Évaluation échographique du travail respiratoire

Évaluation échographique du travail respiratoire
E. VIVIER, A. MEKONTSO DESSAP
des côtes de la base thoracique (action « appositionnelle » du diaphragme). Simultanément, le
raccourcissement des fibres musculaires insérées à la face interne des côtes exerce sur celles-ci
une force verticale dirigée vers le haut (action « insertionnelle » du diaphragme). L’association
de ces deux forces, conjuguée à la géométrie de l’articulation costo-vertébrale et l’orientation en
bas et en avant du berceau costal entraînent une augmentation du diamètre transversal de la base
du thorax. Lors de l’inspiration normale, l’augmentation des volumes du thorax et de l’abdomen
est synchrone. L’augmentation des dimensions de la cage thoracique confrontée à sa structure
rigide crée une pression intrathoracique négative. Cette dépression transmise via la plèvre au
système bronchiolo-alvéolaire et aux voies aériennes est à l’origine d’un flux d’air inspiratoire.
La relaxation diaphragmatique accompagne l’expiration qui, passive, dépend des forces de
rappel de la paroi thoracique. La contraction diaphragmatique entraîne donc simultanément une
pression positive dans l’abdomen et négative dans le thorax. La différence de pression entre ces
deux compartiments, appelée « pression transdiaphragmatique », est positive et croît à l’inspiration. La valeur de cette pression reflète l’importance de la contraction diaphragmatique.
Évaluation échographique du travail respiratoire
Le travail effectué par les muscles respiratoires pour mobiliser le volume de gaz nécessaire
aux échanges gazeux est un paramètre physiologique essentiel dans la gestion d’un malade en
réanimation. Son évaluation repose actuellement sur des techniques indirectes ou difficilement
accessibles en pratique clinique courante. Le diaphragme, principal muscle respiratoire, peut
être facilement visualisé par échographie. Cet examen réalisable en routine permet d’observer
les mouvements et les modifications de volume du muscle, en particulier au niveau de son
apposition contre la paroi thoracique. La mesure de l’épaisseur et, surtout, de l’épaississement
du diaphragme au moment de l’inspiration peut apporter des informations sur sa participation
au travail respiratoire.
Le diaphragme
Anatomie du diaphragme
Le diaphragme est une cloison de structure musculo-tendineuse séparant les cavités thoracique et abdominale. Sa forme générale est une voûte allongée transversalement avec deux
coupoles, droite et gauche, la droite étant légèrement plus apicale que la gauche. La partie
horizontale du dôme diaphragmatique est composée d’une zone tendineuse perforée de hiatus
laissant passer la veine cave inférieure, l’aorte et l’œsophage. Elle est partiellement accolée à la
partie inférieure du péricarde. Le centre tendineux du diaphragme est le point d’insertion médial
de fibres musculaires qui s’insèrent latéralement sur les six dernières côtes (portion costale), sur
la face postérieure de l’appendice xiphoïde (portion sternale) et sur la face antéro-latérale des
quatre premières vertèbres lombaires formant les piliers du diaphragme (portion vertébrale).
Ces fibres musculaires ont une orientation principalement verticale chez le sujet sain et tendent
à s’horizontaliser en cas d’augmentation du volume intrathoracique. La partie du diaphragme
directement appliquée à la face interne du gril costal est appelée « zone d’apposition ». Les
fibres musculaires diaphragmatiques s’y engrènent par digitations avec celles du muscle transverse de l’abdomen.
Fig. 1. - Mécanique diaphragmatique.
Mécanique diaphragmatique
Évaluation du travail respiratoire en réanimation
La contraction des fibres musculaires diaphragmatiques entraîne un raccourcissement de la
portion musculaire et la descente du dôme vers le contenu abdominal (« effet piston »). Cette
descente provoque une augmentation de hauteur de la cavité thoracique et crée une pression positive
dans la cavité abdominale, comprimant les viscères abdominaux (Fig. 1). L’augmentation de la
pression abdominale génère une force dirigée de dedans en dehors, s’exerçant à la face interne
Notion physique et physiologique de travail
Le travail mécanique d’une force (W) est l’énergie produite par cette force lorsque son
point d’application se déplace. Il se calcule comme le produit vectoriel de la force par son
Correspondance : Réanimation Polyvalente, CH Saint-Joseph Saint-Luc, 20 Quai Claude Bernard, 69007 Lyon, France, e-mail : [email protected]
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déplacement. L’unité de mesure est le joule. En fonction du travail développé par une force sur
un système, on parle de force motrice (W > 0), force résistante (W < 0) ou force à travail nul
(W = 0). En physiologie, cette notion peut être appliquée à un muscle ou à un groupe musculaire.
Le travail musculaire est défini par le produit de la force musculaire exercée par le déplacement
généré. Lorsque l’on s’intéresse au système respiratoire, le travail représente l’énergie produite
pour mobiliser le volume d’air nécessaire aux échanges gazeux. Le déplacement considéré est
alors la variation de volume pulmonaire, la force exercée est la pression motrice et le travail
s’écrit comme le produit :
W = P.V = ∫ P.DV
Le travail respiratoire est mesuré par unité de temps (puissance, dont l’unité est le Watt) ou
par litres de ventilation (joules/l).
Des indices indirects ont été proposés pour évaluer la force des muscles inspiratoires chez
le patient ventilé :
- la pression inspiratoire maximale (PImax) nécessite la réalisation d’un effort inspiratoire
maximal, voies aériennes fermées. Ceci implique une coopération importante du patient. Les
valeurs mesurées chez le patient intubé sont peu reproductibles et souvent sous-estimées ;
- la pression d’occlusion (P0,1) est la pression développée 100 ms après le début d’une
inspiration. Cet indice est proposé pour témoigner de l’intensité de la commande ventilatoire
centrale chez le patient intubé mais dépend en fait de nombreux paramètres (voies de conduction
nerveuses, couplage électro-mécanique, force musculaire et vitesse de contraction).
Ces limites ont conduit à développer d’autres indices pour quantifier l’effort musculaire
respiratoire en réanimation, en particulier le produit pression-temps ou pressure time product
appliqué à la pression pleurale (PTP) ou à la pression transdiaphragmatique (PTPdi).
La pression pleurale est approchée au moyen de la mesure de la pression œsophagienne
(Poes). La pression trans-diaphragmatique est calculée comme la différence entre la pression
gastrique (Pgas) et la pression œsophagienne (Poes), soit :
Pdi = Pgas – Poes (cmH2O)
L’intégration de la courbe de pression œsophagienne (PTP) ou trans-diaphragmatique
(PTPdi) en fonction du temps et exprimée par cycle ou par minute offre à ce jour l’une des meilleures approches de l’effort des muscles respiratoires en ventilation mécanique (Fig. 3). Mais
cette technique nécessite un monitorage invasif par sonde à simple (pression œsophagienne)
ou double ballonnet (pression trans-diaphragmatique) et n’est pas utilisée en pratique courante.
C’est dans ce cadre, et avec les limites d’interprétation requises par l’application de
concepts physiques à la physiologie, qu’une approche par imagerie dynamique de l’activité du
diaphragme peut trouver un intérêt pour explorer le travail respiratoire.
Mesure du travail respiratoire chez un patient ventilé
La méthode de référence pour le calcul du travail respiratoire repose donc sur l’analyse de
la boucle pression-volume en utilisant le diagramme de Campbell (Fig. 2). Le travail représente
alors la surface définie par la courbe pression-volume. Mais cette technique n’est pas applicable
en routine en réanimation pour au moins deux raisons :
- elle ne s’applique pas aux efforts isométriques (efforts à voies aériennes fermées, efforts
inefficaces à déclencher le respirateur) ;
- une partie de la modification du volume est assurée par l’énergie du respirateur et ne
correspond pas directement au travail musculaire.
Fig. 2. - Diagramme de Campbell. Analyse graphique du travail des muscles inspiratoires pendant un cycle
respiratoire. En ordonnée : le volume pulmonaire exprimé en % de la capacité vitale (% CV). En abscisse : pression
pleurale (cmH2O). Hachures verticales : travail nécessaire pour vaincre la résistance des voies aériennes. Hachures
horizontales : travail nécessaire pour surmonter les propriétés élastiques du poumon et de la cage thoracique.
Fig. 3. - Évaluation du travail respiratoire par calcul du PTPdi défini comme l’intégration de la courbe de pression
trans-diaphragmatique (Pdi).
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12 MHz permet en effet l’observation du diaphragme au niveau de son apposition contre la
paroi de la cage thoracique (Fig. 5). A cet endroit, l’épaisseur du diaphragme peut être mesurée
avec précision. L’examen est réalisé en position demi-assise au niveau de la zone d’apposition en plaçant la sonde au niveau du 10e espace intercostal sur les lignes axillaires antérieure
ou moyenne. Le faisceau d’ultrasons est dirigé perpendiculairement au diaphragme. La zone
d’apposition est mesurée 0,5 à 2 cm au dessous du cul-de-sac pleural. Ce dernier est repéré
grâce à l’interposition cyclique de l’artefact aérique inspiratoire entre la sonde et le parenchyme
sous-jacent (foie et diaphragme). Le diaphragme est repéré entre les deux lignes brillantes
hyperéchogènes des séreuses pleurale et péritonéale (Fig. 6). Une acquisition en mode tempsmouvement TM est réalisée et l’épaisseur est mesurée comme la distance séparant les deux
lignes. Cette mesure a été validée par des études post-mortem sur une série autopsique [4].
L’épaisseur du diaphragme est très variable d’un sujet à l’autre et dépend du poids et du statut
nutritionnel [5]. Les valeurs normales varient de 1,7 à 3 mm [6, 7].
Échographie du diaphragme
Comme tout muscle squelettique, le diaphragme est très peu échogène. Son identification
est toutefois permise par ses rapports anatomiques directs. En effet, il est tapissé de chaque côté
par des séreuses hyperéchogènes : dans sa partie thoracique, par la plèvre pariétale et dans sa
partie abdominale par le feuillet péritonéal. Ces structures apparaissent brillantes et sont facilement identifiables.
Déplacement de la coupole
Une première approche des mouvements diaphragmatiques est possible avec une sonde de
3-5 MHz ayant une forte pénétration et une résolution moyenne (sonde abdominale ou sonde
d’échocardiographie). La sonde est positionnée soit sur la paroi thoracique latérale, soit sur
la partie supérieure de l’abdomen et dirigée vers la coupole. La visualisation des coupoles (la
droite étant souvent mieux vue que la gauche) permet l’enregistrement en mode TM de la course
(C) crânio-caudale du dôme postérieur (Fig. 4). Les valeurs normales de l’excursion diaphragmatique chez le sujet sain en ventilation calme, inspiration profonde et inspiration forcée sont
respectivement de 18 (± 3) mm, 70 (± 11) mm et 29 (± 6) mm chez l’homme et de 16 (± 3) mm,
57 (± 10) mm et 26 (± 5) mm chez la femme [1]. Une excursion inférieure à 25 mm à l’inspiration maximale définit une dysfonction diaphragmatique [2]. Ce seuil a été validé en réanimation
pour détecter des dysfonctions diaphragmatiques survenues après chirurgie cardiaque [2]. Par
ailleurs, une dysfonction diaphragmatique définie par une altération de l’excursion (< 10 mm en
ventilation spontanée) est associée à un risque accru d’échec du sevrage de la ventilation mécanique en réanimation polyvalente [3].
Fig. 5. - Positionnement de la sonde d’échographie haute fréquence au niveau de la zone d’apposition.
eau de la zone d’apposition.
Fig. 4. - Enregistrement de la course diaphragmatique (C) en mode TM.
Épaisseur de la zone d’apposition
Une analyse plus fine de l’activité musculaire diaphragmatique est rendue possible par
les sondes d’échographie à faible pénétration mais haute résolution. L’emploi d’une sonde de
Fig. 6. - Coupe 2D du diaphragme au niveau de la zone d’apposition.
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La technique a été proposée pour repérer une pseudo-hypertrophie diaphragmatique lors de
la myopathie de Duchenne [8] ou suivre l’altération de la fonction ventilatoire chez les patients
présentant une sclérose latérale amyotrophique [9]. En réanimation, l’apparition d’une atrophie
diaphragmatique pourrait être détectée par cette technique dès les premiers jours de ventilation
mécanique [10].
Évaluation du travail respiratoire par échographie
Nous avons conduit un travail [12] pour tester l’hypothèse que la mesure de l’épaississement du diaphragme au niveau de la zone d’apposition permettait d’approcher le travail
respiratoire développé par le muscle diaphragmatique chez des patients en réanimation. L’étude
a été réalisée chez douze patients en ventilation non invasive récemment extubés : après une
période de ventilation spontanée, la VNI a été appliquée suivant plusieurs séquences de différents niveaux d’aide (5,10 et 15 cmH2O). Durant toutes ces étapes, les patients ont été explorés
par enregistrement échographique de l’épaississement diaphragmatique et une mesure de la
pression trans-diaphragmatique. Le passage de la ventilation spontanée à l’aide inspiratoire et
l’augmentation graduelle du niveau d’aide étaient associés à une diminution progressive du
travail respiratoire évalué par le PTPdi et à une diminution parallèle de la FED mesurée par
échographie. Les deux paramètres étaient significativement corrélés (ρ = 0,74 ; p < 0,001)
(Fig. 8). La mesure de la FED offre donc la possibilité d’approcher le travail diaphragmatique
chez le patient en réanimation, mais des limites potentielles doivent être soulignées.
Les coefficients de corrélation intra-classe (qui représentent la variance attribuable aux
sujets par rapport à la variance attribuable à l’observateur) étaient tous supérieurs à 0,97, mais
les coefficients de répétabilité se situaient entre 15 et 18 % pour l’enregistrement. En d’autres
termes, une variation de 15 à 18 % entre deux enregistrements serait théoriquement nécessaire
pour être considérée comme significative, notamment si les enregistrements sont effectués
par des opérateurs différents et à des intervalles de temps espacés. C’est une limite qu’il faut
toutefois pondérer par l’échelle des valeurs de FED qui est très large (0-80 %). La variabilité
intrinsèque du profil ventilatoire des patients au cours du temps et les difficultés de localisation
précise de la zone d’apposition expliquent cette variabilité.
Epaississement de la zone d’apposition
Au niveau de la zone d’apposition, une variation très nette de l’épaisseur du muscle au
cours du cycle respiratoire est observable et correspond à la contraction des fibres musculaires
de la portion costale. Le volume d’un muscle étant constant, l’épaisseur diaphragmatique devrait
être inversement proportionnelle à la réduction de sa longueur. Cependant, la partie centrale
du diaphragme est plus pauvre en fibres musculaires (centre tendineux) et une accentuation de
l’épaississement dans les zones d’insertion costales est probable. La mesure échographique de
la variation d’épaisseur (appelée fraction d’épaississement diaphragmatique, FED) durant la
contraction musculaire est possible en mode TM. Les mesures sont réalisées en fin d’inspiration (ETI : épaisseur téléinspiratoire) et en fin d’expiration (ETE : épaisseur téléexpiratoire), les
cycles respiratoires étant repérés à l’aide de la courbe de pression des voies aériennes affichée
sur l’échographe. La fraction d’épaississement du diaphragme est calculée selon la formule
FED = (ETI-ETE)/ETE et exprimée en pourcentage (Fig. 7). Il existe une corrélation entre la
FED et le volume courant lors de la ventilation spontanée chez des sujets sains [4]. La paralysie
diaphragmatique est caractérisée par une quasi-absence d’épaississement (FED < 20 %), voire
un amincissement paradoxal lors de l’inspiration [11]. Chez des patients présentant une paralysie diaphragmatique, le suivi échographique de l’épaississement du diaphragme sur plusieurs
mois permet de suivre la récupération de la fonction respiratoire. L’augmentation progressive
de l’épaississement est corrélée à l’amélioration de la capacité vitale, de la pression inspiratoire
maximale et à l’épaisseur du muscle [11].
Fig. 8. - Corrélation entre PTPdi et fraction d’épaississement du diaphragme en ventilation spontanée et en ventilation
non invasive à différents niveaux d’aide inspiratoire.
PTPdi, diaphragmatic pressure time product ; TF : fraction d’épaississement du diaphragme ; SB : ventilation
spontanée ; PS 5 : aide inspiratoire de 5 cmH2O ; PS 10 : aide inspiratoire de 10 cmH2O ; PS 15 : aide inspiratoire de
15 cmH2O.
Fig. 7. - Déroulement en mode TM et calcul de la fraction d’épaississement du diaphragme (FED : fraction
d’épaississement du diaphragme ; ETE : épaisseur téléexpiratoire ; ETI : épaisseur téléinspiratoire).
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L’exploration échographique a été conduite du côté droit qui est souvent plus échogène en
raison du parenchyme hépatique. Les images du côté gauche sont en effet de moindre qualité à
cause de l’interposition de la poche à air gastrique et des anses intestinales.
L’exploration échographique permise par les sondes à haute résolution est très superficielle.
En cas d’obésité, l’examen peut être difficile, voire impossible, l’augmentation de volume
des tissus adipeux rendant l’identification des lignes pleurales et péritonéales plus complexe.
Cette méthode doit également être plus spécifiquement étudiée chez les patients présentant une
pression expiratoire positive élevée (intrinsèque ou extrinsèque). L’augmentation de la capacité
résiduelle fonctionnelle entraîne en effet un aplatissement du diaphragme et une réduction de la
longueur de l’apposition du muscle à la paroi.
Le travail des autres muscles respiratoires (intercostaux, para-sternaux, scalènes et sternocléido-mastoïdien en cas de détresse respiratoire) n’est pas pris en compte par la technique. Une
analyse similaire de leurs contractions respectives est toutefois théoriquement possible par échographie en mesurant les variations de distance entre les fascias qui les entourent. Un dépistage
et une quantification échographique de l’expiration active au niveau des muscles expiratoires
(abdominaux, transverse, oblique, grand droit, triangulaire du sternum) est également théoriquement possible et devra faire l’objet de travaux ultérieurs.
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Conclusion et perspectives
L’amélioration de la qualité des images, la progression des logiciels, une optimisation de
l’ergonomie des appareils et une meilleure qualification des cliniciens ont permis à l’échographie
de largement diffuser au sein des services de réanimation ces dernières années. Une évaluation
échographique du travail du diaphragme « au lit du malade » en routine est donc envisageable.
Le réglage des paramètres de l’assistance ventilatoire, le dépistage et le suivi de la dysfonction
diaphragmatique et la détection d’asynchronies patient-ventilateur sont des applications potentielles de l’examen. Les principaux écueils de la technique sont la reproductibilité et les limites
liées à l’anatomie (obésité, augmentation de capacité résiduelle fonctionnelle). L’application de
la technique aux autres muscles respiratoires reste à évaluer.
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