Thérapie à haut débit et humidification : Synthèse des mécanismes d’action, de technologie et de recherche Docteur Thomas Miller, Directeur, Recherche clinique et enseignement Vapotherm, Inc. Professeur adjoint en pédiatrie École de médecine Jefferson 2 Thérapie à haut débit et humidification : Synthèse des mécanismes d’action, de technologie et de recherche Introduction V apotherm, Inc. est le leader du secteur des systèmes d’humidification à haut débit et à commande thermique utilisés dans la thérapie respiratoire. Ces appareils médicaux sont actuellement utilisés pour insuffler de l’humidité chaude dans les gaz respiratoires aux nourrissons, enfants et adultes dans le cadre hospitalier, dans des centres de soins intensifs et à domicile. Les appareils Vapotherm sont approuvés pour la délivrance de gaz respiratoires à l’aide d’une canule nasale à un débit pouvant atteindre 8 l /m pour les nourrissons et 40 l/m pour les adultes, offrant ainsi une solution de thérapie à haut débit (HFT). Qu’est ce que la thérapie à haut débit (HFT) ? Canules nasales Vapotherm L’HFT est définie par des débits supérieurs aux débits inspiratoires du patient à divers volumes minute. Traditionnellement, la thérapie à haut débit est utilisée avec des masques faciaux dans lesquels les hauts débits remplissent le volume du masque afin de simplifier les fractions importantes d’oxygène inspiré. Bien qu’elle prenne efficacement en charge l’oxygénation, la thérapie au masque peut être limitée par des facteurs comme l’incapacité à manger/boire et à communiquer mais également par une sensation de claustrophobie qui peut gêner le patient. La canule nasale standard représente le premier pas vers un meilleur confort pour le patient. Les canules délivrent plus d’oxygène, sont confortables sur le long terme et permettent aux patients de manger et de parler sans interrompre le traitement. Les débits supérieurs (plus de 2 l/m en néonatalogie ou de 6 l/m pour les adultes) nécessaires pour répondre à des besoins inspiratoires sans entrée d’air ambiant ne sont pas possibles dans la thérapie avec une canule nasale conventionnelle. Cette limite de la thérapie avec une canule conventionnelle est la conséquence de la gêne et de l’irritation dues à la délivrance de gaz froid et sec dans les voies nasales1,2. La technologie de Vapotherm a transformé la thérapie avec canule conventionnelle via un meilleur conditionnement du gaz respiratoire. La technologie de chauffage et Nez et cavités nasales Sinus frontal d’humidification propriétaire permet de délivrer les gaz respiratoires à des hauts débits tout en maintenant la température du corps et une humidité relative pouvant atteindre 99,9 %3. Physiologie respiratoire et ventilation alvéolaire Pour mieux comprendre les mécanismes sousjacents de l’HFT, il est utile de revoir certains principes fondamentaux de la physiologie respiratoire. Dans des conditions respiratoires normales, environ 30 % du volume courant inspiré représente l’espace mort anatomique. Au début d’une inspiration, cet espace mort est rempli par le gaz expiré restant de l’expiration précédente. Bien que cet espace mort anatomique est essentiel pour 1) le réchauffement et l’humidification du gaz inspiré, et 2) la délivrance du gaz vers le thorax et sa dispersion vers le volume pulmonaire, la part de l’espace mort (gaz expiré restant) dans une nouvelle respiration n’affecte pas la capacité respiratoire. Cornet Sinus sphénoïdal Cornet moyen Narine interne Cornet inférieur La structure de la cavité nasale est conçue pour optimiser la surface de conditionnement du gaz inspiré Narine externe Partie nasale du pharynx 3 Chez une personne en bonne santé, les concentrations d’oxygène alvéolaire sont inférieures à l’air ambiant et les concentrations de dioxyde de carbone alvéolaire sont supérieures à l’air ambiant. Cette différence entre le gaz ambiant et alvéolaire dépend de la ventilation alvéolaire et de la teneur en gaz dans le sang. La ventilation alvéolaire est différente de la ventilation minute plus connue en fonction de l’espace mort. Ventilation minute = volume courant x débit respiratoire Ventilation alvéolaire = (volume courant – espace mort) x débit respiratoire En fonction de la relation entre les facteurs de la ventilation, une réduction du volume de l’espace mort entraîne une ventilation minute inférieure nécessaire pour obtenir une ventilation alvéolaire appropriée. Le volume de l’espace mort affecte ainsi directement le volume courant et/ou le débit respiratoire, et donc l’effort respiratoire, même chez des personnes en bonne santé. À cet égard, l’HFT peut à l’aide d’une canule renforcer la capacité respiratoire en purgeant l’espace mort anatomique rhino-pharyngien et en aidant le travail respiratoire. Un conditionnement idéal du gaz doit cependant et tout d’abord être obtenu. Importance du réchauffement et de l’humidification du gaz Le tissu muqueux de l’espace rhino-pharyngien est conçu pour réchauffer et humidifier le gaz respiratoire avant qu’il ne pénètre les voies respiratoires inférieures4. Ceci se fait de manière anatomique en obtenant une surface d’interaction importante avec le gaz inspiré. Ainsi, l’exposition des tissus rhino-pharyngiens à un débit de gaz supérieur à une ventilation minute normale, inférieur à la température du corps et au point de saturation de la vapeur d’eau (inférieur à une humidité relative de 100 %) peut entraîner une surcharge de ces tissus. Une telle surcharge des tissus rhino-pharyngiens entraîne un dysfonctionnement, un assèchement et un endommagement significatifs de la muqueuse nasale5 – 8, qui peut éventuellement être à l’origine d’une sepsie staphylococcique9. Même à faible débit, la thérapie avec canule nasale conventionnelle n’est pas confortable et est à l’origine de nombreuses plaintes des patients, notamment quant à l’assèchement du nez et de la bouche10. Système respiratoire Voies respiratoires supérieures Partie nasale du pharynx Pharynx Larynx Voies respiratoires inférieures Trachée Bronche souche Bronche intralobulaire Poumons L’HFT peut, à l’aide d’une canule, renforcer la capacité respiratoire en purgeant l’espace mort anatomique rhinopharyngien et en aidant le travail respiratoire. Un conditionnement idéal du gaz doit cependant et tout d’abord être obtenu. 4 Thérapie à haut débit et humidification : Synthèse des mécanismes d’action, de technologie et de recherche Le gaz respiratoire doit idéalement être chauffé à la température du corps (37 ºC) et humidifié à une humidité relative de 100 %11,12. L’humidification à la vapeur par rapport à de l’eau en aérosol entraînera également moins de problèmes des voies respiratoires et pulmonaires dus à une perte de chaleur latente et au dépôt de gouttelettes d’eau12. La technologie membranaire de Vapotherm facilite le passage d’eau dans le gaz respiratoire en phase vapeur et, comme illustré dans un essai de Waugh et Granger, délivre des gaz respiratoires à la température du corps et à une humidité relative de 99,9 % sur toute la plage de débit indiquée jusqu’à 40 l/m3. anatomique ou physiologique, cette thérapie contribue à définir des fractions supérieures de gaz alvéolaires par rapport au dioxyde de carbone et à l’oxygène 14. Ainsi, alors qu’une thérapie avec canule nasale à faible débit n’a pour unique but que de simplifier l’oxygénation, l’HFT affecte également l’élimination du CO2. Technologie sous-jacente à un conditionnement optimal du gaz Vue de coupe de la cartouche de transfert de vapeur Vapotherm, Inc. Eau chaude Gaz respiratoire Eau chaude Gaz respiratoire Débit Retour coupe transversale du tube Vue de coupe du tube d’alimentation chauffé à trois lumens Vapotherm, Inc. Les appareils Vapotherm intègrent un système de cartouche de transfert de vapeur breveté qui permet la diffusion des vapeurs d’eau dans le gaz respiratoire tout en chauffant les gaz à la température spécifiée (généralement 37 °C). Ce système est fondamentalement différent des systèmes d’humidificateurs à plaques chauffés conventionnels. Les appareils Vapotherm utilisent également un tube d’alimentation gainé à trois lumens et des canules nasales propriétaires optimisés pour maintenir la température et pour réduire la condensation (piégeage). Ces deux dernières caractéristiques protègent l’état des gaz respiratoires afin que le gaz parvienne au patient aux mêmes température et état d’humidification que dans la cartouche à membrane. Dans un essai croisé aléatoire, Woodhead et ses collègues ont évalué l’impact de Vapotherm par rapport à l’HFT conventionnelle sur la muqueuse nasale de prématurés après détubage13. Trente nourrissons ont reçu Vapotherm ou l’HFT conventionnelle pendant 24 heures et sont ensuite passés à l’autre méthode (conventionnelle ou Vapotherm) pendant une autre période de 24 heures. À l’aide d’un système de résultats anonymes pour évaluer les irritations nasales, les œdèmes, l’épaisseur de la muqueuse et les hémorragies de 2 à 10, les nourrissons sous Vapotherm ont révélé une tolérance supérieure par rapport à une humidification traditionnelle (2,7 ± 1,2 versus 7,8 ± 1,7 ; p < 0,001). Impact de l’HFT sur la respiration La technologie Vapotherm permettant de délivrer les gaz respiratoires au patient à la température et à la saturation du corps, le haut débit n’est pas disponible via une canule nasale. À cet égard, l’HFT est fiable en raison de nombreux mécanismes physiologiques de base qui renforcent l’efficacité respiratoire, quelle que soit la maladie. Ventilation du CO2 En proposant des débits supérieurs aux demandes du patient, l’HFT entraîne un lavage de l’espace mort rhinopharyngien. Comme toute réduction de l’espace mort La purge de l’espace mort de la cavité rhino-pharyngienne permet d’optimiser la ventilation alvéolaire. Oxygénation efficace Les principes de l’HFT avec une canule nasale sont les mêmes que l’HFT avec un masque facial en ce qui concerne les fractions élevées d’oxygène inspiré en éliminant l’entrée d’air ambiant lors de l’inspiration. L’HFT avec une canule nasale réduisant l’espace mort anatomique en utilisant la partie nasale du pharynx comme réservoir de gaz, elle permet d’améliorer les fractions d’oxygène alvéolaire par rapport à la thérapie avec masque en fonction de l’équation de la ventilation alvéolaire. Les patients peuvent généralement maintenir une meilleure oxygénation ou nécessiter moins de FiO2 par rapport aux thérapies avec masque ou canule conventionnelles. Effort respiratoire La nature flexible de la muqueuse nasale qui facilite l’état du gaz physiologique entraîne également une résistance significative sur les efforts inspiratoires par rapport aux efforts expiratoires15. L’HFT offrant un débit suffisant pour répondre ou dépasser le débit inspiratoire du patient, l’HFT est plus susceptible de réduire la résistance inspiratoire associée à la partie nasale du pharynx. Ce changement de résistance entraîne un changement d’effort respiratoire résistant. 5 Un réchauffement et une humidification appropriés des voies respiratoires en délivrant du gaz chaud et humide sont associés à de meilleurs conductivité et confort pulmonaire par rapport à un gaz sec et plus froid16. Fontanari et ses collègues ont également démontré que, avec un gaz froid et sec, les récepteurs de la muqueuse nasale envoient une réponse bronchoconstrictrice protectrice chez des patients normaux 17 et asthmatiques 18. La délivrance de gaz respiratoires à la température et à la saturation du corps offre une réponse mécanique respiratoire idéale. Coût énergétique du conditionnement du gaz Les voies nasales augmentent l’énergie pour chauffer l’air inspiré de la température ambiante à 37 °C et pour vaporiser l’eau afin d’humidifier l’air entrant à une humidité relative de 100 %4,19,20. Même si nombre des facteurs impliqués dans ce processus ne sont pas clairs ou difficilement définissables, nous pensons pouvoir affirmer que le coût énergétique du processus de conditionnement du gaz est important. Ce coût énergétique est réduit lorsque le gaz est délivré à la température du corps et est saturé. Relation entre débit et pression Il y a plus de quinze ans, le Docteur Locke et ses collègues ont démontré, mêmes à de faibles débits, qu’une pression positive des voies respiratoires peut malheureusement être générée avec une canule nasale lorsque les pattes sont plus grandes que les narines21. Les canules nasales à faible débit ont en effet été largement utilisées dans le réglage NICU de la génération CPAP en utilisant des pattes relativement grandes (par rapport aux dimensions internes de la narine) et une bouche fermée pour produire une pression pharyngienne pouvant atteindre 8 cmH2O2. Ces recherches ont permis de prévoir la pression de la partie nasale du pharynx avec une canule nasale à haut débit. Nombre d’essais en banc et cliniques permettent désormais de savoir que le développement de la pression dans la partie rhino-pharyngienne et les voies respiratoires est dû à une fuite autour des pattes nasales et à la position de la bouche22-24. À cet égard, lorsque l’HFT de Vapotherm est appliquée tel que recommandé avec une patte nasale inférieure de moitié au diamètre des narines et que la bouche peut être librement ouverte et fermée, la génération de la pression est optimale. Le Docteur Saslow et ses collègues de Cooper University Hospital (Camden, NJ, États-Unis) ont démontré que des pressions flexibles générées par l’HFT pouvant atteindre 8 l/m pour les nourrissons n’étaient pas supérieures à celles produites par 6 cmH2O de CPAP et, dans certains cas, sensiblement inférieures (5 l/m ; p = 0,03) 25,26. Le Docteur Kubicka et ses collègues ont démontré que chez 27 prématurés recevant un débit jusqu’à 5 l/m par le biais d’une canule, la pression orale n’a jamais été supérieure à 5 cmH2O23. Le Docteur Wilkinson et ses collègues ont démontré que les pressions rhino-pharyngiennes étaient relativement moyennes chez les nourrissons avec l’HFT et qu’elles étaient prévisibles lorsque les débits étaient adaptés au poids 24. Les essais qui ont permis d’évaluer la thérapie à haut débit dans le but de développer une pression flexible des voies respiratoires avec la bouche fermée ont cependant révélé le développement de pressions positives moyennes uniquement 23,27. Les appareils Vapotherm ne sont pas des appareils de pression positive continue des voies respiratoires et ne sont pas conçus pour fournir une pression définie. La technologie vise à fournir des débits de gaz conditionné dans un système ouvert à l’aide d’une canule nasale simple. 6 Thérapie à haut débit et humidification : Synthèse des mécanismes d’action, de technologie et de recherche Références 1. Finer NN, Bates R, Tomat P. Low flow oxygen delivery via nasal cannula to neonates. Pediatr Pulmonol 1996;21(1):48-51. 2. Sreenan C, Lemke RP, Hudson-Mason A, Osiovich H. High-flow nasal cannulae in the management of apnea of prematurity: a comparison with conventional nasal continuous positive airway pressure. Pediatrics 2001;107(5):1081-1083. 3. Waugh JB, Granger WM. An evaluation of 2 new devices for nasal high-flow gas therapy. Respir Care 2004;49(8):902-906. 4. Negus VE. Humidification of the air passages. Thorax 1952;7(2):148-151. 5. 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