Induction optimale d`hypothermie thérapeutique par

Induction optimale de l’hypothermie thérapeutique par
ventilation liquidienne totale suite à un arrêt cardiaque
M
*
Nadeau ,
†
Sage ,
*
Vandamme ,
*
Mousseau ,
‡
Kohlhauer ,
M
J
J
M
J-P
E Fortin-Pellerin†, R Tissier‡, H Walti† et P Micheau*
†
Praud ,
* Département de génie mécanique, Université de Sherbrooke, † Département de pharmacologiephysiologie, Université de Sherbrooke, ‡ l'INSERM, EnvA, UPEC, UMRs 955, équipe 3
Contexte1
L’hypothermie thérapeutique modérée (HTM) induite
rapidement par ventilation liquidienne totale
• Température centrale de 33 ± 1°C
• La fenêtre d’intervention est critique, l’HTM doit être induite le plus
tôt possible pour maximiser la protection
• Expérimentalement, il a été démontré qu’une induction ultrarapide
d’HTM en moins de 20 min
était possible par ventilation
liquidienne totale, pour
maximiser l’effet neuro- et
cardioprotecteur chez des
mammifères.
Figure 1– Score
neurologique (A) et taux de
survie (B) chez 36 lapins au
décours d’un arrêt cardiaque
par asphyxie. Control:
Normothermie, CONV:
Refroidissement en 120 min
et TLV: Refroidissement en 20
min par VLT
La ventilation liquidienne totale (VLT)
• Le gaz dans les poumons est substitué par un liquide respirable, un
perfluorocarbone (PFC).
• Un respirateur liquidien assure les échanges gazeux par un
renouvellement cyclique d’un volume courant de liquide oxygéné.
• Le respirateur liquidien permet de contrôler les effets liés à la
dynamique des voies respiratoires et aux risques de barotraumatisme.
• Possédant une capacité thermique volumique 1665 fois plus élevée
que l’air, le poumon rempli de PFC devient un échangeur thermique
performant avec la circulation pulmonaire
Modélisation thermique2
Développement d’un modèle thermique paramétrique d’un
sujet sous VLT, en fonction des paramètres physiologiques.
Commande optimale3
Développement d’un algorithme de commande optimale
sous contraintes basée sur le modèle permettant de calculer
la température optimale de PFC inspirée.
Le critère à minimiser
Tref : Température du patient visée
β : Pénalisation de la variation de température du PFC
Figure 4 – Modèle thermique paramétrique du poumon et du corps en ventilation
liquidienne totale. Compartiments: L = Poumon, A = Sang artériel, V = Sang veineux, br =
cerveau, ca = Coeur, d = Système digestif, k = Reins, f = Gras, m = Muscles, o = Autres
tissus. Entrées: QP = Débit de PFC. Variable contrôlée: TP = Température du PFC inspiré.
Paramètres: VD = Espace Mort, PBV = Volume de sang pulmonaire, EVLW = Eau
extravasculaire pulmonaire, CO = Débit cardiaque
Figure 6 – Spécifications du contrôle de température. M:
Dépassement négatif, th: Temps pour atteindre l’HTM (34°C)
Validations expérimentales2
Projection à l’humain adulte3
• L’erreur de modèle sur 6 ovins nouveau-nés (5 kg) et 6
ovins juvéniles (22 kg) pendant les 10 premières min de VLT
est de -0.1 ± 0.4°C à l’artère et 0.0 ± 0.1°C au retour veineux
• Les échanges gazeux sont maintenus normaux lors de
l’induction d’HTM par VLT
• Projection du modèle et de la commande à l’humain.
• La température artérielle reste au-dessus de 31,5 °C et
l’hypothermie est atteinte ultrarapidement (<5 min pour
les organes vitaux et < 30 min pour le reste du corps)
Figure 2 – Prototype de
respirateur liquidien
Figure 5 – Résultats expérimentaux et
simulés sur un agneau nouveau-né
Objectif
Comment contrôler la température du
perfluorocarbone inspiré de façon
optimale pour induire une HTM par VLT
chez l’humain?
Sécurité d’emploi
• Risque d’arythmie cardiaque si la température
du cœur diminue sous 30°C
Performance visée
• HTM atteint en moins de 10
min au cerveau et 30 min
pour le reste du corps
Remerciements
Figure 3 – Schéma simplifié de l’induction
d’HTM par VLT
Tableau 1 – Paramètres physiologiques et
ventilatoires sur 6 ovins nouveau-nés et 6
ovins juvéniles
Figure 7 – Induction typique d’une
HTM par VLT chez un patient
humain adulte avec des paramètres
physiologiques standards
Figure 8 – Temps d’atteinte de l’HTM
pour a) tout le corps et b) le cerveau
selon la variation du débit cardiaque
(CO) et de l’espace mort (VD) pour un
adulte de 80 kg
Conclusions et travaux futurs
• Un modèle thermique paramétrique, validé sur deux groupes d’ovins différents, permet une projection à l’humain.
• Un algorithme de commande optimale basé sur le modèle permet de calculer la température optimale de PFC
inspirée pour atteindre rapidement l’HTM tout en évitant les dépassements négatifs de température artérielle.
• Les simulations montrent que l’HTM devrait atteinte en moins de 5 min dans le cerveau et moins de 30 min pour le
corps entier chez un adulte humain de 80 kg en utilisant un refroidissement par VLT.
• La prochaine étape consiste à effectuer une étude pilote clinique pour valider les performances et les bénéfices de
l’HTM induite ultrarapidement par VLT chez des patients au décours d’un arrêt cardiaque.
Références
1 - M. Kohlhauer et al., “Liquid Ventilation for the Induction of Ultrafast Hypothermia in Resuscitation Sciences: A Review.” Ther Hypothermia Temp
Manag, 2016.
2 - M. Nadeau et al., “Thermal dynamics in newborn and juvenile models cooled by total liquid ventilation.” IEEE Trans Biomed Eng, 2015.
3 - M. Nadeau et al., Optimal Control of Inspired Perfluorocarbon Temperature for Ultrafast Hypothermia Induction by Total Liquid Ventilation in
Adult Patients, IEEE Trans. Biomed. Eng., Accepté 2016
Polytechnique Montréal