répondu : 62% de femmes, 38% d'hommes. Les résultats sont les suivants :
Dans la plupart des cas, les patients ne sont pas eux-mêmes demandeurs de cet examen. En effet,
seuls 38% le sont (par l'intermédiaire de leur médecin traitant). Cependant, 100% des patients
comprennent sa prescription (bilan pré-opératoire, fatigue diurne, ronflements excessifs).
- 24 -
III. Explorations fonctionnelles
L'utilisation de l'appareil a été simple pour tous les patients. La plupart du temps, les
explications du corps médical à la remise du dispositif sont qualifiées d'excellentes (à 77%). Sinon
elles sont suffisantes (pour 15% des patients) ou de bonne qualité (7%).
L'appareil a perturbé le sommeil de 85% des patients. Ils se plaignent notamment de
l'encombrement de l'appareil (la liaison capteurs-boîtier gêne les mouvements) et des lunettes nasales.
En général, les patients (70%) se sont réveillés plus de fois lors de l'enregistrement que lors d'une nuit
normale.
3) Exploration fonctionnelle à l’exercice
Protocole :
L'examen commence toujours par un interrogatoire médical, réalisé par le Docteur Tardif ou
l'interne. Il a notamment pour but de saisir le contexte médical dans lequel l'exercice va se dérouler. Il
s'agit donc de rappeler les points importants du dossier médical (que les médecins peuvent consulter si
besoin), les médicaments pris quotidiennement et d'évaluer le handicap de la dyspnée dans la vie de
tous les jours. C'est à ce moment que l'examen est expliqué au patient, qui doit comprendre son intérêt
afin d'être fait de manière optimale. Le médecin s'assure en outre que le patient n'est pas à jeun.
Ensuite le patient peut s'installer sur la bicyclette. Il est torse nu afin de pouvoir recevoir les
électrodes pour la réalisation d'un électrocardiogramme (ECG). On prend sa tension et un examen
clinique cardiaque et respiratoire est effectué par le médecin (pour éliminer une contre-indication à
l'effort et apprécier les conditions de base). Le patient doit porter un oxymètre de pouls afin de
contrôler pendant toute la durée de l'exercice la saturation de son hémoglobine.
Dans le cas d'exercice à charge croissante, le technicien et le médecin font une estimation de la
puissance maximale qu'il sera possible d'atteindre et programment des incréments de charge (paliers
de puissance, mesurée en watts). L'épreuve peut alors commencer. Le patient pédale à une vitesse
constante mais un frein progressif est appliqué, rendant l'effort de plus en plus important. Le but du
patient est de fournir un effort maximal et aller jusqu'au bout de ses possibilités. Une fois ce point
atteint, une phase de récupération est effectuée. A la fin de l'exercice, le patient doit donner un score, à
l'aide de l'échelle de Borg (Fig. 21), pour évaluer sa dyspnée et la fatigue de ses jambes.
Douleur :
0
0,5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pas du tout
juste perceptible
très très peu
peu
moyen
peu sévère
sévère
très sévère
très très sévère
douleur la plus intense que l'on peut imaginer
Fig. 21 : Échelle de Borg
- 25 -
III. Explorations fonctionnelles
Paramètres contrôlés pendant l'effort :
Il s'agit notamment de l'oxymétrie et de l'ECG.
L'oxymétrie permet de surveiller l'hématose grâce à un oxymètre de pouls. Son fonctionnement
a été décrit précédemment.
L'ECG quant à lui permet de surveiller l'activité électrique du cœur. L'enregistrement commence
avant que le patient démarre l'exercice dans le but de voir l'activité de repos. L'ECG est réalisée de
manière non-invasive ; il consiste à coller des électrodes sur la peau : 4 dans le dos à la racine de
chaque membre, 4 sous la poitrine du côté gauche, et 2 en haut du sternum. En général,
l'électrocardiographe utilisé en épreuve d'effort est muni de fonctionnalités particulières qui permettent
l'amélioration du signal électrique. En effet, l'ECG d'un sujet en exercice contient de nombreux
artéfacts dûs à la mobilisation du patient, à la grande amplitude respiratoire et à des problèmes
d'adhérence des électrodes (sueur). Il s'agit notamment d'algorithmes permettant le redressement de la
ligne isoélectrique (évite l'aspect en vague), de moyennage sur quelques cycles successifs afin de
diminuer le bruit.
D'autres paramètres sont mesurés pour permettre l'interprétation de l'examen et pouvoir ainsi
poser un diagnostic par exemple. Pour cela, on utilise notamment la spirométrie. Elle est faite d'abord
au repos (évalue l'obstruction du sujet et permet le calcul de la ventilation maximale théorique) puis
pendant l'exercice.
Grandeurs mesurées
Il est pour cela nécessaire d'avoir des capteurs de débit et des analyseurs de gaz. On peut alors
obtenir le volume courant (VT), la fréquence respiratoire (fr), la fraction inspirée d'oxygène (FiO2), la
fraction inspirée de gaz carbonique (FiCO2), la fraction expirée d'oxygène (FeO2) et la fraction expirée
de gaz carbonique (FeCO2).
Grandeurs calculées
Avec la mesure des grandeurs précédentes, le système informatique calcule d'autres paramètres.
VT et fr permettent le calcul de la ventilation minute (V'E). Connaissant Ve et les fractions inspirées et
expirées en O2 et CO2, on peut calculer la consommation d'oxygène (V'O2), la production de gaz
carbonique (V'CO2), le quotient respiratoire (QR), les équivalents respiratoires.
Interprétation des paramètres :
La V'O2 max : mesure la quantité d'oxygène qu'un sujet peut consommer en 1 minute. En
pratique, on mesure sa valeur limitée par les symptômes (V'O2 pic). Pour un sujet en bonne santé, V'O2
pic est très proche de V'O2 max. La valeur obtenue est comparée à la valeur prédite, qui est fonction de
l'âge, du sexe et du poids du patient.
Le seuil ventilatoire : niveau d'effort au delà duquel les besoins corporels en énergie ne sont plus
satisfaits complètement par la respiration. La conséquence est une accumulation d'acide lactique qui
augmente la production de CO2. Cela se traduit par un accroissement de la ventilation minute, et donc
augmente la quantité d'O2. Sa mesure est indirecte : le seuil ventilatoire est représenté par la cassure de
la courbe V'O2 / V'CO2 (due à l'augmentation de V'CO2).
La réserve ventilatoire : représente la réserve de ventilation en fin d'effort maximal, par rapport
à une valeur théorique. Cet indice est réduit pour les troubles obstructifs et restrictifs.
La SaO2 : une baisse de 4% par rapport à la valeur de repos est considérée comme pathologique.
L'équivalent respiratoire pour le CO2 (ERCO2) : exprime le nombre de litres d'air nécessaires à
l'élimination d'un litre de CO2.
ERCO2 = V'E/V'CO2
Cet équivalent respiratoire est augmenté si l'espace mort est augmenté.
Le rapport VD/VT = espace mort / volume courant. Il vaut 1/3 au repos et 1/5 à l'exercice, voire
moins (cette diminution est dûe à l'augmentation du volume courant). Si ce rapport ne diminue pas à
- 26 -
III. Explorations fonctionnelles
l'effort, cela traduit un trouble du rapport ventilation/perfusion. C'est le cas lors de troubles
ventilatoires, obstructifs ou restrictifs.
La mesure de la dyspnée : très subjective (mais nécessaire), elle est évaluée grâce à l'échelle de
Borg.
La réserve cardiaque : potentiel d'accroissement pendant l'effort.
Caractéristiques de l'EFX d'un patient ayant une BPCO [16] :
- VO2 pic basse
- réserve ventilatoire épuisée
- VD/VT élevé
- seuil ventilatoire bas
- bonne réserve cardiaque.
IV. Exemples d'EFX dans une situation particulière
EFX et assistance circulatoire
Contexte : visite d'un patient possédant une assistance circulatoire mécanique pour une EFX. Ce
patient est en attente d'une transplantation cardiaque.
Après un infarctus sévère au mois de Septembre 2008, le patient a développé une insuffisance
cardiaque. Il a donc dû être appareillé.
Équipement d'assistance circulatoire mécanique : HeartMate II. C’est un équipement d’assistance
ventriculaire gauche. Il permet de pallier à l'insuffisance cardiaque, conséquence de l’infarctus. Un
cathéter introduit à la pointe du cœur (ventricule gauche) est relié à un boîtier placé dans la cavité
abdominale qui joue le rôle de pompe grâce à une turbine et expédie le sang par un cathéter abouché à
l’aorte. La turbine est gérée par un programmateur et alimentée par une batterie externes. La
connexion se fait par deux câbles traversant la paroi abdominale. L'autonomie de la batterie est
d’environ 4 heures, mais elle peut être diminuée en cas d’effort physique.
But de sa visite : mesure de la tolérance à l’effort, dans l’objectif de la transplantation. En effet,
certains paramètres peuvent modifier le classement sur la liste d’attente de greffes. Le V'O2
notamment (= débit d’oxygène = consommation d’oxygène par minute) :
− si V'O2 < 14 ml/min/kg : inscription du patient sur liste d’attente, si ce n’est pas encore fait
− si V'O2 < 10 ml/min/kg : le patient remonte en tête de liste car c’est le signe que la
transplantation est une urgence vitale.
En effet, une VO2 basse ne permet pas une activité musculaire normale. Cela peut-être dû à un bas
débit cardiaque, ce qui est le cas de ce patient, qui entraîne une mauvaise perfusion périphérique
(capillaires musculaires, …).
J'ai donc trouvé intéressant de comparer les performances à l'exercice des patients appareillés
et des patients transplantés.
En effet la transplantation est un traitement ultime dont peu de patients peuvent bénéficier, en
raison d'un nombre de donneurs faible. On peut donc se demander si l'assistance circulatoire
mécanique de longue durée peut constituer une alternative à la transplantation.
- 27 -
IV. Exemple d'EFX dans une situation particulière
Le but de l'appareillage est le maintien d'une performance à l'exercice en adéquation avec les
activités de la vie de tous les jours, une vie qui reste cependant très sédentaire.
Afin d'établir cette comparaison, je me suis appuyée sur les résultats de l'étude "Exercise
performance in patients with end-stage heart failure after implantation of a left ventricular assist
device and after heart transplantation" (performances à l'exercice chez des patients au stade terminal
de l'insuffisance cardiaque après implantation d'un dispositif d'assistance ventriculaire gauche et après
transplantation cardiaque). Cette étude a été publiée dans le Journal of the American College of
Cardiology [18].
L'étude montre que les capacités d'exercice des patients appareillés et des patients transplantés
sont comparables. Dans les deux cas, un programme intensif de réhabilitation à l'exercice permet, à
terme, d'améliorer significativement les capacités physiques, de manière à ce qu'elles soient
compatibles avec les activités de la vie quotidienne. De plus, l'appareillage permettrait d'obtenir des
résultats de qualité plus précocément que la transplantation. Ainsi, d'un point de vue récupération
physique, l'appareillage semble constituer une bonne alternative à la transplantation.
Cette étude comparative comporte cependant des limites qu'il est nécessaire de préciser : le
taux de mortalité et de morbidité n'est pas négligeable ; le nombre de patients pour former la
population d'une telle étude est assez limité ; les patients appareillés participant à l'étude sont plus
jeunes que les patients qui ont été transplantés.
Cette étude apporte en outre quelques renseignements sur l'utilité d'appareiller les patients
avant une transplantation. La conclusion est qu'il n'y a pas de différence significative, 1 an après
transplantation, entre les capacités des patients ayant été appareillés et ceux qui n'ont pas eu
d'appareillage. En revanche, il est précisé que la présence antérieure d'appareillage complique la
procédure de transplantation.
Il faut bien sûr ajouter que le patient serait extrêmement dépendant d'un technologie
sophistiquée de part l'autonomie des batteries et que le risque de coagulation est très important
menaçant le pronostic vital et nécessitant un traitement anti-coagulant très lourd.
Appareillage d'assistance circulatoire et réhabilitation à l'exercice :
Durant les 2 semaines suivant l'implantation de l'appareil, le but de l'entraînement est
d'habituer le patient à l'exercice. L'entraînement peut s'effectuer sur différents ergomètres tels que la
bicyclette, le tapis de marche ou le rameur. Il est nécessaire d'ajuster régulièrement la durée et
l'intensité de l'entraînement. La durée est par exemple augmentée graduellement de 20 à 40 minutes
d'exercice, 3 fois par semaine ; on peut noter qu'une dyspnée n'est observée qu'exceptionnellement.
Procédure de l’EFX : la procédure habituelle (décrite précédemment) a été respectée mais il a fallu
prendre des précautions supplémentaires. En effet, la durée de cet examen est estimée à 1 heure : il a
donc fallu que le patient procède à un échange de batteries. Ce système a imposé de faire l'épreuve sur
bicyclette ; habituellement le protocole utilisé pour les patients insuffisants cardiaques se fait sur tapis
roulant. De plus, une fois le patient installé sur la bicyclette, un problème s’est posé vis-à-vis de
l’encombrement de son HeartMate. On a donc dû mettre un dispositif en place pour garder le
programmateur et les batteries à proximité du patient.
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Conclusion
Au cours de ce stage, j'ai suivi les activités d'un service médico-technique qui effectue des
mesures chez l'homme concernant la fonction respiratoire.
Les patients, de tout âge, arrivent dans le service dans des conditions de santé très diverses ;
certains sont des consultants ambulatoires tout à fait autonomes, et à l'extrême d'autres sont des
patients hospitalisés qui peuvent venir en fauteuil roulant d'un secteur de soins intensifs.
Toutes les mesures chez ces sujets sont des mesures physiques, qui presque toutes nécessitent la
coopération du patient (ils doivent réaliser des manœuvres particulières), du matériel sophistiqué, et du
personnel ayant des compétences spécialisées. Des procédures d'hygiène sont également requises. Les
capteurs sont multiples, ils nécessitent entretiens et étalonnages quotidiens ou pluri-quotidiens. Ce sont
des capteurs de pression piézorésistifs, des pneumotachographes, des oxymètres, des sangles thoracoabdominales, des actimètres, des analyseurs de gaz, un pléthysmographe, … Il faut également des
logiciels spécialisés afin de pouvoir calculer des paramètres à partir des mesures réalisées. Ils ont, en
outre, pour fonction le traçage de courbes (en temps réel) pour aider les médecins et techniciens à
valider ou non les mesures. Cette validité des mesures dépend souvent de la coopération des malades.
Ces mesures sont indispensables ; dans le cas des deux maladies prises en exemples bronchopneumopathie chronique obstructive et syndrome d'apnées du sommeil, elles font partie de la
définition de la maladie (mesure du VEMS et du rapport VEMS/CV pour la BPCO et IAH pour le
SAS) et permettent ainsi la prise en charge thérapeutique.
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Glossaire
BPCO : broncho-pneumopathie chronique obstructive
CI : capacité inspiratoire
CPT : capacité pulmonaire totale
CRF : capacité résiduelle fonctionnelle
CV : capacité vitale
Dyspnée : essoufflement
EFR : exploration fonctionnelle respiratoire
EFX : exploration fonctionnelle à l’exercice
EPS : enregistrement polygraphique du sommeil
Espace mort : volume de gaz inspiré qui ne participe pas aux échanges
- espace mort anatomique : gaz qui se trouve dans les voies aériennes de conduction (voies
aériennes supérieures et trachée)
- espace mort alvéolaire : gaz qui se trouve dans une alvéole qui n'est pas perfusée (ne reçoit
pas de capillaire sanguin)
GDS : gaz du sang = gazométrie
Rapport de Tiffeneau : RT = VEMS / CV
SaO2 : saturation du sang artériel en oxygène
SAS : syndrome d’apnées du sommeil
VEMS : volume expiré maximal en 1 seconde
VR : volume résiduel
VRE volume de réserve expiratoire
VRI : volume de réserve inspiratoire
VT : volume courant
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