Techniques d’humidification et de réchauffement des gaz inspirés

Techniques d’humidification et de réchauffement des gaz inspirés

Laurent Thomachot : Praticien hospitalier.

Claude Martin : Professeur des Universités, praticien hospitalier.

Département d’anesthésie-réanimation, hôpital Nord, boulevard Pierre-Dramard, 13915 Marseille cedex 20, France.

Résumé. – Dans une très grande majorité de cas, l’utilisation d’un échangeur de chaleur et d’humidité (ECH) est suffisante pour réchauffer et humidifier les gaz inspirés au cours de la ventilation mécanique. L’ECH doit être positionné au-dessus de la sonde d’intubation, et changé dès qu’il est sali par les sécrétions bronchiques.

En cas d’apparition de sécrétions bronchiques épaisses ou d’atélectasies, le réchauffement et l’humidification sont insuffisants, et l’ECH doit être remplacé par un humidificateur chauffant. Les avantages d’un ECH résident principalement dans sa facilité d’utilisation et son faible coût, et ses inconvénients dans l’augmentation de l’espace mort et des résistances inspiratoires. Les risques d’obstruction des sondes endotrachéales sont très faibles avec les matériaux actuellement utilisés. En réanimation, les ECH peuvent être laissés en place jusqu’à 1 semaine sur un même patient. L’incidence des pneumopathies acquises sous ventilation mécanique et des obstructions de sondes endotrachéales, après 7 jours d’utilisation d’un même ECH, ne diffèrent pas de celles observées après un changement journalier. Un ECH ne peut être utilisé en cas d’hypothermie ou de fistule bronchopleurale.

Mots-clés : échangeur de chaleur et d’humidité, anesthésie, réanimation, ventilation mécanique, humidification des gaz inspirés, réchauffement des gaz inspirés.

Introduction

Le développement de la ventilation mécanique en anesthésie et en réanimation a généré un bon nombre de complications, à l’origine d’une augmentation importante de la morbidité, de la mortalité et du coût d’hospitalisation. Certaines de ces complications sont dues à une mauvaise préservation de la température et du contenu en vapeur d’eau des gaz inspirés (tableau I).

Dans les circonstances normales de ventilation, les gaz inspirés sont progressivement réchauffés et humidifiés lors de leur passage dans les voies aériennes supérieures. Les composants internes du nez humain, de la bouche et du pharynx capturent la chaleur et l’humidité des gaz durant l’expiration, et les restituent à l’inspiration. Lors de l’intubation endotrachéale, les voies aériennes supérieures sont court-circuitées. L’humidification et le réchauffement des gaz inspirés sont alors totalement pris en charge par les voies aériennes intrathoraciques. Une ventilation avec des gaz froids et secs est responsable de plusieurs types de complications : une hypothermie par une augmentation des pertes d’énergie ; une perte d’eau ; des dégâts épithéliaux et de la fonction ciliaire ; des atélectasies ; une perturbation de la mécanique ventilatoire et des échanges gazeux (tableau I). À l’inverse, une ventilation avec des gaz inspirés trop chauds peut provoquer une hyperhydratation, des brûlures trachéales, et des atélectasies responsables d’hypoxie.

Tableau I. – Conséquences physiologiques et cliniques d’une ventilation avec des gaz trop chauds et humides ou trop froids et secs.
Problèmes associés à une ventilation avec des gaz froids et secs	Problèmes associés à une ventilation avec des gaz trop chauds et humides
- Désorganisation épithéliale - Augmentation de la viscosité des sécrétions bronchiques - Diminution du transport ciliaire - Diminution de la production de surfactant - Conséquences cliniques : - hypothermie - diminution de la compliance pulmonaire - atélectasies - désaturation artérielle en oxygène - augmentation du shunt intrapulmonaire	- Brûlures muqueuses - Modifications du surfactant - Désorganisation épithéliale - Conséquences cliniques : - hypothermie - augmentation des résistances pulmonaires - hyponatrémie - oedème et sténose trachéale - diminution de la compliance pulmonaire - atélectasies - désaturation artérielle en oxygène - augmentation du shunt intrapulmonaire

Techniques d’humidification et de réchauffement des gaz inspirés

L’humidité et la température d’un gaz sont interdépendantes. La température d’un gaz détermine son point de saturation en vapeur d’eau, l’hygrométrie absolue à saturation (Has). L’Has est la quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir un volume de gaz à une température donnée [17]. L’Has est exprimée en milligrammes d’eau par litre de gaz (mg/L). Cette valeur de Has est obtenue à partir de tables [19]. L’humidité absolue (Ha) est la quantité de vapeur d’eau que contient un gaz à une température donnée (mg/L).

L’humidité relative (Hr) est l’humidité d’un gaz exprimée en pourcentage de la quantité maximale de vapeur d’eau que peutcontenir ce gaz à une température donnée (Ha/Has). Les variations de température d’un gaz font varier son Hr (fig 2).

ÉCHANGEURS DE CHALEUR ET D’HUMIDITÉ (ECH)

L’ECH est placé entre la sonde endotrachéale et la pièce en Y du ventilateur (fig 3). Il doit être au-dessus de la sonde, de manière à ce que l’eau condensée et les sécrétions du patient, en se déposant dans le nez artificiel, n’augmentent pas la résistance à l’écoulement des gaz. Les aérosols ne peuvent être positionnés qu’entre le filtre et lasonde d’intubation. Le remplacement des ECH s’effectue à intervalles réguliers (cf infra), afin de limiter la pullulation bactérienne, de diminuer leur résistance aux gaz inspirés et de restaurer de meilleures capacités de conditionnement des gaz inspirés.

 Principe de fonctionnement des échangeurs de chaleur et d’humidité hydrophobes

L’ECH hydrophobe est constitué d’une membrane percée de pores.

Ces pores ont un diamètre approximatif de 0,2 μm. Les gaz et la vapeur d’eau peuvent passer à travers mais pas l’eau, sous forme liquide aux pressions habituellement utilisées lors de la ventilation mécanique. Les résistances inspiratoires ajoutées sont très faibles.

L’ECH hydrophobe fonctionne comme un nez humain (d’où l’appellation de « nez artificiel »), capturant la vapeur d’eau et l’énergie des gaz expirés et les restituant lors de l’inspiration suivante. L’air exhalé des poumons est à 37 °C et à 100 % d’Hr (Ha = 44mg H2O/L) (fig 4). En cas de refroidissement de l’air expiré, l’Has et donc l’Ha diminuent ; l’Hr reste à 100 %. La vapeur d’eau se transforme en eau de condensation sur les surfaces avoisinantes ou en très petites gouttes d’eau en suspension dans le gaz. L’air expiré atteint l’extrémité de la sonde d’intubation à une température d’environ 33 °C. Si l’humidité relative est toujours de 100 %, l’Ha en revanche n’est plus que de 36 mg/L. Il y a donc 8 mg d’H2O/L qui se sont condensés sur le trajet des voies naturelles et artificielles.

Quand l’air expiré atteint l’ECH, l’eau se dépose sur les surfaces du compartiment condenseur, ce qui libère la chaleur latente de vapeur d’eau. Cette énergie chauffe le nez artificiel. La température du gaz qui quitte le filtre est plus basse. Si le gaz expiré sort du filtre à 22 °C, l’humidité absolue de ce gaz est de 20 mg H2O/L. Il reste donc 16 mg de vapeur d’eau par litre de gaz dans l’ECH associés àla chaleur latente de vaporisation de l’eau. Plus la différence de température est importante entre les côtés patient et ventilateur du filtre, et plus la quantité de chaleur et d’humidité conservée est importante.

À l’inspiration suivante, l’ECH transmet la chaleur et l’humidité emmagasinées lors de l’expiration, c’est-à-dire 18 mg H2O/L. La sonde fournit de 4 à 5mg de vapeur d’H2O/L de gaz. Au total, l’ECH et la sonde trachéale fournissent environ 25 mg H2O/L de gaz. Le patient doit fournir, par son arbre bronchique, l’humidité et la chaleur complémentaires, pour arriver aux valeurs physiologiques alvéolaires de 44 mg de vapeur d’eau par litre de gaz pour une température de 37 °C.

Échangeurs de chaleur et d’humidité hygroscopiques

Au simple phénomène physique de l’ECH hydrophobe, est ajoutée une fixation chimique de l’eau (fig 4). La couche hygroscopique est constituée de laine ou de mousse, ou d’autres matériaux revêtus par du chlorure de calcium, de magnésium, d’aluminium ou de lithium, qui retiennent l’humidité. À l’expiration, une partie de l’eau se condense dans le compartiment condenseur, une autre partie est retenue dans le compartiment hygroscopique, et sera libérée passivement lors de l’inspiration suivante. La chaleur accumulée par l’ECH sert uniquement à réchauffer l’air, et non plus à vaporiser l’eau. La résistance de ce type d’ECH est faible, mais peut augmenter en cas d’excès de rétention d’eau.

HUMIDIFICATEURS À EAU FROIDE ET CHAUFFANTS

Il existe deux types d’humidificateurs à eau froide : les humidificateurs à léchage et les humidificateurs à bulles. Ces appareils ont été progressivement abandonnés, du fait de leurs faibles performances.

Les humidificateurs chauffants (HC) sont aujourd’hui considérés comme les humidificateurs de référence (fig 5). L’eau est fournie sous forme de vapeur. L’appareil permet de délivrer des gaz totalement saturés en vapeur d’eau. De nombreux systèmes ont un réservoir avec une source de chaleur immergée, d’autres emploient une source de chaleur adjacente ou une chambre de chauffage. L’HC est monté sur le circuit inspiratoire, juste à la sortie du ventilateur.

Les modèles les plus sophistiqués ont une résistance chauffante dans le circuit inspiratoire, jusqu’à la pièce en Y. Les gaz inspirés sont ainsi maintenus à température constante, afin de diminuer la condensation de vapeur d’eau sur les tuyaux du circuit inspiratoire.

Un thermomètre, situé au niveau de la pièce en Y, permet un contrôle de la température des gaz inspirés.

Le personnel infirmier prenant en charge ce type de matériel doit être correctement formé pour :

– surveiller les branchements électriques, les niveaux d’eau ;

– vérifier que les circuits sont correctement montés ;

– remplir le réservoir d’eau de manière aseptique.

L’HC avec une chambre d’humidification et un fil stérilisable est le plus économique. Il coûte environ 990 euros par an. Comme il n’estutilisé qu’environ 300 jours par an, son prix de revient est de 3,3 euros par jour [1]. Ce coût ne comprend pas l’investissement humain.

L’utilisation des HC comporte quelques inconvénients (tableau II).

L’absence de monitorage de la température inspiratoire expose le patient ventilé à un risque de brûlure trachéale ou d’hyperhydratation. D’autre part, une contamination bactérienne des circuits du ventilateur survient rapidement, ce qui peut donc exposer des patients à une infection nosocomiale. Le raccord annelé est la pièce la plus contaminée. Les circuits inspiratoire et expiratoire sont alors rapidement contaminés : 33 % à la deuxième heure, 64 % à la douzième heure et 80 % à la vingt-quatrième heure [9].

Tableau II. – Avantages et inconvénients respectifs des échangeurs de chaleur et d’humidité (ECH) et des humidificateurs chauffants (HC).
	Avantages	Inconvénients
ECH	Pas de risque électrique Pas de surhumidification Peut diminuer le risque infectieux Bon marché Pas de maintenance Simple d’utilisation	Adjonction d’une résistance Augmentation de l’espace mort - Risque d’occlusion en cas de sous- humidification
HC	Humidification adéquate  Bon contrôle de la température Souplesse d’utilisation Possibilité de réchauffement	Difficilement transportable Branchement électrique Risque d’électrocution Eau de condensation dans les circuits du ventilateur Monitorage de la température nécessaire Contamination bactérienne Surhumidification  Hyperthermie, brûlure Erreur de connexion  Maintenance Coût

AUTRES MÉTHODES DE CONDITIONNEMENT DES GAZ INSPIRÉS

Association d’un humidificateur actif (type Boostert) et d’un échangeur de chaleur et d’humidité

Le Boostert apporte un réchauffement et une humidification active complémentaires à ceux d’un ECH. Cet appareil est placé entre l’ECH et la sonde d’intubation (fig 6), le plus près possible de lasonde. Il est constitué d’un élément chauffant électrique en céramique. L’élément se visse tangentiellement à un tube en plastique à usage unique. Il comprend une entrée d’eau qui s’écoule sur une membrane en Gore-Text et une grille en aluminium.

L’élément chauffant vaporise l’eau sur la membrane. La vapeur passe au travers de la membrane, pour aller dans la lumière du tube où elle est mélangée avec les gaz inspirés du patient, déjà conditionnés par l’ECH. Le Boostertaugmente la température et l’humidité des gaz délivrés par l’ECH.

Nébuliseurs

Les nébuliseurs produisent de la vapeur d’eau à partir d’un brouillard de fines gouttes d’eau, à température ambiante.

L’humidification des gaz inspirés à partir de ces gouttes d’eau dépend principalement de l’Hr. Quand l’Hr est supérieure à 80 %, le taux d’évaporation à partir des fines gouttelettes d’eau diminue.

Seules les particules d’un diamètre compris entre 3 et 5 μm participent efficacement à l’humidification des gaz inspirés. Les gouttelettes d’eau inférieures à 1 μm peuvent atteindre les alvéoles.

Trois méthodes sont utilisées :

– le générateur centrifuge ;

– le nébuliseur ultrasonique ; un cristal piézoélectrique fait vibrer une plaque de métal à de très hautes fréquences, qui produit un brouillard ; la taille des particules est comprise entre 2,8 et 4,3 μm ;

– l’effet Bernouilli ; un jet de gaz est directement dirigé vers l’extrémité d’un tube capillaire et nébulise l’eau aspirée par effet Bernouilli ; la taille des particules est comprise entre 0,5 et 3 μm.

Les fines gouttes d’eau, qui sont à température ambiante, peuvent provoquer un refroidissement des voies aériennes. D’autre part, le nébuliseur augmente le volume de sécrétion bronchique et peut provoquer une hyperhydratation chez l’enfant. Les résistances pulmonaires sont augmentées chez les sujets atteints d’une bronchopneumopathie chronique obstructive lors de l’utilisation de nébuliseurs [5]. Enfin, les aérosols peuvent être colonisés, véhiculer des bactéries, et ainsi favoriser l’émergence d’une pneumopathie nosocomiale [9].

Circuits fermés

Le conditionnement des gaz inspirés par un circuit fermé avec un débit de gaz frais de 0,5 L·min-1 est comparable à celui obtenu avec un HC. La période d’équilibre est atteinte beaucoup plus tardivement avec le circuit fermé, jamais en moins de 1 heure [3]. Le refroidissement des gaz dans le circuit du ventilateur diminue cependant le niveau d’humidification.

PARAMÈTRES MESURÉS, CALCULÉS ET MODALITÉS DE SURVEILLANCE

Il est actuellement impossible de déterminer la température et l’humidité minimales requises pour préserver l’intégrité fonctionnelle des voies aériennes et des poumons. Il s’agit d’une variable qui dépend de nombreux paramètres, comme la température et l’humidité des gaz inspirés, le volume courant, la ventilation par minute, la température du patient, le débit sanguin trachéal et bronchique [2]. Ce que l’on peut retenir, c’est qu’une ventilation calme chez un adulte normotherme de 70 kg avec des gaz inspirés à une température de 33 °C mesurés à la pièce en Y et une Ha supérieure à 30 mg H2O/L n’est pas délétère.

Il n’existe actuellement aucune méthode de routine pour mesurer en continu la température trachéale, l’Hr ou l’Ha moyennes inspiratoires. Si les sécrétions deviennent épaisses, il faut adapter le volume et la fréquence des instillations. Une modification de la fluidité des sécrétions bronchiques, une augmentation des pressions trachéales de crête ou un aplatissement des courbes pression volume sont autant d’éléments en faveur d’un conditionnement incorrect des gaz inspirés.