Thèse soutenue

"Développement d'un système d'analyse de la variabilité du rythme cardiaque et application à l'évaluation de la nociception"
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Auteur / Autrice : Mathieu Jeanne
Direction : Benoît Tavernier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Anesthésie. Réanimation
Date : Soutenance en 2008
Etablissement(s) : Lille 2

Résumé

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La mesure de la variabilité de la fréquence cardiaque (heart rate variability - HRV) a pour objet l'évaluation qualitative et quantitative du système nerveux autonome (SNA). Parmi les nombreuses techniques d'analyse décrites, les plus simples sont les mesures temporelles (variance des intervalles R-R par exemple), qui constituent un moyen de stratification du risque cardiovasculaire. L'analyse fréquentielle, classiquement par transformée de Fourier, identifie deux pics principaux, basse fréquence (low frequency - LF, entre 0,04 et 0,15 Hz), et haute fréquence (high frequency - HF, entre 0,15 et 0,40 Hz). La puissance spectrale haute fréquence (exprimée soit en valeur absolue, soit sous forme "normalisée", rapportée à la puissance totale) est abaissée dans des pathologies diverses comme la dysautonomie associée au diabète sucré ou la maladie de Parkinson. Les HF, essentiellement influencées par la respiration (la puissance spectrale mesurée à la fréquence respiratoire quantifie l'arythmie sinusale respiratoire) témoignent de l'activité parasympathique médiée par le vague ; elles dépendent de la fréquence ventilatoire, du volume courant, et du caractère spontané ou contrôlé de la respiration ("métronome"). L'intérêt de l'HRV est essentiellement établi pour caractériser le SNA en situation hémodynamique stable, donnant une information à moyen ou long terme. Des études ont également utilisé HRV pour analyser l'évolution instantanée de l'activité du SNA, notamment au cours de l'anesthésie : l'analyse HRV permettrait d'anticiper le retentissement hémodynamique des anesthésies rachidiennes. En revanche, les tentatives pour mesurer la profondeur de l'anesthésie générale et anticiper le réveil des patients n'ont pas abouti. La complexité de l'analyse spectrale rend difficile l'interprétation des mesures réalisées parfois sur de très petites séries de patients. S'ajoutent à cela des considérations techniques sur la qualité de la chaîne d'acquisition du signal ECG et sur la chaîne de traitement des série R-R. Malgré des recommandations d'experts établies dès 1996 définissant les règles du traitement et de l'analyse HRV, on observe une grande hétérogénéité dans les techniques utilisées. De plus, il est admis que la transformée de Fourier ne doit pas être appliquée aux signaux non stationnaires ; par contre, d'autres techniques comme la transformée en ondelettes, permettent des mesures spectrales haute et basse fréquence sur des séries R-R de quelques minutes. Cependant, si les mesures sur des séries courtes, en période d'instabilité hémodynamique, sont devenues fiables, leur interprétation demeure confuse ou erronée dans de nombreux cas; de plus, les indices exprimant l'HRV sont trop abstraits pour être adoptés en routine clinique. Dans ce travail, nous avons mis au point une technique originale de mesure HRV fondée sur la représentation graphique de l'arythmie sinusale respiratoire à partir d'une série R-R de courte durée, filtrée et normalisée. Les objectifs des études présentées étaient (1) d'établir, pour l'analyse fréquentielle par ondelette et pour la technique graphique, les limites physiologiques pour l'enregistrement du signal R-R (fréquence respiratoire, mode ventilatoire, longueur de la série R-R); (2) de valider la quantification HRV par la méthode graphique par rapport à l'analyse spectrale de référence par ondelettes; et (3) d'étudier, comme exemple d'application, l'influence sur le SNA de la balance nociception-analgésie au cours de l'anesthésie générale et de l'analgésie loco-régionale. La technique d'enregistrement a été mise au point en testant l'influence de différentes fréquences d'échantillonnage pour l'enregistrement de l'ECG. Une station d'acquisition Physiotrace® a permis l'acquisition ECG sur patients ou sur simulateur (Fluke Biomedical®). Un programme de filtrage par transformée en ondelettes (db2) a été mis au point (MS2_11) sous Delphi 4. 0® et validé grâce à Matlab®. Tous les ECG ont été contrôlés visuellement. Les séries R-R simulées ont été créées avec Microsoft Excel® en utilisant une série R-R enregistrée chez un patient anesthésié ventilé en pression positive, combinée ou non à une sinusoïde LF. Des séries R-R comprenant des fréquences ventilatoires de 8 à 15 cycles. Min-1 et des amplitudes variables ont été créées puis analysées. Des ECG ont été enregistrés au cours d'interventions chirurgicales selon trois protocoles anesthésiques observationnels, puis analysés a posteriori pendant les périodes d'intérêt constituées par les temps d'analgésie insuffisante (mouvement ou réaction hémodynamique au geste chirurgical), d'analgésie adaptée (absence durable de réaction pendant la chirurgie), et d'absence de stimulation nociceptive (en dehors de toute stimulation chirurgicale et à distance d'une réinjection de morphinique). Des ECG ont également été enregistrés chez des parturientes au cours du travail de l'accouchement, avant et après analgésie péridurale, et chez des patients après chirurgie orthopédique, avant et après analgésie locorégionale. Les mesures spectrales réalisées sur les séries RR simulées ont montré (1) une perte d'information HF pour des fréquences respiratoires inférieures à 12 cycles/min, alors que l'amplitude des patterns ventilatoires est constante ; (2) une perte d'information LF pour des durées d'analyse inférieures à 64s ; (3) que les durées d'analyse supérieures à 128s n'augmentent pas la fiabilité des mesures ; (4) que les mesures graphiques sont indépendantes de la fréquence respiratoire ; (5) elles contiennent la même information sur les HF quelle que soit l'amplitude du pattern ventilatoire ; (6) elles sont cohérentes sur des fenêtres d'analyse de 64 et 128s. Les mesures spectrales réalisées sous anesthésie générale ont montré que (1) les HF normalisées sont liées à la composante analgésique de l'anesthésie générale ; (2) les mesures réalisées sur 64s sont aussi discriminantes que sur 128s, mais celles réalisées sur 32s le sont moins ; (3) les mesures graphiques normalisées sur la norme se comportent comme les HF normalisées. L'aspect qualitatif des séries R-R a clairement varié en fonction de l'analgésie-nociception sous anesthesie générale, ainsi que chez les patients conscients lors de l'analgésie locorégionale (travail obstétrical et chirurgie orthopédique). Les développements actuels concernent l'application de cette technique à des moniteurs capables de recueillir l'ECG, de le filtrer, de calculer la série R-R en continu, de l'afficher après normalisation et de calculer en temps réel les mesures graphiques afin de permettre un monitorage HRV simple et compréhensible. Les applications cliniques potentielles, comme l'aide à l'administration des médicaments analgésiques durant l'anesthésie générale, doivent faire l'objet de validation à large échelle. Ces mesures ont fait l'objet d'un dépôt de brevet international