Les patients en soins intensifs ou subissant une chirurgie majeure peuvent développer des problèmes de tension artérielle, ce qui peut entraîner des dysfonctionnements organiques graves. Il est crucial que les équipes médicales ne se contentent pas de savoir que la pression artérielle est anormale, mais qu’elles comprennent pourquoi elle a changé pour administrer le traitement approprié. Une nouvelle étude du MIT propose un cadre mathématique permettant d’obtenir ces informations essentielles avec précision et en temps réel.
Cette approche mathématique, détaillée dans une étude en libre accès dans les Transactions IEEE sur le génie biomédical, fournit des estimations proportionnelles des deux facteurs critiques influençant la pression artérielle : le débit sanguin du cœur (débit cardiaque) et la résistance du système artériel à ce flux sanguin (résistance vasculaire systémique). En appliquant cette nouvelle méthode aux données collectées sur des modèles animaux, les chercheurs ont démontré que leurs estimations, basées sur des mesures mini-invasives de la pression artérielle périphérique, correspondaient précisément aux estimations obtenues avec des sondes de débit invasives placées sur l’aorte. De plus, ces estimations suivaient avec précision les changements induits par divers médicaments utilisés pour corriger une tension artérielle anormale.
« Les estimations de la résistance et du débit cardiaque issues de notre approche fournissent des informations qui peuvent facilement être utilisées pour guider les décisions de gestion hémodynamique en temps réel », ont écrit les auteurs de l’étude.
Avec des tests supplémentaires et une approbation réglementaire, la méthode pourrait être utilisée lors de chirurgies cardiaques, de transplantations hépatiques, de traitements en unité de soins intensifs et de nombreuses autres procédures affectant la fonction cardiovasculaire ou le volume sanguin.
« Tout patient subissant une chirurgie cardiaque pourrait en avoir besoin », déclare l’auteur principal de l’étude, Emery N. Brown, professeur Edward Hood Taplin de génie médical et de neurosciences computationnelles à l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire, à l’Institut de génie médical et des sciences et au Département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT. Brown est également anesthésiologiste au Massachusetts General Hospital et professeur d’anesthésiologie à la Harvard Medical School. « Il en va de même pour tout patient subissant une intervention chirurgicale plus normale mais dont le système cardiovasculaire est compromis, comme une cardiopathie ischémique. Vous ne pouvez pas avoir une tension artérielle omniprésente. »
L’auteur principal de l’étude est Taylor Baum, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique (EECS), co-supervisé par Brown et Munther Dahleh, professeur William A. Coolidge à l’EECS.
Avancement algorithmique
Le concept selon lequel le débit cardiaque et la résistance systémique sont les deux composantes clés de la pression artérielle provient du modèle de Windkessel à deux éléments. Cette nouvelle étude n’est pas la première à utiliser ce modèle pour estimer ces composants à partir des mesures de la pression artérielle, mais les tentatives précédentes ont rencontré un compromis entre la rapidité des mises à jour des estimations et leur exactitude. Les méthodes fournissaient soit des estimations plus erronées à chaque battement, soit des estimations plus fiables mises à jour à des échelles de temps plus longues. Dirigée par Baum, l’équipe du MIT a surmonté ce compromis en appliquant des techniques statistiques et de traitement du signal telles que la modélisation « espace d’état ».
« Nos estimations, mises à jour à chaque battement, ne sont pas seulement informées par le rythme actuel, mais elles intègrent également l’historique des rythmes précédents », explique Baum. « C’est cette combinaison de l’histoire passée et des observations actuelles qui produit une estimation plus fiable tout en restant à une échelle de temps battement par battement. »
Notamment, les estimations résultantes du débit cardiaque et de la résistance systémique sont « proportionnelles », ce qui signifie qu’elles sont chacune inextricablement liées en mathématiques à un autre cofacteur, plutôt que d’être estimées individuellement. Cependant, l’application de la nouvelle méthode aux données collectées dans une étude plus ancienne sur six animaux a montré que les estimations proportionnelles issues des enregistrements utilisant des cathéters mini-invasifs fournissent des informations comparables pour la gestion du système cardiovasculaire.
Une des principales conclusions était que les estimations proportionnelles basées sur les lectures de la pression artérielle à partir de cathéters insérés à divers endroits éloignés du cœur (par exemple, la jambe ou le bras) reflétaient les estimations dérivées de cathéters plus invasifs placés dans l’aorte. L’importance de cette découverte est qu’un système utilisant la nouvelle méthode d’estimation pourrait dans certains cas s’appuyer sur un cathéter mini-invasif dans diverses artères périphériques, évitant ainsi le placement plus risqué d’un cathéter de l’artère centrale ou d’un cathéter de l’artère pulmonaire directement dans le cœur, la référence clinique en matière d’estimation de l’état cardiovasculaire.
Une autre découverte clé est que lorsque les animaux recevaient chacun des cinq médicaments que les médecins utilisent pour réguler soit la résistance vasculaire systémique, soit le débit cardiaque, les estimations proportionnelles suivaient correctement les changements qui en résultaient. Les résultats suggèrent donc que les estimations proportionnelles de chaque facteur reflètent avec précision leurs changements physiologiques.
Vers la clinique
Avec ces résultats encourageants, Baum et Brown estiment que la méthode actuelle peut être facilement mise en œuvre en milieu clinique pour informer les équipes de soins périopératoires sur les causes sous-jacentes des changements critiques de la pression artérielle. Ils recherchent activement l’approbation réglementaire de l’utilisation de cette méthode dans un dispositif clinique.
De plus, les chercheurs poursuivent davantage d’études sur les animaux pour valider une approche avancée de gestion de la pression artérielle utilisant cette méthode. Ils ont développé un système en boucle fermée, informé par ce cadre d’estimation, pour réguler avec précision la pression artérielle dans un modèle animal. Une fois les études sur les animaux terminées, ils demanderont l’autorisation réglementaire pour tester le système chez l’homme.
Outre Baum, Dahleh et Brown, les autres auteurs de l’article sont Elie Adam, Christian Guay, Gabriel Schamberg, Mohammadreza Kazemi et Thomas Heldt.
La National Science Foundation, les National Institutes of Health, une bourse Mathworks, le Picower Institute for Learning and Memory et la Fondation JPB ont soutenu l’étude.
