Echographie ultra rapide et dysfonction diaphragmatique

Lors d’épisodes d’insuffisance respiratoire aiguë, les patients sont mis sous ventilation mécanique, une technique de réanimation induite via un ventilateur leur permettant une assistance de la ventilation partielle voire complète.

Bien que cette technique de ventilation mécanique puisse sauver des vies, l’assistance prolongée de la respiration peut entraîner des complications inférant sur le pronostic vital des patients. Dès lors, une préoccupation importante du personnel médical est de retirer cette assistance de manière incrémentielle est sécuritaire à la façon d’un sevrage.

Cependant, même si le sevrage de la ventilation mécanique constitue désormais un moyen quasi-standardisé, il ne peut être envisagé pour une proportion de patients. En effet, les séjours en réanimation peuvent entraîner une diminution de la force musculaire globale ainsi que divers changements métaboliques l’exacerbant. Au cœur de ces problèmes, le diaphragme, principal muscle assurant la respiration, est affecté avec une diminution de sa contractilité. 

Par conséquent, depuis 60 ans, des techniques ont été mises en place afin de pouvoir détecter cette dysfonction de manière précoce. Récemment, la technique d’échographie ultra rapide apparait comme la pierre angulaire de cette détection.

Dès lors, cette revue bibliographique tentera d’exposer d’une manière non exhaustive les caractéristiques du diaphragme, son enjeu en soin intensif, les différentes techniques utilisées pour l’évaluer et enfin les perspectives d’une approche future entre biomarqueurs et intelligence artificielle.

Comme susmentionné, le diaphragme est le principal muscle assurant la respiration et ce, en continu, 24 heures sur 24. Il a une forme caractéristique en voûte/coupole convexe vers le haut et représente une cloison musculo-tendineuse séparant la cavité thoracique et abdominale (Figure 1).

Le diaphragme est constitué d’une couronne de muscles digastriques (2 parties musculaires séparées par un tendon) formant un centre tendineux en forme de trèfle. Ce centre tendineux est aussi appelé centre phrénique et, est percé de plusieurs orifices permettant le passage de veines, de nerfs, de l’œsophage, de l’aorte, etc. (Figure 2)

Le diaphragme est un muscle strié squelettique qui s’insère sur la face médiale des 6 dernières côtes via des digitations musculaires.

La typologie musculaire du diaphragme adulte est d’environ 60% de fibres de type 1 à contraction lente, peu fatigables (Polla et al., 2004). Les 40% restant sont constitués de manière équitable entre les fibres rapides de type 2A, relativement résistantes à la fatigue et les fibres rapides de type 2B, peu résistantes à la fatigue (Mizuno et al., 1991).

Le diaphragme a également une microcirculation très riche permettant un apport métabolique élevé. Fait intéressant, les fibres musculaires du diaphragme sont riches en systèmes anti-oxydants et en myoglobine, lui concédant un caractère très résistant à la fatigue et au stress oxydant (Polla et al., 2004).

Enfin, concernant son innervation, le diaphragme est innervé par les nerfs phréniques prenant origine au niveau du plexus cervical C4 et qui ont une particularité motrice qui lui est exclusive. En effet, ils sont accessibles à des techniques de stimulation telle que la stimulation magnétique permettant sa contraction de manière non volitionnelle et indépendante de celle des autres muscles respiratoires.

Le diaphragme agit comme un piston avec un effet de succion au sein de la cage thoracique. Son rôle physiologique concernant la ventilation pulmonaire est déterminant.

Lorsqu’il se contracte, la cage thoracique s’ouvre et crée alors une dépression dans les poumons permettant une entrée d’air par l’inspiration. Quant à l’expiration, celle-ci est passive et résulte de la décontraction du diaphragme.

Fait intéressant, contrairement à l’ensemble des muscles striés squelettiques qui génèrent une force maximale à une longueur de 100% de leurs longueurs de repos, le diaphragme génère une force maximale à une longueur égale à 130% de sa longueur de repos (Figure 3). Autrement dit, le diaphragme développe une force accrue quand il est étiré avant sa contraction.

Un point important concernant le diaphragme tient à ce que son efficacité dépend de sa capacité même à réaliser une pression au sein de la cage thoracique. Selon la loi de Laplace, l’efficacité mécanique est inversement proportionnelle au rayon de courbure. Ainsi, le diaphragme génère d’autant plus de force que son rayon est petit car celui-ci prend une forme plus convexe. A contrario, lorsque son rayon de courbure augmente, il s’aplatit et génère moins de force (Figure 4).

Par conséquent, le moindre changement anatomique de la paroi thoracique induira une altération des propriétés force/pression du diaphragme sur celle-ci et partant, diminuera son efficacité.

Ainsi, plusieurs facteurs sont recensés comme susceptibles d’induire une dysfonction diaphragmatique et ce, à tous les niveaux de la chaîne effectrice. Pour citer une liste non exhaustive : Commande centrale (e.g., Accident vasculaire cérébral, Lésion médullaire) ; Transmission nerveuse (e.g., Syndrome de Guillain Barré) ; Muscles (e.g., Inactivité prolongée (ventilation mécanique), Myopathie de Duchenne) ; Système respiratoire (e.g., Bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO)).

Pour illustrer cela, il est retrouvé chez certaines personnes atteints de BPCO une distension thoracique responsable d’une augmentation du diamètre de la cage thoracique. Pour s’adapter à ce remodelage, le diaphragme va raccourcir ses sarcomères (Orozco-Levi et al., 1999).

Cependant, malgré cette adaptation, sa contractilité demeure altérée (Ottenheijm et al., 2006). En cela, l’efficacité du diaphragme à produire une force optimale est diminuée (Similowski et al., 1991).

Fait intéressant, la composante musculaire autour de la BPCO est considérée seulement depuis 2001. Ce changement de paradigme réductionniste a permis une prise en charge autour de la réhabilitation à l’effort avec une accumulation de travaux scientifiques en ce sens.

Plusieurs techniques sont à l’œuvre concernant l’exploration de la fonction du diaphragme tant pour les signaux non spécifiques (e.g., pression statique à la bouche, pression dynamique (sniff-test), occlusion, etc.) que pour les signaux spécifiques (e.g., pression transdiaphragmatique, stimulation magnétique, etc.).

Il sera détaillé ici uniquement des techniques d’intérêt pour le sujet qui nous concerne permettant de déterminer des signaux spécifiques du diaphragme (i.e., pression transdiaphragmatique, stimulation magnétique, échographie et échographie ultra rapide).

Développée en 1960 par Agostoni et Rahn, la pression transdiaphragmatique (Pdi) permet l’étude de la fonction du diaphragme isolément des autres muscles inspiratoires. Celle-ci correspond (en milieu clinique) à la différence de pression entre l’œsophage (Poes) et l’estomac (Pgas).

Pour être évaluée, la pression transdiaphragmatique nécessite une pose de cathéters spécifiques avec ballons dans les parties d’intérêt (i.e., œsophage, estomac) (Akoumianaki et al., 2014 ; Agostoni et Rahn., 1960) (Figure 5).

Cependant, même si elle peut donner des indices quant au fonctionnement du diaphragme via les indices de Gilbert, la pression transdiaphragmatique demeure une technique invasive (Gilbert et al., 1981).

Dès lors, d’autres modalités ont suivi afin de pouvoir explorer les fonctions du diaphragme

La stimulation magnétique cervicale, développée il y a 30 ans afin de pallier les problèmes de la stimulation électrique et du repérage précis du nerf phrénique, est considérée comme une mesure de référence (Demoule et al., 2011 ; Similowski et al., 1989).

Basée sur un champ magnétique pulsé par voie cervicale postérieure ou antérieure, elle permet d’induire une contraction du diaphragme de manière non-volitionnelle (i.e., indépendante du patient) afin d’étudier les pressions d’intérêt de celui-ci (i.e., oesophagienne, gastrique, trachéale) (Polkey et al., 2000).

Toutefois, par simplicité, la pression trachéale au niveau de la sonde d’intubation est davantage réalisée et obtient une corrélation adéquate avec la pression oesophagienne (Watson et al., 2001). Des critères ont alors pu être développés pour apprécier une dysfonction diaphragmatique via la réponse du diaphragme à cette pression trachéale (i.e., (Ptr,stim)< 11 cmH₂O).

Également, pour convenir à une stimulation de qualité, il convient d’effectuer une stimulation « supramaximale » à une intensité d’au moins 100% pour recruter la totalité des fibres nerveuses (Dres, 2017). En juxtaposant la courbe de recrutement électromyographique selon l’intensité de la stimulation, il est alors possible d’obtenir des informations spécifiques concernant les propriétés contractiles du muscle (Dres et al., 2017) (Figure 6).

Enfin, et comme susmentionné à propos de la loi de Laplace, l’interprétation de valeurs basses doivent être juxtaposées à la lumière des connaissances sur le sujet (e.g., distension thoracique en BPCO) pouvant altérer la Ptr,stim (cmH₂O) afin d’orienter sur un diagnostic précis.

Une limite reprochée à cette technique dans la thèse de Martin Dres (2017) est la lourdeur de l’équipement ainsi qu’une expertise nécessaire, pouvant tous deux restreindre sa généralisation.

L’échographie du diaphragme est de plus en plus utilisée dans le milieu clinique et en soin intensif (Ueki et al., 1995 ; Dres et Demoule., 2020). Simple, reproductible et non invasive, l’échographie permet une mise en lumière de l’épaisseur et de l’épaississement diaphragme (Tuinman et al., 2020). L’échographie est généralement réalisée au niveau de l’hémidiaphragme droit en raison d’une asymétrie liée au foie.

L’échographie du diaphragme est réalisée avec deux mode : le mode bidimensionnel (B) et le mode tems-mouvement (TM – Mode M).

Le mode B représente l’écho par un point brillant qui permet d’obtenir une image bi-dimensionnelle et l’étude anatomique (e.g., forme, épaisseur, échogénicité, etc.) et dynamique (e.g., amplitude) du diaphragme (Ueki et al., 1995).

Quant au mode M, il produit une image linéaire selon une ligne de tir perpendiculaire au diaphragme et permet l’étude dynamique de celui-ci d’une manière précise (e.g., vitesse de contraction, durée de chaque phase de contraction, etc.) (Walker et al., 2011).

Le diaphragme étant localisé entre les feuillets péritonéal et pleural (hyperéchogènes), son évaluation par une approche intercostale permet de renseigner sur sa structure anatomique via la mesure de son épaisseur en fin d’expiration et au pic de celle-ci (Richard, 2017 ; Dres, 2017) (Figure 7).

Par ces paramètres, la fraction d’épaississement peut être déterminée, qui, inférieure à 20% en ventilation spontanée, témoigne d’une dysfonction diaphragmatique (Gottesman et McCool., 1997).

Une seconde approche, nommée approche sous costale, permet l’analyse de l’excursion du dôme diaphragmatique. Pour cela, la sonde doit être orientée vers le foie et placée sous le bord costal droit.

Le mode B permet d’obtenir une image du diaphragme représentant une ligne entourant le foie (Figure 8 – gauche) et le mode M d’obtenir l’amplitude des cycles ventilatoires (Figure 8 – droite) (Richard, 2017). Dès lors, une excursion diaphragmatique inférieure à 1cm peut correspondre à une dysfonction diaphragmatique (Kim et al., 2011).

Toutefois, si cette méthode permet une évaluation du diaphragme de manière précise et non-invasive elle n’offre cependant pas une fréquence d’images assez hautes permettant d’apprécier des phénomènes transitoires.

Ainsi, une nouvelle méthode d’échographie dite échographie ultra rapide a vu récemment le jour.

L’échographie ultra rapide est une technique d’imagerie avec une grande fréquence (jusqu’à 20 kHz) qui répond au problème de l’échographie précédemment mentionné (Sandrin et al., 1999). 

Cette technique, dite d’élastographie, est en plein essor dans le domaine médical et permet d’ores et déjà de mieux caractériser les maladies du foie, de la thyroïde ainsi que vasculaire (Figure 9).

D’ailleurs, lors de la conférence des 50 ans de l’INSERM en 2014, Mickaël Tanter, physien à l’ESPCI ParisTech, a mentionné qu’avec l’échographie ultra rapide, il était possible de « voir au ralenti l’ensemble des phénomènes invisibles à l’œil nu, comme les vibrations mécaniques d’un cœur qui bat, le mouvement des globules, ou encore les vibrations vocales lorsque l’on parle » témoignant de sa grande précision.

L’intérêt de cette approche est avant tout de pouvoir identifier les mécanismes physiopathologiques précoces de certaines maladies/situations habituellement détectées à un stade avancé.

En effet, étant donné sa fréquence d’images par seconde élevée, l’échographie ultra rapide permet d’apprécier des phénomènes transitoires et d’en extraire des informations utiles au diagnostic.

Dès lors, pour le sujet qui nous intéresse, cette technique permet par exemple de quantifier la vitesse des ondes mécaniques induites par la stimulation électrique transcutanée (Deffieux et al., 2008).

A ce propos, Poulard et al., ont mis en évidence en 2020 que l’échographie ultra rapide pouvait être utilisée afin d’étudier le comportement du diaphragme à la suite d’une stimulation magnétique cervicale (Poulard et al., 2020).

Dans leur article, il est retrouvé que la vitesse du diaphragme était fortement corrélée avec la pression transdiaphragmatique et que cela était très spécifique à la contractilité de celui-ci (Poulard et al., 2020).

Partant, l’étude met en avant que l’échographie ultra rapide puisse être utilisée particulièrement chez les personnes ayant une dysfonction du diaphragme. Ainsi, les atouts de cette technique permettent d’envisager une caractérisation précise de la condition du diaphragme via la découverte à l’avenir de biomarqueurs spécifiques.

En perspective, une telle technologie rendue accessible peut prétendre à un diagnostic précoce et ce, à large échelle.

A ce propos, l’entreprise E-Scopics (Figure 10) créée par Claure Cohen-Bacrie et lauréate de plusieurs concours (e.g., Ilab 2018, Award Accellerate d’Innov’inMed, French Tech), développe une solution d’imagerie ultraportable dématérialisée.

En effet, E-Scopics met en avant sa solution d’imagerie sous un format nécessitant uniquement une sonde et une application disponible sur tablette. En cela, elle promeut les avantages de l’imagerie tout en gardant la qualité de celle-ci du fait de l’application.

D’ailleurs, la solution d’E-Scopics a montré son efficacité dans le fait de surveiller la maladie du foie gras, pouvant entre autres, être responsable de complications telles que le cancer. La prochaine étape d’E-Scopics est d’étendre son application autour de l’échographie pulmonaire et res extensa du diaphragme.

Par conséquent, ces nouveaux systèmes de demain, permettant aux médecins de réaliser des échographies ultra rapide dématérialisées simplement et à moindre coût, favoriseront la prise en charge des patients et la détection accrue de pathologies.

Comme susmentionné (1.2.4.), l’échographie ultra rapide peut prétendre, à l’avenir, grâce à la découverte de biomarqueurs pertinents, à une caractérisation précise d’une condition en milieu médical.

En cela, il est donc opportun d’émettre des perspectives sur l’utilisation de ces biomarqueurs dans un couplage avec l’intelligence artificielle (IA) et plus particulièrement le deep learning.

En effet, l’IA (dans sa composante deep learning) fonctionne par système de « nœuds » autonome filtrant des données selon une logique imputée (Figure 11).

Fonctionnant dans des boucles rétro- et pro-actives positives, ces « nœuds » peuvent in fine extraire un caractère pertinent, en sortir sa valeur selon un critère d’échelle prédisposé et émettre des prédictions.

Par conséquent, il est probable que via l’IA et les solutions dématérialisées telles que proposées par E-Scopics, les imageries médicales détecteront de manière systématique, accrue et habille, des pathologies avant même leur développement notable.

Cette caractérisation, précoce et précise, pourra permettre a posteriori une réhabilitation favorisée dans une approche de médecine de précision propre à chaque patient.

A travers cette revue de littérature, l’enjeu crucial que représente l’étude du diaphragme et de sa dysfonction lors de la mise sous assistance respiratoire en soin intensif a été souligné.

Du fait des nouvelles méthodes d’imagerie disponibles, la détection précoce de cette dysfonction sous des solutions portatives sonnent une ère nouvelle quant à la recherche autour celles-ci.

Par la découverte d’un biomarqueur via l’échographie ultra rapide, les avancées en matière de caractérisation précoce permettront probablement d’éviter des complications à bon nombres de patients.

Enfin, la perspective d’un couplage avec l’IA dans le futur peut prétendre à une détection ainsi qu’une caractérisation encore plus précise et précoce.

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Axel Nierding

Etudiant en Doctorat

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