Composition du mélange de gaz circulant dans le système anesthésique

Composition du mélange de gaz circulant dans le système anesthésique

Le mélange de gaz frais (MGF), délivré par le système d'alimentation en gaz frais, subit des modifications lors de son passage dans le système anesthésique sous l'effet de divers facteurs. La vitesse du changement de composition est caractérisée par la constante de temps du système.

Facteurs déterminant la composition du mélange gazeux

La concentration des gaz et vapeurs composant le mélange gazeux dans le système anesthésique (MGSA), qui est administré au patient, doit être connue avec une précision suffisante. Parmi les cinq facteurs intervenant dans la composition et envisagés ci-après, le MGF alimentant le système anesthésique joue le rôle déterminant.

Mélange de gaz frais

Le MGF intervient par sa composition, la concentration des composants et son débit.

 Réinhalation

Le retour de gaz expirés dans le système anesthésique modifie la composition du mélange gazeux qu'il contient. La modification dépend du degré de réinhalation et des échanges alvéolocapillaires (captation/libération).

Adsorption et absorption des anesthésiques par inhalation par le système anesthésique

Un système peut capter les gaz et vapeurs anesthésiques par adsorption (en surface) et absorption (en profondeur, par dissolution).

L'adsorption est la capacité de certaines substances de retenir sur leur surface des gaz et des vapeurs. Une telle adsorption se produit notamment au niveau de la chaux sodée, dont les granules ont une grande surface. L'adsorption est surtout importante quand la chaux est sèche [51, 52]. Ce phénomène a une importance suffisante pour qu'un changement de chaux en cours d'anesthésie, avec un système alimenté par un faible débit de gaz frais, entraîne le réveil du patient. Il joue aussi un rôle quand la chaux dégrade la vapeur anesthésique. L'adsorption de vapeur halogénée est aussi utilisée avec les cartouches de charbon activé, mises en circuit en fin d'anesthésie pour accélérer le réveil.

L'absorption est la capacité de certaines substances de capter, par une véritable dissolution en profondeur, des anesthésiques par inhalation, du fait de leur coefficient élevé de solubilité dans ces substances. Il en est ainsi du caoutchouc, du silicone et de la matière plastique des tuyaux et du ballon et/ou du soufflet du système anesthésique et du ventilateur [77]. La libération ultérieure de l'agent dissous, quand le gradient de concentration est inversé, se fait plus lentement que l'adsorption (fig. 4). Un rinçage rapide du système à l'aide d'un débit de gaz élevé n'accélère pas l'élimination. Un agent très soluble, tel l'halothane, est éliminé beaucoup plus lentement que ceux qui le sont moins, tel l'isoflurane [10, 99].

L'absorption est particulièrement forte dans le silicone, dont la " décontamination " requiert un délai beaucoup plus long que les autres matières [48].

La captation de gaz et de vapeur anesthésiques en début d'anesthésie ralentit l'établissement d'une correspondance entre la composition du mélange de gaz frais et celle du mélange circulant dans le système anesthésique. Elle ralentit la montée en concentration, donc l'induction d'une anesthésie par inhalation. Le phénomène inverse se produit en fin d'intervention (" il faut endormir et réveiller la machine avant le patient ").

En fait, le ralentissement de l'induction et du réveil n'est pas suffisant pour avoir un impact clinique réel. Par contre, la libération prolongée d'anesthésique halogéné à l'état de traces, par un système anesthésique " contaminé ", peut déclencher une hyperthermie maligne ou une hépatite toxique chez un sujet prédisposé et anesthésié à l'aide d'un tel système [10, 99]. Ce problème, surtout important avec le circuit filtre, peut être prévenu par un changement de circuit entre deux anesthésies successives. Le changement est impératif si le patient suivant est sensibilisé à l'agent anesthésique administré au patient précédent.

Sortie de gaz par une fuite

Une fuite au niveau du système anesthésique peut modifier la composition du MGSA. La composition du mélange qui s'échappe et son volume dépendent du siège de la fuite, de sa taille, de la pression régnant dans le circuit [50].

Entrée d'air ambiant

Quand la réserve de mélange gazeux dans un système anesthésique est inférieure au volume courant, de l'air ambiant est prélevé par certains ventilateurs pour compenser la différence. De même, quand une pression négative est générée dans le système par suite d'un défaut de fonctionnement, le même phénomène peut se produire. L'importance de la dilution dépend du volume du circuit, du type de ventilation et du débit de gaz frais.

En définitive, pour connaître avec précision la composition du mélange gazeux délivré par un système anesthésique, il faut : ou bien alimenter le système avec un débit de gaz frais suffisamment élevé pour qu'il ne renferme pratiquement que du gaz frais, de composition connue ; cela revient à devoir fournir, selon le système, des débits de gaz frais compris entre 1 et 3 fois la ventilation-minute ; ou bien, avoir recours à des analyseurs de gaz et de vapeur.

Constante de temps (CT) du système anesthésique

Une variation de composition du MGF et/ou, en cas de réinhalation, une variation des échanges alvéolocapillaires, mettent un certain temps pour entraîner une variation analogue du MGSA. Ce temps est caractérisé par la CT [29, 30, 50].

La CT exprime, en minutes, la vitesse de changement, pour aller d'un état initial vers un état final ou d'équilibre. La CT usuelle représente par convention le temps nécessaire pour atteindre 63 % de l'état final (fig. 5) (tableau I).

La CT dépend du volume de distribution du mélange gazeux (système anesthésique et capacité résiduelle fonctionnelle (CRF)), du débit de MGF et de la captation (ou du relargage) par les composants du système et les poumons [29]. Captation et relargage peuvent être négligés quand le débit de gaz frais est important.

La CT est d'autant plus grande que le volume du système et de la CRF est grand et que le débit de MGF est faible (fig. 6). La CT diminue de moitié quand le volume fait de même.

Elle double quand le débit du MGF diminue de moitié et vice versa. Les modifications de la CT sont d'autant plus importantes que le débit de MGF est faible. En effet, plus le débit du MGF s'approche de la VO2 basale, plus les échanges alvéolocapillaires jouent un rôle important dans la composition du MGSA.

Après un changement de composition du MGF, trois CT sont requises pour atteindre 95 % de l'état d'équilibre entre le MGF d'une part, le MGSA et celui de la CRF d'autre part. En pratique, l'induction d'une anesthésie comportant l'administration de N2O doit durer au moins 6 min (3CT) pour éliminer l'azote et atteindre, dans le système anesthésique et la CRF, la concentration de N2O désirée.

Une faible CT permet de mieux gouverner la composition du MGSA. A l'inverse, une grande CT est un facteur de sécurité en cas de fausse manoeuvre au niveau des débitmètres. En effet, un mélange hypoxique se constitue plus lentement dans un système anesthésique ayant une grande CT.

Arrivée des gaz frais au patient

Quand un système anesthésique avec réinhalation n'est pas complètement fermé, une fraction plus ou moins importante du mélange de gaz frais peut sortir de la valve d'échappement, sans être arrivée jusqu'au patient. Un système non fermé est d'autant plus économique qu'une fraction plus importante du débit de gaz frais qui l'alimente arrive jusqu'au patient.

Le coefficient d'utilisation des gaz frais (CUGF) équivaut au rapport : volume de gaz frais entrant dans les poumons/volume de gaz frais entrant dans le système. Un coefficient égal à 1 signifie que la totalité du gaz frais délivré dans le système est arrivée au patient. Les circuits filtres actuels ont des CUGF variables d'un type à l'autre (fig. 7). Le CUGF est d'autant plus faible que le débit de gaz frais est plus élevé et/ou le volume courant plus petit [117]. Le facteur " anatomique " déterminant est le site de l'entrée de gaz frais par rapport à la valve d'échappement.

Température et teneur en eau du mélange gazeux dans le système anesthésique

Les gaz frais sont à température ambiante et secs. Le réchauffement et l'humidification du mélange gazeux administré sont d'autant plus justifiés que l'anesthésie est prolongée et/ou que le patient est déjà en hypothermie et déshydraté à l'entrée en salle d'opération.

Réchauffement et humidification peuvent être assurés par le système anesthésique luimême (absorbeur de CO2 et réinhalation de gaz expirés), par un nez artificiel ou un humidificateur chauffant.

Le circuit filtre, avec un absorbeur de CO2 en fonction, est le système anesthésique assurant un réchauffement et une humidification d'autant meilleurs que l'absorbeur est situé plus près du patient sur le segment inspiratoire du système anesthésique, que le volume interne de celui-ci est faible, que le débit de gaz frais est réduit et l'anesthésie plus longue [11, 24, 67].

Contamination du système anesthésique par des germes

Un système anesthésique peut être contaminé sur sa face externe par contact (masque facial, sonde d'intubation endotrachéale) par la flore cutanée, nasale et orale, et sur sa face interne, par les gouttelettes de sécrétions des voies aériennes expulsées par les secousses de toux. La chaux sodée exerce un effet bactéricide sur les germes non sporulés [87]. Les germes éventuellement contenus dans le système ne sont pas transférés au patient (contamination croisée), dès lors que le mélange gazeux est sec [59]. Le circuit filtre ne semble pas être exposé à un risque élevé de contamination [12]. Le recours à un filtre-échangeur d'eau et de chaleur offre apparemment une bonne sécurité vis-à-vis de la contamination du système par le patient et vice versa.

Caractéristiques des systèmes anesthésiques pour enfants

[20, 33, 47, 54]. Les plus employés sont le système avec valve de Digby-Leigh®, les systèmes de Jackson-Rees ou de Kuhn, et le circuit filtre équipé de tuyaux et de raccords spéciaux [3, 88, 98]. 

 Caractéristiques des systèmes anesthésiques pour situation d'exception

La pratique de l'anesthésie dans les situations d'exception (conflits armés, catastrophes naturelles) peut imposer le recours à du matériel fonctionnant en l'absence d'électricité et de gaz comprimés, en particulier d'O2. Ce matériel doit être simple, léger et solide [16]. Il est généralement formé d'un système anesthésique avec valve de non-réinhalation, ballon autogonflable prélevant de l'air ambiant et un vaporisateur de type " draw-over ".

L'adjonction d'un concentrateur d'O2 constitue un appoint de grande valeur quand la situation le permet [35, 46, 94]. Le filtre moléculaire du concentrateur ayant la même affinité pour l'O2 que pour l'argon, libère un mélange non seulement enrichi en O2, mais aussi en argon (environ 5 vol %). Aussi, quand le concentrateur alimente un système avec réinhalation, tel un circuit filtre, l'argon peut s'y accumuler significativement si le débit d'O2 est inférieur au double de la consommation d'O2 du patient. Il convient, par conséquent, d'effectuer une purge périodique du circuit [92].