Circuits d'anesthésie

Introduction

L'appareil d'anesthésie se compose d'un système de transport des gaz, comprenant quatre parties distinctes, et d'un système de monitorage permettant de mesurer différents paramètres, dont ceux du système de ventilation.

• Les parties qui constituent le système de transport des gaz sont :
  • un système d'alimentation des gaz, allant de l'alimentation murale ou de la bouteille à haute pression jusqu'à la sortie des gaz frais (DGF) à basse pression. Ce système permet l'administration d'un mélange de gaz et d'agent anesthésique au patient ;
  • un système de contrôle de la ventilation ou d'assistance à la ventilation (ventilateur) ;
  • un système d'absorption du CO2 (absorbeur de CO2) ;
  • un système d'évacuation des gaz.

Système d'alimentation des gaz

• L'appareil d'anesthésie peut fonctionner à partir de plusieurs sources de gaz à des pressions différentes. Différents régulateurs assurent une réduction progressive de la pression. On distingue plusieurs étages :
  • étage à « haute pression » : cet étage, en amont de l'appareil d'anesthésie, va des sources de gaz principales jusqu'aux détendeurs placés sur le réseau à l'entrée du bloc opératoire ; les pressions sont entre 7 et 9 bars ;
  • étage à « pression intermédiaire » : cet étage se situe entre les détendeurs et les débimètres. La pression de l'oxygène y est légèrement supérieure à celle de l'air, qui est elle-même légèrement supérieure à celle du N2O ; les pressions sont de 3,7 ± 0,5 bars environ. Les salles d'opération sont équipées d'alarmes visuelles et sonores qui indiquent une chute de la pression d'alimentation en oxygène ; l'O2 rapide fait partie de cet étage. La valve de débit rapide (by-pass) d'O2 court-circuite les systèmes de détendeurs situés en aval, les débitmètres et les vaporisateurs ;
  • étage à « basse pression » : cet étage va des débimètres à la sortie du mélange de gaz frais ; les pressions y sont de 1 bar.

Rotamètres

• Les rotamètres, ou débitmètres, ou tubes de Thorpe, mesurent le débit de gaz qui les traversent.
• Ils se composent d'un flotteur ou bobine, situé à l'intérieur d'un tube vertical dont les parois s'élargissent de bas en haut à la manière d'un cône très allongé.
• Les flotteurs ont des formes très variables, allant de la sphère à la toupie. Certains comportent des rainures qui permettent au flotteur de tourner sur lui-même. La lecture se fait de manière générale au niveau du diamètre le plus large, soit au centre de la sphère ou au sommet du flotteur.

Principe de fonctionnement

• Le gaz circule dans le rotamètre entre le tube et le flotteur. Celui-ci s'élève d'autant plus que le débit est élevé, puisque l'espace disponible augmente le long du tube (orifice variable).
• Le flotteur s'immobilise lorsqu'il atteint un équilibre entre son poids et ladifférence de pression qui existe entre le haut et le bas du flotteur 

• Le débit de gaz dépend :
  • du poids du flotteur ;
  • de la taille de l'orifice ;
  • des propriétés physiques du gaz.
• De ces trois éléments, seules les propriétés physiques du gaz sont variables. Tout changement de densité et de viscosité, dépendant de la pression et de la température, modifie la précision des rotamètres. Ces derniers sont donc calibrés pour une température de 20 °C, une pression atmosphérique de 760 mmHg, et un gaz donné.
• Par ailleurs, la qualité du flux est importante :
  • dans un tube long et étroit avec un débit faible, le flux est plutôt laminaire et dépend de la viscosité (loi de Hagen-Poiseuille) ;
  • dans un tube court et large avec un débit élevé, le flux sera turbulent et la densité sera prépondérante.
• En altitude, l'air étant moins dense, le débit sera plus important autour de la bobine pour une valeur affichée ; le rotamètre sous-estimera le DGF. Dans une chambre hyperbare, le gaz est plus dense et le débitmètre délivre moins de gaz que ce qu'il indique ; ainsi, le rotamètre surestime le DGF. Ces notions sont valables lorsque le flux est turbulent. Lorsque le flux est
• laminaire (débit faible, tube étroit), il est proportionnel à la viscosité du gaz et non à sa densité. L'altitude et la chambre hyperbare ne modifieront donc pas la lecture du débitmètre.
• Dans l'appareil d'anesthésie, les rotamètres sont disposés côte à côte, montés en série ou le plus souvent en parallèle (rampe), le tube collecteur du mélange gazeux étant situé sur la partie supérieure de la rampe (figure 1.3). L'ordre de placement des tubes a une grande importance dans la mesure où une fuite sur l'un des tubes pourrait provoquer un mélange hypoxique. En effet, si le tube d'O2 est placé en amont d'une fuite sur un autre tube, l'O2 peut être amené à fuir également. La position la plus sûre consiste à placer le débitmètre d'O2 en dernière position sur la rampe des rotamètres.

Limitations

• Les rotamètres sont des appareils simples, mais fragiles et sensibles. Leur principe de fonctionnement les rend imprécis en présence :
  • de poussière ;
  • d'humidité ;
  • d'électricité statique ;
  • de champ magnétique ;
  • de perte de verticalité ;
  • de choc mécanique.

• Un rotamètre défectueux présente un danger parce qu'il affiche des valeurs erronées. Le risque d'administration d'un mélange hypoxique doit être limité au maximum.
• Les appareils modernes sont souvent équipés de débitmètres électroniques, fondés sur le principe de Faraday : lorsqu'un conducteur se déplace perpendiculairement à un champ magnétique, il induit une tension électrique proportionnelle à sa vitesse de translation. Le tube de mesure se compose de deux électrodes placées perpendiculairement à deux bobines qui créent le champ magnétique.

Prévention de l'administration d'un mélange hypoxique

• Différents systèmes limitent le risque d'administration de mélange hypoxique : certains appareils délivrent une quantité minimale d'O2, d'autres associent les concentrations ou les pressions minimales à des alarmes (mécaniques ou électroniques) :
  • débit minimal d'O2 : en l'absence d'un débit d'air, un flux minimal d'O2 est administré ;
  • concentration minimale en O2 : les débitmètres sont reliés entre eux soit pneumatiquement, soit mécaniquement de manière à empêcher que la proportion d'O2 dans le mélange ne soit inférieure aux valeurs seuils établies par le constructeur (par exemple : 25 %) ;
  • alarme de concentration : en fonction des pressions dans les différents conduits de gaz, des alarmes mécaniques (sifflet) ou électroniques se déclenchent lorsqu'un déséquilibre existe dans le mélange pouvant produire un composé hypoxique.

Ventilateur

• Le ventilateur est un des composants de l'appareil d'anesthésie ; il permet d'administrer au patient de manière automatique un mélange de gaz vecteur et d'agent anesthésique, et de contrôler la ventilation.
• Tous les ventilateurs modernes génèrent une pression positive dans les VAS.
• Au cours d'un cycle respiratoire, le ventilateur génère un flux et maintient une pression constante ou un débit constant dans les VAS, indépendamment de la mécanique pulmonaire.
• Les avantages sont une économie en ressources humaines et l'augmentation de la fiabilité, notamment dans la répétitivité des cycles par rapport à des cycles manuels.
• Le ventilateur est composé des éléments suivants :
  • un moteur ;
  • une alimentation en gaz ;
  • un système de commandes ;
  • un soufflet, ou son équivalent (pompe pour le ventilateur Zeus) ;
  • des valves directionnelles des flux et de sécurité.

Moteur et alimentation en gaz

• Le ventilateur est alimenté par de l'O2 ou de l'air séparé en deux circuits :
  • un circuit patient pour le fonctionnement du circuit anesthésique ;
  • un circuit moteur pour le fonctionnement pneumatique du ventilateur.
• Les ventilateurs électriques requièrent également un gaz moteur :
  • l'oxygène est le gaz moteur ; la quantité d'O2 utilisée par le ventilateur est au moins égale à la ventilation minute du patient ;
  • certains ventilateurs utilisent un système à injection d'air de Venturi, cequi augmente le débit de gaz moteur et diminue la consommation d'O2.

Soufflet

• Le soufflet est une sorte de ballon plissé en accordéon, fixé au ventilateur.
• La plupart des ventilateurs comportent un soufflet isolé dans une chambre (bag in a bottle).
• Les gaz prennent des circuits séparés : le gaz moteur dans la chambre du soufflet, le gaz de ventilation dans le soufflet connecté au circuit de ventilation du patient.
• Le soufflet est rempli au début du cycle inspiratoire ; la pression du gaz moteur dans la chambre, à l'extérieur du soufflet, provoque sa compression. Le mélange de gaz est poussé vers le patient. Après le cycle inspiratoire,le gaz expiré par le patient ainsi que l'entrée de gaz frais réalimentent le soufflet qui reprend son volume initial. L'excès de gaz est éliminé par la valve d'échappement du circuit. Le retour à la position de fin d'expiration marque le début d'un nouveau cycle.
• Pour certains ventilateurs, le piston du soufflet est actionné par de l'énergie électrique (Dräger Cato et Zeus).
• Les soufflets peuvent être ascendants ou descendants (terme défini par rapport à l'exsufflation). Le soufflet ascendant permet une détection plus rapide des fuites. En effet, un soufflet descendant peut descendre par gravité, mimant faussement un remplissage normal. La plupart des appareils actuels sont équipés d'un soufflet ascendant. Par ailleurs, le monitorage systématique des débits et des pressions facilite la détection rapide des fuites.

Valve de surpression

• Le ventilateur comprend un système de sécurité permettant d'éviter des surpressions dans le circuit de ventilation à l'origine de barotraumatismes ; le seuil de surpression peut être réglé à l'aide d'une valve d'échappement (valve APL [adjustable pressure limiting]).
• La valve de surpression est généralement placée entre l'absorbeur de CO2 et la valve expiratoire, proche du ballon de ventilation.
• Les surpressions peuvent résulter :
  • d'erreurs de réglages ;
  • de l'activation de la valve d'O2 rapide, surtout pendant la phase inspiratoire où la valve d'échappement est fermée ;
  • d'un oubli de la valve en position fermée à la fin d'une phase de ventilation manuelle.
  • Lorsque le seuil de détection est atteint, une alarme sonore est activée en même temps que la valve bloque automatiquement, de manière mécanique ou électronique, l'élévation de pression : le cycle s'achève à pression réduite, ou est simplement stoppé.

Remarques

• Même avec des appareils fiables, les pannes sont toujours possibles, parfois de manière insidieuse ou intermittente, ce qui les rend d'autant plus difficiles à détecter. La surveillance clinique et le monitorage permettent le plus souvent de prendre conscience du défaut de fonctionnement à temps.
• Les fuites de gaz sont toujours possibles et d'autant plus difficiles à détecter que les systèmes sont fermés :
  • dans le ventilateur, les fuites les plus fréquentes sont secondaires à un manque d'étanchéité de la chambre du soufflet ou se situent au niveau du soufflet lui-même ;
  • dans le circuit, les fuites apparaissent le plus souvent au niveau des connexions et des joints, ainsi qu'au niveau du bac de chaux sodée. Les éléments en plastique peuvent également se fissurer, notamment à l'occasion de stérilisations répétées ou sous l'action détergente de désinfection de surface ou de médicament (isoflurane). Les capteurs de spirométrie et d'analyse des gaz constituent aussi des sources de fuite.
• Le réglage des alarmes fait partie intégrante de la préparation d'un appareil d'anesthésie comme d'un ventilateur. Les alarmes d'alimentation en gaz et de pression du système sont le plus souvent des alarmes pneumatiques, ce qui signifie qu'elles fonctionnent même après un arrêt de l'alimentation électrique.
• La gestion del'appareil est le plus souvent faite par des composants informatiques ou électroniques qui améliorent la sécurité, mais dont la défaillance est aussi possible. Au moindre doute quant à une défaillance de l'appareil d'anesthésie, il faut reprendre la ventilation manuelle avec un insufflateur manuel.

Humidificateur

• Chez un sujet normal, les voies aériennes supérieures permettent de réchauffer l'air inhalé à la température corporelle et de le saturer en eau.
• Un patient qui a une sonde d’intubation trachéale ne bénéficie donc pas de ce processus ; ses voies aériennes inférieures sont alors exposées à un air sec à température ambiante.
• Le réchauffement et l'humidification de cet air par les voies aériennes inférieures conduisent à une perte de chaleur, à une déshydratation des muqueuses, à une altération de la fonction mucociliaire, voire à des atélectasies et à des troubles de la ventilation/perfusion, particulièrement chez des patients avec des pathologies pulmonaires sous-jacentes.
• Le réchauffement et l'humidification des gaz inspirés sont particulièrement importants chez les enfants, les patients âgés et ceux qui souffrent d'une atteinte pulmonaire telle que la mucoviscidose.
• Il existe deux types d'humidificateurs : les humidificateurs passifs, appelés aussi échangeurs de chaleur et d'humidité ou encore filtres, et les humidificateurs actifs.
  • Les humidificateurs passifs sont des dispositifs qui se placent sur la pièce en Y. Ils fonctionnent comme des échangeurs thermiques et d'humidité grâce à un matériel hygroscopique qui piège la chaleur et la vapeur d'eau de chaque exsufflation, qui seront ensuite transférées au DGF lors de l'insufflation suivante ; ils sont aussi des filtres d'agents infectieux. Les inconvénients sont une augmentation de l'espace mort, des résistances respiratoires, du travail respiratoire en ventilation spontanée et une obstruction du filtre par des sécrétions. Certains de ces dispositifs contiennent également un filtre antimicrobien.
  • Les humidificateurs actifs sont plus efficaces que les précédents. L'air inhalé est saturé d'eau grâce à différents systèmes comme le passage de l'air dans une chambre à eau ou le mélange de l'air avec de la vapeur. Les inconvénients sont des lésions thermiques pulmonaires, des infections nosocomiales, et une augmentation du risque de déconnexion du système respiratoire. Ces dispositifs ne contiennent pas de filtre antimicrobien. Ils sont utilisés en milieu de réanimation.

Vaporisateurs

• À température ambiante et à pression atmosphérique (Patm), la plupart des anesthésiques volatils sont en phase liquide. Les vaporisateurs convertissent les anesthésiques par inhalation de l'état liquide en vapeur. 
• Le vaporisateur est un récipient contenant un agent anesthésique en phase liquide, à travers lequel un flux de gaz vecteur capte une quantité choisie de l'agent pour l'amener aux voies aériennes du patient. Le gaz est entraîné par la différence de pression entre l'extérieur et une chambre interne de vaporisation, appelée plenum (plenum vaporizer). C'est le système le plus répandu. Sur certains appareils modernes (Zeus), un système injecte des bolus de liquide directement dans le circuit.
• Les différents types de vaporisateur sont :
  • le vaporisateur à léchage (flow-over) : le gaz vecteur est amené à la surface de l'agent anesthésique et se charge en vapeur ;
  • le vaporisateur à bullage : le gaz vecteur traverse l'agent anesthésique liquide par barbotage et se charge ainsi en vapeur ;
  • le vaporisateur à injection : l'injection directe d'une certaine quantité de liquide anesthésique dans le circuit permet d'obtenir une concentration précise ; le problème de la température est ainsi contourné ; cette technique qui caractérise certains vaporisateurs modernes permet d'injecter des bolus d'agent inhalé et de modifier plus rapidement la concentration-cible que par augmentation du DGF. Par ailleurs, la consommationd'halogéné est réduite.
• La saturation complète d'une partie du gaz vecteur est assurée, par exemple, par la pose de mèches, qui augmentent la surface de contact, sur lesquelles l'halogéné monte par capillarité en raison des forces de tension superficielle.
• Le vaporisateur se place juste après les débitmètres et juste avant la valve d'O2 rapide. Cela explique que l'utilisation de l'O2 rapide allège la profondeur de l'anesthésie.
• Les vaporisateurs sont calibrés pour :
  • une température donnée ;
  • une Patm donnée ;
  • un halogéné donné : en raison des différences physicochimiques des agents anesthésiques, les vaporisateurs sont spécifiques à l'agent concerné et une erreur de remplissage peut provoquer des erreurs de dosage importantes ; ce problème est actuellement théorique puisque les évaporateurs sont munis de détrompeurs ;un gaz transporteur : c'est généralement de l'O2 à 100 %. L'utilisation du N2O à 100 % diminue de 10 % la concentration d'halogéné en raison de la différence de viscosité entre les deux gaz, qui modifie le flux dans le vaporisateur.
• La pression de vapeur saturante est la pression exercée par la vapeur d'une substance en équilibre avec la forme liquide de cette substance dans un récipient fermé. Elle caractérise la facilité de vaporisation. La pression de vapeur saturante est proportionnelle à la température et n'est pas modifiée par la pression atmosphérique.
• La pression de vapeur saturante des halogénés est largement supérieure à la pression requise pour une anesthésie. Il faut donc diluer l'halogéné. Ainsi, seule une partie du gaz vecteur est dirigée vers la chambre de vaporisation en fonction de la concentration désirée. Il ressort de cette chambre complètement saturé en halogéné, puis il rejoint le DGF dans lequel il est dilué. Ce sont les vaporisateurs à bypass variable :
  • exemple : la pression de vapeur saturante de l'halothane à 20 °C est de 243 mmHg. À cette même température et à une Patm de 760 mmHg, sa concentration est de 32 % (243/760). Si 100 ml de mélange de gaz entrent dans le vaporisateur, 150 ml vont en sortir (100 ml d'O2 et 50 ml [32 % × 150 ml] d'halothane). Or, moins de 1 % soit 7 mmHg d'halothane suffisent pour obtenir un effet anesthésique à la Patm. Il faut donc diluer les 50 ml d'halothane dans 5 000 ml de gaz frais.
• La chaleur de vaporisation est l'énergie nécessaire pour vaporiser un liquide. Lors de ce processus, la température du liquide diminue et sa pression de vapeur saturante également. Ce problème est résolu par la fabrication de vaporisateurs en métaux divers (par exemple le cuivre) dont la chaleur spécifique(soit la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1 g de leur substancede 1 °C) et la conductance thermique sont élevées, ce qui permet de maintenir une température constante sans chauffage du système. D'autres vaporisateurs, à compensation thermique, sont munis d'une valve qui obstrue de manière plus ou moins importante l'orifice de sortie du gaz vecteur, selon la température du liquide. Ces valves ont des formes variables : lame bimétallique, soufflet souple ou lame métallique dilatable (figure 1.4).

Cas particulier : le desflurane

• Le desflurane présente la caractéristique unique d'une pression de vapeur particulièrement élevée : 681 mmHg à 20 °C et 731 mmHg à 22 °C avec un point d'ébullition à 22,8 °C, tout en étant peu puissant (CAM 6,0 vol %).
• Il est donc impossible de prédire la quantité de desflurane délivrée avec les vaporisateurs conventionnels.
• En raison du risque d'ébullition spontanée, des vaporisateurs ont été développés spécifiquement pour le desflurane (Tec 6) : l'halogéné est chauffé électriquement à 39 °C et pressurisé à 2 ATA (atmosphère technique absolue ; 2 ATA = 1500 mmHg).
• Le Tec 6 comporte deux circuits de gaz indépendants : un circuit pour le DGF et un circuit pour les vapeurs de desflurane, alimenté par la cuve chauffée à 39 °C. Le bouton de contrôle manuel de la concentration de desflurane (en vol %) régule l'apport de vapeur au débit de gaz qui quitte le vaporisateur, ce qui permet de délivrer la concentration désirée.