Composants du circuit filtre

Composants du circuit filtre

Composants du circuit filtre

Le circuit filtre comprend les éléments suivants : une entrée de gaz frais ; une (ou deux) valve(s) d'échappement réglable(s), pour la sortie des gaz excédentaires ; une pièce de raccordement au patient, en " T " ou en " Y " ; deux valves unidirectionnelles, l'une inspiratoire et l'autre expiratoire ; un ballon réservoir, ayant une capacité supérieure au volume courant, avec possibilité de lui substituer un ventilateur ; un absorbeur de CO2 ; des tuyaux annelés, inspiratoire(s) et expiratoire(s).

Les éléments de surveillance de ce circuit, en particulier, le manomètre et le spiromètre, sont décrits dans la " Surveillance de l'appareil d'anesthésie " (cf. fascicule 36-100-B-60).

Valves unidirectionnelles

La valve unidirectionnelle, encore appelée valve directionnelle, valve à dôme, valve à disque, valve antiretour, valve séparatrice, est un dispositif de régulation assurant la circulation d'un mélange gazeux dans un seul sens. La présence de deux valves de ce type (une inspiratoire et une expiratoire) est indispensable dans un système anesthésique en cercle tel le circuit filtre, pour prévenir la réinhalation. Celle-ci sera d'autant plus faible que les valves sont situées plus près du raccord au patient.

Ce sont des valves passives. Elles fonctionnent sous l'effet d'un gradient de pression de part et d'autre de la valve et ne sont pas télécommandées par le ventilateur, par l'intermédiaire d'un message pneumatique, mécanique ou électrique. Leur fonction se limite à imposer un sens unique à la circulation des gaz, quel que soit le moment du cycle ventilatoire. Ainsi, la valve unidirectionnelle située sur le segment expiratoire peut s'ouvrir à l'insufflation, donc " fonctionner ", dès lors qu'en aval de la valve il n'existe pas d'obstacle à la progression des gaz.

Le principal type de valve unidirectionnelle est la valve à dôme ou à disque (fig. 17). Les gaz entrent par le bas et se dirigent vers le haut en soulevant le disque obturateur, dont la course est limitée par une cage. Ils ne peuvent faire le chemin inverse car le disque retombe aussitôt sur son berceau, réalisant une occlusion étanche. Cette valve, dont la bonne marche requiert la position verticale stricte, a une pression d'ouverture faible (0,2 cmH2O), quand le disque est sec et ne " colle " pas sur son berceau. Elle n'oppose que des résistances peu élevées (1 à 1,5 cmH2O pour un débit de gaz de 30 l·min-1). Elle fonctionne correctement avec des volumes courants faibles et à des fréquences élevées [3].

L'inspection du disque, la manométrie, la spirométrie et la capnographie permettent de déceler ses défauts de fonctionnement, dont le plus grave est la non-occlusion de la valve par suite d'une humidité excessive, d'électricité statique ou d'un corps étranger. La nonocclusion d'une valve, ou son débranchement du tuyau annelé la reliant au patient, peut augmenter l'espace mort de plus de 500 ml, en l'occurrence de la capacité du tuyau annelé, et entraîner une réinhalation massive.

Avant l'anesthésie, la vérification du fonctionnement des valves unidirectionnelles se fait en enlevant le raccord en Y ou en T du circuit filtre et en ventilant séparément à travers le tuyau annelé inspiratoire et expiratoire. Avec le premier, l'utilisateur doit être capable d'inspirer mais non d'expirer, alors qu'avec le second, l'expiration doit être possible mais non pas l'inspiration. Cette modalité de contrôle est plus fiable que celle consistant à ventiler au niveau du segment patient du raccord en Y ou en T. Une vérification peut aussi être faite à l'aide d'un ballon [66].

Un sens unique de circulation des gaz peut aussi être assuré par un circulateur, petite turbine actionnée par un gaz comprimé, par la source de vide ou un moteur électrique. Elle assure non seulement une circulation constante et en sens unique du mélange gazeux dans le circuit filtre, mais en brassant continuellement le mélange gazeux, elle diminue aussi l'espace mort sous le masque, réduit les résistances à l'inspiration et augmente la température et la teneur en eau du mélange gazeux, par suite d'une meilleure utilisation de l'absorbant de CO2. Elle homogénéise le mélange dont la composition tend à devenir constante dans le circuit. De ce fait, la distinction entre segment inspiratoire et expiratoire devient obsolète. De plus, la constante de temps du circuit est diminuée. Le débit de la turbine doit générer un débit gazeux suffisant mais ne pas être excessif, au point de produire des turbulences et une pression positive, qui gêne l'expiration et augmente le débit de sortie de gaz au niveau d'éventuelles fuites.

Absorption de gaz carbonique Un absorbeur de CO2 équipe le circuit filtre, pour enlever le CO2 du mélange gazeux destiné à être réadministré et accessoirement fournir de la chaleur et de l'eau à ce mélange. L'absorbeur est un réservoir contenant des granules d'absorbant, au contact desquels le mélange gazeux qui le parcourt est épuré du CO2 qu'il contient [13].

Absorbants

L'absorbant qui capte le CO2 fonctionne sur le principe de la neutralisation d'un acide (l'acide carbonique, formé par l'hydratation du CO2) par une base (des hydroxydes alcalins). Les produits terminaux de la réaction sont un carbonate, de l'eau et de la chaleur.

L'absorbant se présente sous forme de granules irréguliers, de 3 à 6 mm de côté. Les granules de petite taille offrent une plus grande surface de réaction et constituent un meilleur écran au passage du CO2. La formation de canaux ou cheminées de circulation préférentielle du mélange gazeux est moindre. Par contre, ils augmentent les résistances et forment plus volontiers des agglomérats. L'absorbant utilisé est de la chaux sodée (" soda lime ") ou de la chaux barytée (" baralyme " ou " barium hydroxide lime ").

L'absorbant contient un indicateur coloré qui est un acide ou une base, dont la couleur change avec celui du pH au moment de la formation de sel. Le plus courant, le violet d'éthyle, vire au pourpre. L'indicateur informe sur le degré d'épuisement de l'absorbant, mais non sur le pourcentage de CO2 qui le traverse sans être absorbé. La valeur de l'information qu'il fournit est donc limitée. L'exposition à la lumière fluorescente peut inactiver l'indicateur [5].

La chaux sodée se compose d'environ 80 % d'hydroxyde de calcium, 4 % d'hydroxyde de sodium, 1 % d'hydroxyde de potassium et 15 % d'eau. L'hydroxyde de calcium constitue le noyau du granule, alors que l'hydroxyde de sodium et l'eau forment la croûte poreuse. Les granules subissent un traitement spécial (adjonction de silice et de " kieselguhr "), afin de les durcir et d'empêcher la formation de poudre. La chaux sodée est très alcaline et a un effet corrosif sur la peau et les muqueuses. Il faut donc empêcher la pénétration de sa poudre dans les voies aériennes.

Le processus d'absorption s'effectue en une suite de réactions de neutralisation, d'abord en surface, puis dans la profondeur du granule. La présence d'eau est indispensable, car les réactions chimiques mises en jeu par l'absorption du CO2 se déroulent en phase aqueuse : L'acide carbonique, résultant de l'hydratation du CO2, réagit avec les hydroxydes de sodium ou de potassium, faisant office de catalyseur, pour former des carbonates intermédiaires, de l'eau et de la chaleur (18 ml d'eau et 137 kcal par mole de CO2, c'est-àdire 22,41 de CO2 absorbés). Les carbonates intermédiaires réagissent ensuite avec l'hydroxyde de calcium, pour former du carbonate de calcium, ainsi que de l'hydroxyde de sodium ou de potassium.

La capacité d'absorption est d'environ 15 à 20 l de CO2/100 g de chaux sodée. Un kilo de chaux sodée convient à une utilisation continue d'environ 8 heures. Un changement de couleur de l'indicateur se produit déjà avant que cette limite ne soit atteinte. La chaux sodée est capable de se régénérer partiellement. La plus grande partie de l'eau formée est perdue par évaporation et au fur et à mesure de son épuisement, la chaux se dessèche et durcit du fait de la formation de CaCO3. L'humidité des gaz expirés ne suffit pas pour relancer le fonctionnement d'une chaux desséchée.

La chaux barytée contient 80 % d'hydroxyde de calcium, 20 % d'hydroxyde de baryum et un indicateur de pH coloré. Elle est plus stable que la chaux sodée et ne nécessite pas de durcisseurs. L'eau requise étant incluse dans l'hydroxyde de baryum, cette chaux fonctionne correctement même sèche. Elle absorbe environ 27 l de CO2/100 g d'absorbant.

Elle ne se régénère pas.

Les granules de chaux absorbent en surface une certaine quantité de gaz et vapeurs anesthésiques. Cette adsorption modifie la concentration des composants du mélange gazeux dans le système anesthésique : adsorption en début d'anesthésie, freinant la montée en concentration, adsorption aussi lors d'un changement de chaux sodée en cours d'entretien de l'anesthésie, libération en fin d'anesthésie, ralentissant la chute de concentration [51, 52, 60]. Elle intervient donc dans la cinétique des gaz et vapeurs dans le système, en l'occurrence sa constante de temps. Elle comporte aussi un risque d'hyperthermie maligne ou d'hépatite à l'halothane, si elle est réutilisée lors d'une anesthésie chez un sujet prédisposé [10].

La chaux dégrade partiellement certains anesthésiques halogénés, en formant des produits potentiellement toxiques. Cette dégradation est d'autant plus importante que la température de la chaux est plus élevée. Ainsi, la dégradation du trichloréthylène donne naissance à du dichloracétylène, spontanément combustible, explosif et toxique pour les nerfs crâniens, ainsi que du phosgène capable d'entraîner un SDRA. C'est pourquoi l'emploi de trichloréthylène contre-indique l'usage d'un absorbeur de CO2. L'halothane est dégradé en CF2CBrCl à raison de 5 ppm en 1 heure. Son seuil de toxicité est égal à 250 ppm. Le sévoflurane est dégradé lui aussi, mais sans entraîner d'effets notables apparents [74, 106].

Absorbeurs

Les absorbeurs, encore appelés canisters, bacs ou réservoirs, sont en métal, en matière plastique ou en verre. La matière plastique et le verre permettent d'observer l'aspect de l'absorbant. Le métal a l'avantage de mieux dissiper la chaleur et l'électricité statique.

Les absorbeurs ont habituellement une forme cylindrique. Un absorbeur de petit diamètre et de grande hauteur absorbe bien le CO2, mais oppose des résistances élevées. Un absorbeur de même capacité, mais de grand diamètre et de faible hauteur, n'oppose que de faibles résistances, mais absorbe mal le CO2.

Pour traverser l'absorbeur, les gaz empruntent préférentiellement les trajets de moindre résistance situés, le plus souvent, entre les granules et la paroi interne de l'absorbeur. A ce niveau, il peut en effet exister des trajets dépourvus de granules. Leur tassement y est moindre et l'espace intergranulaire plus important. Les gaz empruntant préférentiellement ces trajets, encore appelés couloirs, canaux ou cheminées, s'y écoulent plus rapidement, sans être correctement épurés en CO2. Ils évitent la portion centrale de l'absorbeur où les granules sont tassés plus fortement. La formation de tels canaux dépend de la conformation de l'absorbeur, de sa position, de la direction et de la vitesse du flux gazeux, ainsi que de la forme, de la taille et du tassement des granules.

Le dégagement de chaleur augmente la température dans l'absorbeur. Il est fonction de la fourniture de CO2, du débit de gaz frais, de la teneur en eau, du degré d'épuisement de l'absorbant, du matériau dont est fait l'absorbeur et des autres facteurs de dispersion de chaleur. Dans l'absorbeur d'un système va-et-vient la température peut atteindre 60 °C. Celle d'un absorbeur de circuit filtre dépasse rarement 40 à 45 °C, car la dispersion de chaleur y est mieux assurée. L'évolution de la température dans l'absorbeur est un meilleur indice de son pouvoir d'absorption que le virage de l'indicateur [109]. Elle est un indice imparfait dans la mesure où elle reste élevée au-delà du moment où l'absorbant est épuisé. Il est de même du changement de couleur des granules. Si les gaz expirés traversent l'absorbeur en passant préférentiellement le long de ses parois, le changement de couleur apparaît d'abord sur les granules périphériques, proches de la paroi, pouvant faire conclure à tort à l'épuisement de la chaux restante. Inversement, quand la majorité des gaz expirés passe le long de l'axe central de l'absorbeur, le changement de couleur apparaît tardivement en périphérie, après épuisement de presque toute la chaux sodée.

Dans le circuit filtre, l'absorbeur fonctionne en position verticale. Les gaz expirés traversent habituellement la chaux de bas en haut (fig. 18). Une paroi interne rugueuse et gaufrée ainsi que la présence de grilles à ressort tassant les granules empêchent la formation de canaux. L'absorption est améliorée par le recours à des baffles ou à deux absorbeurs en série, afin de recentrer le flux de gaz. L'absorbeur a généralement une grande capacité (" Jumbo absorber "). Une fois rempli de granules, il doit encore être en mesure d'accepter l'équivalent d'un volume courant, qui peut dépasser 1 l chez l'adulte. Un absorbeur d'une capacité de 2 l peut contenir 1 000 g de granules et 1 l de gaz, car le volume de granules et le volume gazeux intergranulaire représentent chacun environ 50 % du volume total. Il peut absorber plus de 100 l de CO2.

Quand l'absorbeur est situé sur le segment expiratoire du circuit, les gaz expirés pénètrent dans l'absorbeur pendant l'expiration et y restent jusqu'à l'expiration suivante. Cette circulation pulsatile assure un long temps de contact avec l'absorbant et une meilleure distribution des gaz dans l'espace intergranulaire.

Le changement de chaux sodée est effectué en fonction du virage de l'indicateur. C'est la couleur de l'indicateur, en fin et non en début d'utilisation qui importe, puisque le repos permet un retour partiel à la couleur initiale.

Montage du circuit filtre et fonctionnement

Les composants du circuit-filtre sont disposés en cercle. Ils constituent un système circulaire qui est le seul à mériter le terme de " circuit " (fig. 19). Les gaz circulent dans un seul sens, sauf dans le segment de raccordement au patient de la pièce en Y ou en T. Il existe de nombreuses modalités de montage respectif des constituants, chacune ayant des avantages et des inconvénients. Pour empêcher la réinhalation de CO2, le montage doit être tel que : une valve unidirectionnelle est placée entre le raccord patient et le ballon réservoir, sur le segment inspiratoire et le segment expiratoire ; l'entrée de gaz frais ne se situe pas entre la valve unidirectionnelle expiratoire et le raccord patient ; la valve d'échappement réglable ne se trouve pas entre le raccord patient et la valve unidirectionnelle inspiratoire [41].

Pour empêcher au maximum la perte de gaz frais, les valves unidirectionnelles, inspiratoire et expiratoire, doivent être situées près du raccord patient et la valve d'échappement réglable juste après la valve unidirectionnelle expiratoire, de façon à éliminer un maximum de gaz alvéolaire [53].

Au départ, le circuit filtre a été conçu pour la ventilation spontanée, relayée transitoirement par la ventilation assistée ou contrôlée manuellement en cas de besoin.

C'est pourquoi il offre des résistances minimes et sa compliance ne préoccupait pas ses utilisateurs puisqu'en ventilation spontanée elle n'intervient pas, par suite du faible gradient de pression dans le circuit. Il n'en est plus de même en ventilation automatique, avec des gradients de pression atteignant 25 à 30 cmH2O. La capacité et la distensibilité du circuit modifient alors les performances du ventilateur dans un sens péjoratif.

Quand le circuit filtre est actionné par un ventilateur, celui-ci remplace le ballon réservoir (fig. 20).

Circuit filtre pour enfant

En règle générale, on utilise un circuit filtre chez les enfants de poids dépassant 10 à 20 kg [96, 98]. Le calibre des tuyaux, du ballon et de l'absorbeur est plus faible et la pièce en Y comporte une cloison médiane destinée à réduire l'espace mort. Le " set anesthésique " de Ulm pour usage pédiatrique comporte des tuyaux rigides en latex armé, d'un diamètre intérieur de 10,5 mm [3].

Utilisation du circuit filtre avec de faibles débits de gaz frais

En fonction du débit d'alimentation en gaz frais, on distingue différents modes d'utilisation [101].

On appelle anesthésie à débit de gaz frais élevé, ou anesthésie en circuit semi-fermé, celle où ce débit est supérieur à environ 2 à 4 l·min-1 chez l'adulte (exemple : O2 1,5 l·min-1 et N2O 3 l·min-1) et inférieur ou égal à la ventilation-minute. Elle est essentiellement utilisée en début et en fin d'anesthésie. Elle ne nécessite en principe ni absorbeur de CO2, ni analyseur de gaz et de vapeur, compte tenu de la quasi-similitude de la composition du mélange de gaz frais et de celle du mélange circulant dans le circuit et administré au patient.

On appelle anesthésie à faible débit de gaz frais (" low flow anaesthesia "), ou anesthésie en circuit presque fermé, celle effectuée à l'aide d'un circuit filtre alimenté par un débit de gaz frais d'environ 1 à 3 l·min-1 (exemple : O2 0,5 l·min-1 et N2O 1 l·min-1, c'est-à-dire encore supérieur au volume des gaz " consommés " mais nettement inférieur à la ventilation-minute.

Dans ces deux premières éventualités, le système est excédentaire : l'entrée de gaz frais est supérieure à leur captation, d'où le nécessaire échappement de gaz excédentaires.

On appelle anesthésie en circuit complètement fermé ou à débit de gaz frais minimal (" minimal flow anaesthesia "), une anesthésie à débit de gaz frais d'environ 0,2 à 0,6 l·min-1 (exemple : O2 0,2 à 0,5 l·min-1 et N2O selon captation), correspondant à la captation de gaz par le patient et le système anesthésique, aucun gaz excédentaire n'étant éliminé par la valve d'échappement qui est fermée. Le système est en équilibre.

L'anesthésie à faible débit de gaz frais ou à débit de gaz frais minimal impose un certain nombre de contraintes concernant l'équipement et les modalités pratiques d'utilisation [73, 89, 111, 115].

Equipement

L'anesthésie à faible débit de gaz frais requiert un circuit-filtre étanche, y compris le point de jonction avec le patient (sonde endotrachéale). Il doit être relié à un système d'alimentation en gaz frais doté d'un débitmètre capable de délivrer avec une précision suffisante des débits d'O2 dans le domaine des 100 ml·min-1. Les vaporisateurs recommandés sont, soit des appareils de précision à bypass variable, capables de délivrer des concentrations de vapeur élevées et précises aux faibles débits de gaz frais, soit des vaporisateurs par injection d'anesthésique liquide ou de vapeur sous pression [72]. Dans la catégorie des ventilateurs à double circuit, le modèle à soufflet ascendant à l'expiration est recommandé dans la mesure où il est le plus adapté à la détection des fuites, qui se manifestent, en pareil cas par un affaissement progressif du soufflet.

La présence d'un analyseur d'O2 est indispensable, car plus le débit de gaz frais est faible, plus la FiO2 est inférieure à la concentration d'O2 du mélange de gaz frais pénétrant dans le système. La présence d'un capnographe est recommandée, car cet appareil permet de déceler une hypercapnie liée à un défaut du circuit. Un analyseur de vapeur est requis pour des raisons similaires, quand le débit de gaz frais passe en dessous de 2 l·min-1. Il est indispensable en cas d'anesthésie en circuit complètement fermé et/ou en cas de vaporisation par injection de liquide ou de vapeur sous pression.