Améliorer l’assistance respiratoire pour le COVID

31 juillet 2020

par Henk Van Appeven, Université de technologie d'Eindhoven

Alors que la pandémie continue de ravager le monde, les ventilateurs mécaniques sont essentiels à la survie des patients atteints du COVID-19 qui ne peuvent pas respirer par eux-mêmes. L’un des défis majeurs consiste à suivre et à contrôler la pression des ventilateurs, afin de garantir que les patients reçoivent exactement la quantité d’air dont ils ont besoin. Des chercheurs de l’Université technologique d’Eindhoven (TU/e) ont développé une technique basée sur des algorithmes d’auto-apprentissage qui améliore d’un facteur dix les performances du contrôleur. Les résultats ont été présentés à l'IFAC2020, une conférence internationale majeure sur le contrôle automatique.

Un ventilateur mécanique pompe l'air dans et hors des poumons d'un patient, lorsqu'il n'est plus capable de respirer (suffisamment) par lui-même. Le flux d'air alternatif permet aux poumons d'échanger du CO2 contre de l'O2 dans le sang, assurant ainsi la survie du patient. Pour garantir que les patients reçoivent la quantité d'air dont ils ont besoin, il est crucial que la pression de l'air suive exactement les instructions des médecins. Ne pas le faire pourrait entraîner une mortalité plus élevée.

Ce n’est pas un problème trivial. Tous les patients ne sont pas identiques, et les systèmes de tuyaux et de soufflerie utilisés pour amener l'air dans le patient peuvent varier, entraînant des incohérences indésirables. De nombreuses recherches ont donc été menées pour remédier à ce problème, en utilisant des techniques telles que le contrôle adaptatif par rétroaction. Cependant, ces techniques reposent sur des modèles de patients précis, qui ne sont pas toujours disponibles dans la pratique, car tous les patients ne sont pas identiques.

Les chercheurs de TU/e ​​utilisent une technique de contrôle alternative que le professeur agrégé Tom Oomen du Département de génie mécanique développe pour des applications dans l'industrie de haute technologie, telles que les imprimantes et les scanners de plaquettes. Cette technique est basée sur des algorithmes d’auto-apprentissage et exploite le fait que la respiration des patients sous sédation (ce qui est le cas de nombreux patients atteints du COVID-19) a tendance à être très régulière, tout comme de nombreux processus industriels.

La technique, appelée contrôle répétitif, peut apprendre des erreurs de la machine et a la capacité de les corriger en quelques itérations, en utilisant les données mesurées par les capteurs de la machine. En procédant ainsi pour un ventilateur mécanique, cela peut augmenter la précision de la pression et du débit fournis par le ventilateur d'un facteur dix après quelques respirations, même lorsque la capacité pulmonaire du patient n'est pas connue.

La technique a été testée sur des poumons artificiels en laboratoire. Dans les trois scénarios (un bébé, un enfant et un adulte), les performances du suivi de la pression étaient supérieures à celles des appareils existants.

"Grâce à l'algorithme d'auto-apprentissage que nous appliquons, nous sommes en mesure d'atteindre des niveaux de pression très précis, quel que soit le patient connecté à l'appareil. Cela rend le traitement beaucoup plus constant", explique Joey Reinders, Ph.D. candidat à la section Dynamique et Contrôle du département de Génie Mécanique et l'un des chercheurs impliqués.

Reinders et ses collègues ont effectué la plupart de leurs recherches en 2019, alors que pour de nombreuses personnes, la pandémie de coronavirus était encore un fantasme dystopique. "Lorsque nous avons commencé nos recherches, nous ne savions pas qu'elles deviendraient aussi pertinentes", dit-il. "Je suis donc très satisfait des résultats, qui pourraient un jour sauver la vie des patients atteints du coronavirus."

Il souligne que des recherches supplémentaires doivent être effectuées avant que la technique puisse être utilisée dans la pratique. Reinders et ses collègues n'ont testé que sur des patients sous sédation, pour lesquels le contrôle répétitif fonctionne mieux parce que leurs schémas respiratoires sont très réguliers. Cependant, les ventilateurs sont également utilisés sur des patients qui sont encore conscients et qui peuvent commencer à respirer de manière inattendue. Le contrôleur du ventilateur doit également être capable de faire face à de telles situations.