CO2 et Capnographie

F. SztarkPôle d’Anesthésie Réanimation

CHU de Bordeaux

DESAR– Janvier 2013

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Dioxyde de carbone

• Synonymes– gaz carbonique

– Anhydride carbonique

• Formule brute : CO2

• Masse molaire : 44 g/mol

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Propriétés du gaz carbonique

• gaz incolore, inodore, à la saveur piquante.

• présent dans l'atmosphère dans une proportion approximativement égale à 0,04 % en volume

• Il est produit notamment lors de la fermentation aérobie ou de la combustion de composés organiques, et lors de la respiration des êtres vivants.

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Un des gaz à effet de serre

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Unités de mesure et symboles

• vol% • 1 kPa = 7,5 mmHg• 1 mmHg = 0,13 kPa

• FICO2 : conc. fractionnelle de CO2 dans le mélange inspiré (vol %)

• FETCO2 : conc. fractionnelle télé-expiratoire de CO2 (vol %)

• PETCO2 : pression télé-expiratoire en CO2 mmHg (kPa)

• PACO2 : pression partielle alvéolaire en CO2 mmHg (kPa)

• PaCO2 : pression partielle artérielle en CO2 mmHg (kPa)

• PvCO2 : pression partielle veineuse en CO2 mmHg (kPa)

• PtcCO2 : pression transcutanée en CO2 mmHg (kPa)

• VCO2 : production de CO2 par minute (STPD) mL/min

• PCO2 = FCO2 • (PB - 47 mmHg)

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Métabolisme du CO2

• Production cellulaire

• Transport vers les poumons

• Elimination par la ventilation

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Production et élimination du CO2

CO2 PvCO2 PaCO2

PACO2

PetCO2

[46 mmHg][45 mmHg] [40 mmHg]

200 L/j

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Le Métabolisme Mitochondrial

• Production de CO2

• Consommation d’O2

• Synthèse d’ATP : source principale d’énergie pour la cellule

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Quotient respiratoire

• La production de CO2 est parallèle à la consommation d’oxygène en fonction du quotient respiratoire (R) :

• R = le rapport entre la production de CO2 et la consommation d' O2. Il est déterminé par le métabolisme des tissus, et généralement compris entre 0,7 et 1,0.

R = 0,8 : 80 % de CO2 est produit pour 100 % de consommation d’O2.

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Transport du CO2

• Forme dissoute : (<10%)– le CO2 est très soluble (20 fois plus soluble que l'O2).

• Forme liée aux protéines, surtout l‘hémoglobine : (<10%)– Formation de composés carbaminés : R-NH2 + CO2 <---> R-NH-COOH – Pour l’hémoglogine, la forme liée à Hb = carbaminoHb ou carbHb

(différent de carboxyHb=HbCO)

– d'autant plus facile que Hb est peu saturée => transport du CO2 est facilité des tissus vers les poumons, élimination facile après car CO2 très diffusible

Au niveau périphérique, l’oxygène diffuse vers les tissus, et l’hémoglobine se trouve sous forme réduite, ce qui facilite la fixation du CO2 ; au niveau pulmonaire, la captation d’O2 facilite la libération de CO2 (effet Haldane).

• Forme hydratée ou bicarbonatée (>80%) : CO2 + H2O ⇔ H2CO3 ⇔ H+ + HCO3-

– forme importante de transport – Equilibre acidobasique

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Transport du CO2

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Diagramme de Davenport

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Rapports ventilation / perfusion

Shunt Espace mort

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• Capnométrie : mesure du CO2

• Capnographie : représentation graphique de la [CO2] dans les gaz respiratoires en fonction du temps ou du volume

• Capnogramme : tracé graphique de l’évolution du CO2 au cours d’un cycle respiratoire

Définitions

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Principes de mesure du CO2

• Spectrométrie de masseSéparation des différents composés d’un gaz selon leur PM et leurs chargesMéthode de référence

• Spectrographie Raman Analyse spectrale après absorption d’un rayon laser argon monochromatique

• Méthode colorimétriqueRévélateur sensible au pH

• Spectrométrie à infrarougeTechnique la plus employée en clinique

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Méthode colorimétrique

• Echelle à 3 couleurs : – Violet : EtCO2 <0.5%

– Marron EtCO2 0.5 - 2%

– Jaune : EtCO2 >4%

• Normalement : sujet intubé dans la trachée et hors ACR : coloration jaune du capteur

• Équipement limité à la vérification de l’intubation endotrachéale

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Capnomètre à infrarouge

•Principe (loi de Lamber-Beer) : It = Io . e-kpl

•Précision : ± 0,2% pour 5% (± 2 mmHg pour 40 mmHg)

La présence d'O2 ou de N2O fausse la mesuredu CO2, mais les dispositifs actuels corrigent automatiquement cet effet.

Io : intensité du rayonnement infrarougeIt : intensité de la lumière transmisel : longueur de la cellulep : pression partielle du gaz

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Les différents systèmes de mesure

Aspiratifs (side stream) Non aspiratifs (main stream)

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Système aspiratif

• Brancher le capillaire d’aspiration le plus près possible du patient pour limiter les effets de l’espace mort du circuit.

• En pratique sur le filtre

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Avantages/inconvénients

Délai de réponse

Analyse multi-gaz

Fuites ou obstruction

Fragilité de la cellule

Aspiratifs Non aspiratifs(side stream) (main stream)

1-3 s

Oui

Oui

Non

100 ms

Non

Non

Oui

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Capnogramme du poumon idéal

FCO2

VDs

VDs

VA

VA

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Le capnogramme normal

I E

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Différents modes de représentation

• En fonction du temps

Sous forme de tendance ( à faible vitesse défilement)

Phase I : début de l’expiration Phase II : mélange des gazde l’espace mort et des alvéolesPhase III : plateau alvéolaire (gaz provenant des alvéoles)Phase 0 : Inspiration. La PetCO2 correspond à la valeur de PCO2 àla fin de l’expiration

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Différents modes de représentation

• En fonction du volume expiré(SBT-CO2)– Détermination de la quantité de CO2 expirée par cycle

(VCO2)

– Détermination de l’efficacité de la ventilation (mesure de l’espace mort)

FaCO2

FetCO2

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Paramètres mesurés

Concentration fractionnelle et pression partielle de CO2

PCO2 = FCO2 • (PB - 47 mmHg)

FetCO2 à la fin du plateau alvéolaire

= 4,8 - 5,3 % soit PetCO2 = 34 – 38 mmHg

Importance du monitorage de la capnographie en

anesthésie

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Role of monitoring devices in prevention ofanesthetic mishaps: A closed claims analysis

• Examen de 1175 dossiers

• Dans 31,5% des cas (37% pour AG uniquement), prévention possible par un monitorage supplémentaire,(60% pour les décès et les lésions cérébrales)

• L’utilisation d’un oxymètre et d’un capnomètre aurait pu prévenir 93% de ces accidents

Tinker et al. Anesthesiology 1989; 71: 541-6

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The australian incident monitoring study. Which monitor? An analysis of 2000 incident reports

Examen de 1256 (63 %) dossiers concernés

Dans 52 % des incidents, détection initiale par le monitorage (oxymétrie et capnographie dans plus de la moitié des cas)

L’oxymétrie de pouls aurait pu détecter 82 % des accidents La capnographie : 55 %Les deux : 88 %

Webb et al. Anaesth Intensive Care 1993; 21: 529-42

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Adverse anesthetic outcomes arising from gas delivery equipment: A closed claims analysis

• Examen de 3791 dossiers

• Appareil d’anesthésie en cause dans 72 dossiers (2%)(décès ou lésions cérébrales définitives dans 76%)

• Mauvaise utilisation du matériel : 75%Défaillance du matériel : 25%

• 78% des accidents auraient pu être prévenus par l’emploi ou une meilleure utilisation du monitorage (oxymètre et capnomètre dans 53%)

Caplan et al. Anesthesiology 1997; 87: 741-8

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Utilisation du capnographe

• Recommandations de la SFAR concernant la surveillance des patients en cours d’anesthésie

• Décret n° 94-1050 du 5 décembre 1994 :

“les moyens mentionnés .... doivent permettred’assurer pour chaque patient ... le contrôle continudes pressions, débits ventilatoires ainsi que laconcentration en CO2 expiré, lorsque le patient estintubé.”

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Utilisation du capnographe

• 1998, update of the ASA "Standards for Basic Anesthetic Monitoring" :

– Standard for "every patient receiving general anesthesia"

– Continual monitoring for the presence of expired carbon dioxide

– Identification of expired CO2 to verify correct positioning of an endotracheal tube or laryngeal mask

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Interprétation de la capnographie

1. Identification de CO2 expiré

2. Reconnaissance et analyse de :

- La ligne de base inspiratoire (réinhalation, ...)

- La montée expiratoire (pente, durée, ...)

- Le plateau alvéolaire (pente, oscillations, encoche ...)

- La descente inspiratoire (pente, durée...)

3. Valeurs de la PetCO2 et de PICO2

4. Mesure du gradient entre PaCO2 et PetCO2

5. Identifier les causes d’une hypo- ou hypercapnie

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Modifications de la forme

Bronchospasme

Décurarisation

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• F : fuites autour de la sonde au niveau de la ligne de prélèvement. Toute fuite dans le circuit se traduit par un abaissement de la P ETCO2 avec des encoches, diminution des pentes, etc. Ces anomalies sont provoquées par l’aspiration de gaz frais (sans CO2).

• G : oscillations cardiogéniques. Lorsque la fréquence respiratoire est basse, des oscillations cardiogéniques peuvent quelquefois être observées sur la pente descendante du capnogramme. Ces oscillations sont le reflet des battements cardiaques contre le diaphragme, induisant un flot discontinu de gaz.

• H : valves inspiratoires défectueuses entraînant une réinhalation partielle et aléatoire de CO2.

Modifications de la forme

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Utilisation en anesthésie-réanimation

• Estimation de PaCO2 à partir de PetCO2

• Variations brutales de la PetCO2 en

peropératoire (situations critiques)

• Réanimation cardiorespiratoire

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Estimation de PaCO2 à partir de PetCO2

• [a-et]DCO2 = 2 - 5 mmHg chez le sujet sain (VD)

si seulement PetCO2 PACO2 (pente du plateau alvéolaire ?)

• Augmentation de [a-et]DCO2 (20-25 mmHg) :

- anomalie du rapport ventilation-perfusion

(embolie, hypovolémie, décubitus latéral …)

- modes ventilatoires (jet ventilation HF)

- défaut d’échantillonage (fuite, erreur de

calibration …)

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Variations du gradient [a-et]DCO2

Augmentation Maintien Diminution0

20

40

60

80

100

NeuroanesthésieNeuroréanimationTraumatologie

Bilan de 3 publications du même auteur – 432 déterminations(Wahba et al. Can J Anaesth 1996; 43: 862-6)

PetCO2 varie dans le même sens que PaCO2 dans 60-80% des cas

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Variations du gradient [a-et]DCO2

• En neurochirurgie (Grenier et al. Anesth Analg 1999; 88:

43-8), 624 mesures simultanées : gradient moyen = 6 ± 4 mmHg. Variations en sens opposé entre 2 mesures successives dans 26 % des cas.

• Au cours de la laparoscopie (Bures et al. Acta

Anaesthesiol Scand 1996; 40: 566-73), augmentation de PetCO2 et de PaCO2 expliquée par la charge en CO2 exogène ; [a-et]DCO2 diminue ou s’inverse chez 8/15 patients.

Nécessité de mesurer régulièrement PaCO2

pendant les interventions de longue durée ou lorsqu’un contrôle précis de la ventilation est nécessaire.

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Variations brutales de PetCO2

Les déterminants du CO2 expiré :– Production cellulaire de CO2

– Transport vers la circulation pulmonaire

– Elimination par la ventilation

PACO2 = PB • (FICO2 + VCO2 / VA)°°

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Variations brutales de PetCO2

• Variation de PACO2 :

- Production de CO2- Ventilation alvéolaire = FR •(Vt-Vd)- FICO2

• Augmentation de [a-et]DCO2

- Diminution perfusion pulmonaire- Ventilation sélective

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Variations brutales de PetCO2

En pratique : 3 situations absence de capnogramme diminution de PetCO2

augmentation de PetCO2

Interprétation en fonction de : la forme du capnogramme de la spirométrie et des pressions

ventilatoires de la PaCO2

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Absence de capnogramme – PetCO2 = 0

• Intubation œsophagienne• Arrêt cardiaque • Déconnexion du circuit ( spirométrie = 0)• Bronchospasme, obstruction• Panne du capnomètre

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Intubation œsophagienne

Sensibilité 93% - Spécificité 97%Li J. J Emerg Med 2001;20:223–9.

Faux positifs : - Consommation d’agents produisant du CO2 (boisson carbonatée, antiacides ...)

- Insufflation au masque de l'estomac avec un gaz contenant du CO2

- Sonde d'intubation recouvrant partiellement la glotte sans la franchir

Faux négatifs :- Arrêt cardiaque

- Bronchospasme sévère

- Dysfonctionnement du matériel

- Obstruction du tube (pression cricoïdienne, ...)

- Fuite importante autour de la sonde

CO2 (mmHg)

20

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Diminution brutale de PetCO2

• Baisse du débit cardiaque :- Hypovolémie- Pneumothorax compressif- Clampage cave …

• Embolie Pulmonaire (gazeuse, cruorique …)

• Ventilation sélective(mais possible capno normalou aspect biphasique)

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Augmentation brutale de PetCO2

• Hyperthermie maligne (PetCO2 > 45 mmHg)• Réabsorption de CO2 (cœliochirurgie) • Réinhalation de CO2

• Augmentation du débit cardiaque• Garrot, bicarbonates• Fuites sur le circuit d’anesthésie

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Réanimation cardiorespiratoire

Variation de PetCO2 comme le débit sanguin pulmonaire

Hypoperfusion :

Réduction du CO2 délivré au niveau pulmonaire

Augmentation de l'espace mort alvéolaire

Absence de relation entre PetCO2 et PaCO2

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EtCO2 as a non invasive indicator of CI during circulatory shock

Index cardiaque (mL/min/kg)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Pe

tCO

2 (m

mH

g)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

r2 = 0,7

(Crit Care Med 2000 ; 29 : 2415-9)

Choc hémorragique, septique et cardiogénique chez le porc.

Mesure du débit cardiaque par thermodilution

Bonne corrélation entre PetCO2 et DC (r2 = 0,65 à 0,81)

Choc hémorragique

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Apport de la capnographie dans la RCR

• Optimisation du massage cardiaque

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Apport de la capnographie dans la RCR

Valeur pronostique

- PetCO2 < 10 mmHg après 20 min de RCR : échec 100%(Levine et al. N Engl J Med 1997; 337: 301-6)

- Valeur maximale de PetCO2 pendant les 20 premièresminutes de RCR : seuil à 10 mmHg (Cantineau et al. Crit Care

Med 1996; 24: 791-6)

- Valeur initiale 1 à 2 min après le début de RCR :seuil à 15 mmHg (VPP et VPN 91%) (Callaham et al. Crit

Care Med 1990; 18: 7358-62)

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Applications nouvelles

• Diagnostic de l’embolie pulmonaire

• Evaluation du bronchospasme

• Mesure non invasive du débit cardiaque

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Capnographie et embolie pulmonaire

• Augmentation du gradient [a-et]DCO2

peu fiable

• Augmentation du rapport VD/VT

EP : VD/VT > 0,3 avec Se 100% et Sp 94% (Am Rev Respir Dis 1986; 133: 679-85)

Estimation du rapport VD/VT par l’équation de Bohr modifiée : VD/VT = (PaCO2 – PetCO2) / PaCO2

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Capnographie et embolie pulmonaire

• Mesure de l’aire sous le capnogramme (Kline et al. Ann Emerg Med 1998; 32: 289-96)

• Patients avec EP (n =19) aire = 28 ± 10 mmHg.s

• Patients sans EP (n=120)aire = 53 ± 17 mmHg.s

• Avec un seuil à 25 mmHg.s Sp = 97% (Se = 47%)

Temps (s)Temps (s)

PC

OP

CO

22(( m

mH

gm

mH

g ))

Aire en Aire en mmHg.smmHg.s

Temps (s)Temps (s)

PC

OP

CO

22(( m

mH

gm

mH

g ))

Aire en Aire en mmHg.smmHg.s

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Bronchospasme

• Aspect en fer de lance lors d’un bronchospasme

• Quantification possible en mesurant la pente du plateau alvéolaire dPCO2/dt

• Mesure bien corrélée avec le DEP et indépendante de l’effort chez l’asthmatique (Yaron et al. Ann Emerg Med 1996; 28: 403-7)

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Mesure non invasive du débit cardiaque

• Equation directe de Fick appliquée au CO2 :QC = VCO2/(CvCO2 – CaCO2)

• Réinhalation partielle du CO2 et utilisation de la version différentielle de l'équation de Fick :

QC = VCO2/(CvCO2 – CaCO2)= VCO2/S•PetCO2

(S = pente de la courbe de dissociation du CO2)

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Système NICO (Novametrix)

Variation automatique de l'espace mort toutes les 3 à 4 min pendant 50 s à l'aide d'une valve et d'une boucle de réinhalation.

Calcul du débit cardiaque total en rajoutant au débit capillaire pulmonaire mesuré, la fraction de shunt estimée par SpO2 et FIO2

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Comparaison avec la thermodilution

Kuck et al. Anesthesiology 1998; 89(3A): A542r = 0,9Biais = 0,02 L/min [-1,4-1,5]

Van Heerden et al. Anaesth Intensive Care 2000;28:427-30Mesures en TD significativement plus élevéesDiminution de la corrélation pour les DC > 7 L.min-1

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Autres domaines d’application

• Monitorage respiratoire au cours de la sédation

• Chez le patient en ventilation spontanée

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Autres domaines d’application

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Conclusion

• Monitorage essentiel (et obligatoire) en anesthésie• A utiliser dès la préoxygénation du patient jusqu’au réveil• Détection précoce des incidents critiques : déconnexion

du circuit, arrêt cardiaque, hyperthermie maligne, embolie pulmonaire

• Interprétation des variations de PetCO2 en fonction des modifications de la forme du capnographe et de ses 3 déterminants :

- production métabolique de CO2- transport vers les poumons par la circulation- élimination par la ventilation.