La CEC est une technique qui consiste à remplacer mécaniquement et temporairement l'ensemble coeur-poumon lors d'un opération cardiaque notamment à coeur ouvert. La machine de remplacement est constituée d'un oxygénateur remplaçant le poumon est une pompe pour le ventricule gauche, L'intérêt d'une telle machine est de permettre la correction de certaines lésions cardiaques qui nécessitent un champ opératoire exsangue et immobile sans avoir un temps limité avant la mort ou l'apparition de lésion chez le patient.
Dès son arrivée dans l'oreillette droite (ou dans les veines caves), le sang veineux est dirigé vers l'oxygénateur par la gravité. C'est à ce niveau que s'effectuent les échanges gazeux nécessaires à la vie humaine (Dioxygène et Dioxyde de Carbone) lui donnant, après son passage, une composition gazeuse équivalente à un passage dans les poumons. Le sang est alors réinjecté dans le corps par une pompe au niveau de l'artère fémorale ou au niveau de l'aorte ascendante. Le circuit d'une circulation extra corporelle nécessite également deux autres éléments : un échangeur thermique, permettant de faire varier la température corporelle pour plonger ou sortir le patient d'hypothermie, et des lignes d'aspirations, pour récupérer le sang dans les cavités cardiaques et le réinjecter dans le circuit artérielle. Tout ces composants sont réunis sont par des tuyaux de PVC.
Les oxygénateurs assurent l'hématose dans la circulation extra corporelle. Leurs performances techniques sont excellentes et ils permettent de remplacer parfaitement l'échange gazeux pulmonaire. Il en existe aujourd'hui deux types différents : les oxygénateurs à bulle et les oxygénateurs à membrane.
Les oxygénateurs à bulle ( appelés aussi « bulleurs ») : ils sont constitués d'un récipient recevant par gravité le sang veineux du patient (donc riche en dioxyde de carbone), dans lequel on fait arriver un mélange d'oxygène (97%) et de dioxyde de carbone (3%), sous forme de micro-bulles gazeuses qui entre directement en contact avec le sang. Chacune des bulles se comportent comme une alvéole pulmonaire. Le mélange entre les gaz et le sang se produit sous forme d'écume, ce qui rend nécessaire un débullage à la sortie de l'oxygénateur par un système de filtre. Ce système est tellement efficace qu'il faut éviter un excès d'efficacité à cause de la toxicité cellulaire de l'oxygène. Malgré cette grande efficacité, des inconvénients existent: certaines micro-bulles ne sont pas éliminées par le filtre et sont responsables d'embolies artérielles systémiques. De plus, on remarque un traumatisme des éléments figurés du sang causé par l'agression mécanique du bullage : on observe ainsi des lyses de globules rouges, des agrégations des plaquettes et des marginalisation des globules blancs.
Les oxygénateurs à membrane : le contact sang-milieu gazeux s'effectue par l'intermédiaire d'une membrane semi-perméable. Le sang circule dans un canal formé de deux membranes de part et d'autre desquelles est envoyé le mélange gazeux. Cette membrane (généralement en Téflon) est micro-poreuse. En effet, elle est perméable au gaz mais imperméable aux éléments constituants le sang. Les échanges gazeux au niveau de la membrane sont influencés par la pression artérielle, le pH et la température mais également par la surface d'échange. Les avantages de ces oxygénateurs sont : une absence de traumatisme sanguin (il n'y a pas de bullage) ainsi qu'une absence de risque d'embolie gazeuse et de désamorçage du circuit. De plus son prix est plus élevé que celui d'un bulleur, ce n'est pas négligeable lorsque que l'on sait qu'un poumon artificiel et toute sa tubulure en PVC sont à usage unique (600 euros environ).
La pompe artérielle remplace le ventricule gauche et doit assurer un débit et une pression sanguine analogue au coeur, ce qui dépend de la surface corporelle du parient. La pompe doit être capable de variations car elle doit soit remplacer complètement le coeur soit l'assister en fin de circulation extra corporelle.
Il existe plusieurs types de pompes : les pompes péristaltiques à galets, péristaltiques à stator et centrifuges.
Les pompes à galets comportent un élément fixe appelé stator dans lequel tourne un axe horizontal qui comporte à chacune de ses extrémités un galet pouvant tourner sur son propre axe. La ligne artérielle passe entre le stator et l'axe (aussi appelé rotor) où elle se fait écraser par les galets. Le débit est ainsi en relation avec la vitesse de rotation. Ce type de pompe a un grand avantage : sa simplicité ce qui le rend très fiable mais il a de nombreux défauts comme le traumatisme des éléments du sang à cause de l'écrasement des galets, la réalisation d'un débit continu par opposition au cycle systole-diastole du coeur ainsi qu'une indépendance vis à vis des résistances périphériques en aval et du réservoir en amont ce qui peut entraîner un désamorçage du circuit si le débit de la pompe est mal adapté. C'est à cause de ces défauts que d'autres systèmes de pompes ont été cherchés.
Les pompes péristaltiques à étirement sont basés sur l'étirement de la tubulure ce qui diminue les traumatismes par rapport à la pompe à galet. Malheureusement, le manque de politique commerciale n'a pas permis son développement.
Les pompes centrifuges sont constituées d'un cône dont la base est animé d'un mouvement de rotation rapide ce qui engendre une aspiration centrale du sang. Cette pompe entraîne peu de traumatisme sanguin, de plus elle permet d'adapter son débit ce qui empêche les désamorçage.
Pour les circulations extra corporelles conventionnelles, donc de durée limitée (moins de 3 heures) la pompe à galet est le plus souvent utilisée.
L'échangeur thermique permet de faire varier la température du sang lorsqu'il passe dans le circuit extra corporelle ce qui permet de faire varier la température du patient en profondeur.
En effet au début d'une opération, il est nécessaire de placer le patient en hypothermie modérée (autour de 30°C) ou profonde (autour de 18°C) puis de le ramener à une température normale (37°C) en fin d'opération. Au début de la chirurgie cardiaque, l'hypothermie générale de l'organisme était obtenue en immergeant le patient dans une baignoire d'eau glacée, ce qui faisait un refroidissement progressif, la peau étant plus vite refroidit que les organes internes. En utilisant le sang, on peut alors obtenir une réfrigération homogène de l'organisme.
Le principe d'un échangeur thermique est de mettre en contact à travers une paroi imperméable du sang et de l'eau à la température voulue.
La mise en hypothermie et le réchauffement du corps du patient ne doit pas être trop rapide. En effet, une trop grande et trop rapide variation de température peut endommager les cellules. Cet aspect doit être d'autant plus surveiller lors d'une hypothermie profonde.
Le circuit dispose également de deux aspirateurs, activés par la pompe, qui permettent d'aspirer le sang épanché dans les cavités cardiaques pour le réinjecter dans le circuit artificiel. Le sang aspiré est stocké dans un réservoir pour minimiser les risques de désamorçage. Il sert également aux prélèvements sanguins ainsi qu'aux injections de médicaments. Ce système de récupération sanguine permet de plus à la chirurgie cardiaque d'être peu consommatrice en sang.
Une fois l'ouverture chirurgicale réalisée, la voie veineuse est connectée à l'oreillette droite et la ligne artérielle à l'aorte ascendante (ou à l'aorte fémorale le cas échéant). Après la connexion, l'acte se déroule en trois phases :
La phase de début : la ligne veineuse vidange le retour sanguin. L'hémodynamique est alors assurée en partie par le ventricule gauche qui se contracte encore.
La phase d'état : phase durant laquelle le débit est assuré en totalité par le coeur-poumon artificiel. La ventilation pulmonaire est arrêtée.
Pendant cette phase, il y a un double objectif. Tout d'abord, le chirurgien doit effectuer la réparation et protéger le myocarde de l'ischémie. Il faut également veiller à une bonne perfusion des organes. Pour une correction chirurgicale optimale, il faut un champ opératoire à la fois exsangue et immobile. Cela pose un problème: la conservation du myocarde pour éviter sa mise en ischémie. En contrôlant le bon fonctionnement de la CEC, on peut assuré une bonne perfusion des organes périphériques pour supprimer les zones exclues de la circulation, ce qui peut générer des métabolismes anaérobies avec acidose. De plus, l'effet vasomoteur des médicaments utilisés lors de l'anesthésie.
La phase finale : Lorsque l'opération chirurgical est terminée, le coeur est à nouveau rempli par le sang une fois ses cavités vidées de l'air. L'activité électrique rétablie soit normalement au cours du réchauffement, soit par un choc électrique au niveau du ventricule. On rétablit également un rythme électrique sinusal car les contractions du ventricule gauche sont inefficaces durant quelques minutes à cause de la vacuité des cavités. Après le réchauffement de l'organisme, on clampe progressivement la ligne veineuse permettant ainsi le retour veineux sanguin. Cela peut ainsi causer des accidents systolo-diastoliques. Si il n'y a aucun problème, la CEC est arrêté et le coeur assure de nouveau entièrement l'irrigation du corps. Pour vérifier le bon déroulement de cette phase, on utilise une sonde permettant de connaître les pressions de remplissage et le débit cardiaque ce qui permet un sevrage idéal. En cas de problème, l'assistance circulatoire est prolongée et des médicaments inotropes et vasopresseurs sont utilisés.
Après la déconnexion du circuit artificiel, la fermeture du foyer opératoire marque la fin de l'intervention chirurgicale.
Au début de la CEC, que le patient soit sous hypothermie modérée ou non, les résistances vasculaires systémiques chutent de manière brutale. Puis, elles redeviennent peu à peu normales voir légèrement supérieur. Cette vasomotricité s'explique par une sécrétion de catécholamines puisque l'on a que la CEC engendrait une sécrétion importante d'adrénaline.
La cause de cette sécrétion est l'état de choc expérimental que constitue ce type d'intervention. De plus le sang ne passant plus par les poumons, lieu où la noradrénaline est normalement inactivée, l'effet est aggravé.
Dans le cas contraire, lors d’une hypothermie profonde, les résistances vasculaires chutent. Dans les deux cas, des médicaments peuvent être utilisé pour vasodilater ou remonter les résistances vasculaires du patient.
Lors de l’opération, le volume de liquide extracellulaire est augmenté bien que le volume plasmatique soit plutôt diminué. Cette augmentation du volume hydrique est proportionnelle à la durée de la CEC, de plus elle est augmentée par l’hémodilution. En effet, le circuit artificiel est rempli par un soluté isotonique.
La rhéologie est améliorée notamment au niveau des micro-circulations. Cette inflation est responsable d'oedèmes au niveau des organes qui ont un effet néfaste sur les poumons, le cœur et le cerveau surtout lors de CEC très longue.
Au cours d'une CEC, le sang subit plusieurs traumatismes tels que des forces de torsion ou de compression, des contacts avec des zones en PVC ainsi que les traumatismes causées par des bulles aériennes. Tout ces traumatismes peuvent engendrer des lyses des globules rouges, une agrégation des plaquettes ou encore une marginalisation des leucocytes et une perturbation des facteurs de coagulation. Ces aspects négatifs de la CEC sont tous proportionnels à la durée.
La préservation du muscle cardiaque est fondamentale lors d'une CEC afin de permettre une reprise normale de la fonction hémodynamique à la fin de l'intervention chirurgical. La préservation du myocarde est permise par la connaissance du métabolisme des cellules cardiaques ainsi que ses modifications lors de l'ischémie.
Les cellules du myocarde utilisent plusieurs carburants : la première source est les lipides (60%) dont les acides gras se transforment en acétate (cette molécule donne beaucoup d'ATP, la molécule qui fournit l'énergie chez les êtres vivants). Ensuite vient le glucose, mais il donne moins d'énergie que les acides gras, puis les acides aminés, bien que leur apport soit mineur. Le corps a besoin d'oxygène pour utiliser l'énergie sous forme d'ATP.
Lorsque l'oxygène est absent, comme en cas d'ischémie, la voie d'Embden-Meyerhof est alors utilisée. Le problème est qu'elle produit très peu d'énergie, de plus les catabolites peuvent s'accumuler dans la cellule.
Pour protéger le myocarde, et comme l'apport en oxygène n'est pas possible, il faut donc diminuer les besoins en oxygène des cellules d'autant plus que l'énergie nécessaire pour maintenir en vie les cellules est très faible.
Il existe alors deux situations :
Sans clampage aortique. Le coeur est alors perfusé par les coronaires et le métabolisme s'effectue sans problème. Cette solution n'est pourtant pas exempte d'inconvénients : lors de l'ouverture des cavités, on risque l'embolie gazeuse, cela fait une hémorragie sur le champ opératoire et la mobilité gène l'acte chirurgical. Certains problèmes peuvent néanmoins être supprimés par l'induction d'une fibrillation électrique au niveau du massif ventriculaire. La mobilité est moins gênante et il n'y a plus de risque d'embolie gazeuse. Pourtant le champ opératoire n'est pas exsangue. De plus le myocarde consomme plus de dioxygène en fibrillation que lorsque le coeur bat. Cette technique est donc réservée à des CEC courtes et ne nécessitant pas un champ opératoire sec.
Avec clampage aortique. Le clamp est placé au-dessus des sigmoïdes aortiques et permet d'exclure le coeur de la perfusion assurée par la CEC. Cela permet ainsi d'avoir un coeur immobile et exsangue mais le myocarde n'est plus vascularisé, il entre donc en ischémie et risque d'aboutir à la mort cellulaire si cette situation dure. A la suite d'une étude réalisée sur un sujet canin, on a découvert que la consommation du myocarde en oxygène était divisé par 10 lorsque le coeur était arrêté et encore par 3 lorsqu'il était arrêté à 8°C plutôt qu'à la température naturelle du corps. De cette manière, on peut arrêter le coeur du patient à l'aide d'une solution hyperkaliémique (très riche en potassium) à différentes températures (8°C, 29°C ou 37°C). Lorsque la température est tiède ou chaude on ne bénéficie peu voire pas de la protection dû à l'hypothermie mais si l'on fait des réinjections, on peut régénérer les stocks énergétiques aérobiques.
Les effets de l'hyperkaliémie : la cellule du myocarde a une activité basée sur une concentration cellulaire importante en potassium et extracellulaire en sodium. Si le milieu extracellulaire est saturé en potassium, la concentration alors égalisée des deux côtés de la membrane aboutira à l'inactivation de la cellule myocardique.
Ainsi, en pratique, lorsque l'on injecte une solution hyperkaliémique, on observe très vite une fibrillation ventriculaire puis un arrêt total en diastole. On peut donc se rendre compte du danger des injections en potassium car une trop grande vitesse peut aboutir à un arrêt cardiaque.
L'hypothermie générale : elle fut utilisée lorsque l'on ne connaissait pas encore l'hypothermie myocardique profonde. Elle était habituellement provoquée par une immersion dans un bain d'eau glacée. Aujourd'hui elle est provoquée par une injection de sang injecté par la CEC ce qui la rend plus rapide et plus homogène. En abaissant la température de l'organisme, on ne diminue pas seulement la consommation en oxygène du coeur mais aussi de l'ensemble des organes ce qui est intéressant étant donné que la CEC ne permet pas une bonne perfusion au niveau des capillaires. Cette mauvaise perfusion capillaire s'explique par deux raisons : certains territoires sont exclus en raison de la vasoconstriction et la CEC a un débit continu par opposition au début régulé par le rythme systole-diastole du coeur.
Cette hypothermie générale est utilisée soit de manière modérée (entre 28 et 30°C) lors de CEC inférieur à 3 heures (et avec un clampage aortique qui dure environ une heure) soit de manière profonde (inférieur à 18°C). Cette hypothermie profonde permet un arrêt complet du coeur mais aussi de la CEC durant presque une heure.
La cardioplégie hypothermique et potassique est le plus grand apport technique de la chirurgie cardiaque, dans les années 80, et est aussi important que la mise au point de la circulation artificielle. Durant les années 90, la cardioplégie au sang chaud, tiède ou froid fut un grand apport.
Bien que ces assistances circulatoires soient différentes, elles ont toutes pour but commun de permettre à l'individu qui en bénéficie de survivre ou de vivre avec une meilleure qualité de vie que ce soit directement ou indirectement avec la circulation extra corporelle qui permet de réaliser des opérations à coeur ouvert durant plusieurs heures sans problèmes.
Ce TPE a été fait par LAGLENNE Agathe, TOGHRAI Marianne et ZANOTTI Benoît
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