Introduction
Bien que la technologie du masque à gaz puisse apparaître simple, plusieurs auteurs ont rapporté un manque de données sur ses effets sur le système respiratoire [31, 40-42]. Ils ont aussi rapporté qu’il y avait une mécompréhension des résistances inspiratoires, expiratoires, de l’espace mort ou de leur combinaison. Le concept de « stress respiratoire » survenant après un effort physique intense avec le masque à gaz fut aussi évoqué par certains auteurs (Johnson and Cummings 1975; Jetté and al. 1991) [42, 43]. Jusqu’à ce jour, il n’y a aucune définition claire de cette notion de « stress respiratoire ». Cette notion renvoie à la sensation de difficulté respiratoire ressentie par les sujets dans ces situations et à ses causes possibles.
Dans notre revue de la littérature, nous avons constaté qu’il n’existait aucune donnée sur le travail respiratoire («work of breathing» WOB) qui est une des mesures possibles de ce stress respiratoire. Puisque le masque à gaz s’insère dans la catégorie de respirateur d’air-purifié, certaines études de masques industriels et du Self-Contained Breathing Apparatus (SCBA) pourraient donner de bonnes inférences quant aux caractéristiques du masque à gaz.
Plan de la revue
La recension des écrits a été concentrée sur des données concernant le masque à gaz inclusivement. Comme le montre le plan d’étude dans la Figure 5, 10 des 3385 articles ont été retenus. Nous avons mené une recherche via les moteurs de recherche suivants : PUBMED, CINALH et COCHRANE). Nous avons consulté les documents du CDC et un réseau scientifique en lien avec le masque à gaz, la mécanique des fluides et le programme du respirateur américain du CDC. Dans cette maîtrise, nous nous sommes donc concentrés sur les articles adressant les effets physiologiques respiratoires des masques à gaz et le concept de la relation pression-débit pour évaluer les résistances respiratoires. Dans les études retenues, nous n’avons relevé que les informations pertinentes parmi certaines discutables.
Points saillants
Comme énuméré dans le Tableau 3, dix études ont retenues. Neuf études portaient sur les paramètres respiratoires, une sur l’exposition aux gaz respiratoires, une sur l’effet de l’espace-mort technologique tel que défini par les auteurs et une sur le WOB, mesurée de façon discutable comme nous le
12 et CAPS 2000 ont été utilisés (Tableau 4). Le principal modèle des études était le sujet humain. Les sujets étaient tous en santé provenaient du milieu universitaire et militaire.
Huit études ont été conduites selon une méthodologie d’effort intense [31, 40-42, 45-48]. Une étude a été faite avec le masque à gaz et portait sur l’évaluation des échanges gazeux [44]. La méthodologie effort employée dans neuf études se basait sur soit un protocole Bruce (test d’effort maximal souvent utilisé en cardiologie sous l’appellation sur un tapis roulant), un protocole médical sportif néerlandais ou un effort intense jusqu’à l’épuisement. Seulement quatre études utilisaient un effort à 80-85% du VO2 Max [40, 45, 46, 48]. Une
étude ciblait un effort à 40-44% du VO2 Max [47]. À travers quatre études, la performance physique était
mesurée comme la durée maximale de l’épreuve physique pour les sujets [40, 45, 46, 48]. Kaufman et Hasting (2010), fut la seule étude à avoir mesuré l’effort selon un test d’agilité physique de pompiers et de tâches militaires [31]. Leurs travaux rejoignent ceux de Spivock et al (2016) qui ont mesuré de manière exhaustive la demande respiratoire, plutôt liée aux paramètres respiratoire (Fréquence Respiratoire (FR); Ventilation minute (Ve); débit de pointe), et métabolique de tâches physiques associées à des fonctions militaires (patrouille à pieds, extirper un blessé d’un véhicule, manipuler des sacs de sables, etc.) [49, 50]. Ces travaux n’incluaient aucune mesure de l’effort respiratoire induit par les masques à gaz.
Les paramètres respiratoires usuels (i.e.: Vt, Ve, etc), n’ont pas été analysés en comparaison à un état de base au repos avec et sans masque à gaz. Caretti et al. (2006), fut la seule étude à notre connaissance à évaluer un WOB. Cependant, la méthode employée n’était pas de façon directe chez des sujets. Elle était sans mesure de pressions œsophagienne qui nous semble requise pour une bonne évaluation du WOB [45]. Nous discuterons de cette étude plus loin dans ce chapitre. À travers les études révisées, quatre ont évalué le confort à partir d’une échelle visuelle analogique [40, 45-47]. Seulement trois études ont mesuré les niveaux d’anxiété avant et après effort [40, 47, 48]. De plus, six études ont fourni très peu de données sur leurs protocoles de mesures de résistances respiratoires chez l’humain [40-42, 45-47].
Figure 5. Schéma résumant le travail de revue des connaissances scientifiques.
Résistances inspiratoires et expiratoires et impact sur la ventilation minute (Ve).
Pour des fins de repère de cette section, la Figure 6 montre les valeurs de résistance d’une cannulation de 30 centimètres (cm) de long et d’un diamètre de 2.2 cm, à un débit de 0.0-2.5 L/s. Un circuit standard de ventilation comme celui-là a une résistance très faible de 0.12 cmH2O à 1L/s. Les résistances de voies aériennes normales d’un adulte sont d’environ 0.5 à 2 cmH2O à 1L/s. En comparaison, les résistances inspiratoires du masque à gaz utilisées par les forces armées canadiennes (masque C4; Airboss Defence, Bromont, Canada) est de 4.44 cmH2O à 1L/s. Dans les études accessibles, seulement six études portaient sur des résistances chez l’humain. Elles contenaient un manque d’information sur la méthodologie employée, en particulier sur le type de cartouche employé (Tableau 1)
Johnson and al. (1999), mesurant la performance physique avec plusieurs résistances inspiratoires au masque M17 (0.78 - 7.64 cmH2O; débit relatif à 1.42 L/s ou 85 L/min), auprès de 12 sujets sains, ont trouvé que les temps de performance diminuaient linéairement avec l’augmentation de la résistance inspiratoire. De plus, une hypoventilation s’instaurait avec une Ve et VO2 max diminuées en présence de hautes valeurs de
résistances respiratoires [46]. La performance physique telle qu’exprimée par les auteurs fut établie sur une mesure de temps pour compléter une épreuve physique.
Jetté et al. (1991), ont déterminé, chez 12 sujets sains, les effets physiologiques de la résistance respiratoire du masque C3 (Inspiratoires: de 2.48 à 3.38 cmH20; débit de 0.52 L/s), et ont conclu que la Ve comportait une réduction statistiquement réduite pour des efforts supérieurs à 80% du VO2 max [42]. Heus et al. (2004) ont mesuré, avec 9 sujets sains, à quel seuil la résistance inspiratoire du masque AVON AFM-12 pouvait augmenter sans engendrer des problèmes sur la performance physique. Ils ont conclu qu’il n’y avait aucune différence dans la ventilation et dans le temps nécessaire pour l’atteinte de l’épuisement. Plus les résistances étaient élevées plus le temps pour atteindre l’épuisement devenait court (2.45 - 84.64 cmH2O; Débit à 4 L/s) [41].
Caretti et al. (2001), ont évalué chez 15 sujets sains les performance physiques à diverses résistances expiratoires du masque M40 (0.27 - 27.35 cmH2O; Débit à 1.42 L/s ou 85L/min). Les auteurs ont montré une corrélation entre l’hypoventilation et l’augmentation des résistances expiratoires [40]. En 2006, les auteurs ont quantifié, avec 11 sujets sains, les performances à l’effort en fonction d’une combinaison de charges inspiratoires et expiratoires, toujours avec le masque M40 [45]. Ils ont démontré que la Ve décroissait linéairement avec l’augmentation des résistances inspiratoires et ce, indépendamment des résistances à l’exhalation.
Smith et al (1994), ont recherché chez 15 sujets sains l’existence de facteurs physiologiques de non tolérance de l’équipement de protection individuel (impact de la température ambiante et corporelle, effets psychologiques, stress) de même que l’impact des résistances respiratoires avec le masque M-17 (Inspiratoires : de 0.67 à 3.97 cmH2O; Expiratoires: 1.32 cmH2O; Débit à 1.42 L/s ou 85L/min) [47]. Ils n’ont pas observé de changement statistiquement significatif de leur ventilation volontaire maximale (VVM) mesurée (début de l’effort 96.6±25.9 L/min; à la fin de l’effort : 93.4±25.9 L/min) [47]. La VVM nous apparait comme l’équivalent de la Ve.
Kaufman et Hasting (2006), ont mené une étude chez 48 sujets pour évaluer les paramètres respiratoires avec le masque M-40 dans un contexte de tâches physiques militaires et test physique d’agilité de pompier. Ils ont mesuré principalement la Ve et le débit de pointe inspiratoire. Les auteurs ont trouvé des valeurs moyennes de 96.4±18.9 L/min pour la Ve et un pic inspiratoire de 238.7±34.0 L/min [31]. Par ailleurs, ils ont spéculé que la cartouche s’avérait inefficace avec de hauts débits inspiratoires.
Figure 6. Courbe de la relation pression-débit pour
une canulation de 30 cm et d’un diamètre de 2.2 cm. On peut voir facilement que les résistances sont très faibles avec un simple circuit de ventilation et beaucoup plus importantes pour ce qui concerne la cartouche filtrante du masque C4.
Tableau 1. Synthèse des études avec résistances respiratoires. Masque à gaz Débit (L/s) Résistances inspiratoires induites (cmH20) Résistances expiratoires induites (cmH20)
Détails sur les résistances inspiratoires et expiratoires extraits de la méthodologie
Jetté et al. (1991) C-3 0.53 2.48 à 3.38 aucune Montage résistif effectué à partir de cartouches filtrantes modifiées produisant des résistances différentes. Aucune autre information disponible.
Smith et al. (1994) M17 1.42 0.67 à 3.97 1.32 aucun
Johnson et al. (1999) M-17 1.42 0.78 à 7.64 aucune Montage résistif effectué à partir de cartouches filtrantes modifiées produisant des résistances différentes. Les valeurs étaient établies sur un simulateur mannequin. Aucune autre information disponible dont le type de cartouche employée.
Heus et al. (2004) AFM-12 4.00 2.45 à 84.64 aucune Montage résistif fait à partir de trois adapteurs de diamètres de 2, 6 et 9 mm. Ces adapteurs furent arrimés au système d'inhalation du masque et induisait les résistances inspiratoires déterminées. La résistance fut déterminée par un calcule à la main (sans simulateur).
Caretti et al. (2001) M-40 1.42 3.17 0.27 à 27.35 Montage résistif effectué à partir de bouchons de dimensions différentes dans un tube connecté au système d'exhalation du masque. L'emploi du bouchon induisait la résistance établie à l'exhalation. Les valeurs étaient établies sur un simulateur mannequin.
Caretti et al. (2006) M-40 1.04 2.22 à 12.64 0.90 à 3.53 Résistances établies selon calcul dérivé d'une Vm à 62.5 L/min et d'une valeur inconnue de WOB externe.
L’impact sur les échanges gazeux
L’étude d’Arielli et al. (2012), avait pour but de détecter les risques potentiels de l’hypercapnie- hypoxie dans le masque CAPS 2000, dus à un effet soupçonné de « rebreathing ». Leur étude a porté sur la mesure chez 9 sujets sains des taux de SpO2 et de PCO2avec un spectromètre de masse et un détecteur transcutané. Les auteurs n’ont pas observé de désaturation en dessous de 92% et ont noté une stabilisation des valeurs de FiO2 (à 17.0%) et de FiCO2 (à 3.0%) en condition masquée [44]. Il est à noter qu’aucun gaz capillaire n’a été prélevé pour fins d’analyse, mais une mesure transcutanée du CO2 a été réalisée chez les sujets. Leurs conclusions étaient qu’il n’existait pas d’hypoxie ou d’hypercapnie majeure due à effet de « rebreathing », définis par les auteurs comme une augmentation du FiCO2 au-dessus de 5.0% et une baisse de la FiO2 en dessous de 13%. Ce critère de jugement était arbitraire et n’était pas suffisamment étayé selon nous. Dans l’étude Jetté et al. (1991), décrite à la section précédente, réalisée chez 12 patients portant des masques durant des efforts intenses avec diverses résistances, des prélèvements capillaires ont été réalisés mais les gaz sanguins n’ont pas été analysés et les auteurs ont principalement évalué les lactates [42]. Les auteurs ont démontré une diminution statistiquement significative des taux de lactate sériques (1.5-6.0 mmol/L) dans la zone de VO2 Max de 60-90%.
L’impact sur le confort
Dans Smith et al. (1994), l’inconfort respiratoire du masque M-17 à gaz a été noté comme significatif dans un effort d’endurance moyen de 263 min, à l’intérieur d’une zone de 40 à 44% du VO2 Max [47]. Johnson and al. (1999) ont noté qu’avec le M-17, il se produisait une diminution du confort inversement proportionnelle à l’augmentation des résistances et diminuait avec le temps [46]. En 2000, Johnson et al. ont mesuré, cette fois-là, l’effet de l’espace mort du masque M-17 pendant une performance à 80-85% du VO2 Max [48]. Ils ont conclu que pour chaque espace mort de 350 ml d’un masque à gaz (aux dires des auteurs), il y avait une réduction de 18% du confort respiratoire mesuré avec une échelle visuelle analogique allant de 0 à 10. Il y avait également une diminution de 19% sur une échelle de perception de l’épuisement physique (« rating of perceived exhaustion scale »)[48]. Deux études de Caretti et al. ont évalué le confort avec le port du masque M-40. En 2001, ils ont constaté qu’aucun impact sur le confort ni l’anxiété n’était significatif [40]. En 2006, les auteurs ont conclu qu’aucun inconfort n’était observé tant à la résistance inspiratoire qu’expiratoire [45].
L’impact sur les indices du travail respiratoire
Caretti et al. (2006) ont déclaré que leur calcul du WOB permettrait d’estimer de manière fiable les résistances et serait une meilleure prédiction de la ventilation minute durant l’usage du masque à gaz [45]. Le calcul du WOB dans cette étude était basé sur un travail respiratoire externe pour vaincre les résistances à l’inhalation et l’exhalation de chaque respirateur (masque à gaz). Le WOB total (WOBtot) était une addition du travail à l’inspiration et de celui à l’expiration. Il s’agissait du travail réalisé par le ventilateur artificiel utilisé, et non le travail respiratoire d’un patient. La relation pression-volume de chaque respirateur générait, d’après une courbe respiratoire sinusoïdale, leur calcul du WOB en J/min. Pour leur expérience, les auteurs ont établi divers niveaux de WOBtot à partir d’un calcul dérivé du WOB externe de chaque résistance pour chaque volume minute standard de 62.5 L/min (Tableau 2).
Tableau 2. WOB estimé pour les différentes conditions de
résistances expiratoires et inspiratoires dans l’étude de Caretti. (Source: Extrait de Caretti DM, Coyne K, Johnson A, Scott W, Koh F. Performance when breathing through different respirator inhalation and exhalation resistances during hard work. Journal of occupational and
environmental hygiene 2006; 3: 214-224)[45].
Dans leur étude, les auteurs ont trouvé une corrélation inverse entre la durée de tolérance à l’effort physique et la résistance à l’inhalation. Cela était indépendamment de la résistance à l’exhalation et avec une augmentation du WOB. Ils ont constaté que la Ve décroissait linéairement avec l’augmentation des résistances à l’inhalation indépendamment de la résistance à l’exhalation. Ils ont rapporté également une diminution de la performance alors que la résistance à l’exhalation augmentait. Le lien entre la décroissance linéaire du Ve et WOB fut faible. Les auteurs ont estimé que leur calcul du WOB était un estimateur fiable des
résistances combinant l’inhalation et l’exhalation durant un travail intense. Selon eux, la résistance inspiratoire serait la meilleure prédiction de la ventilation durant le port du masque à gaz.
Cependant, la méthode employée par les auteurs est indirecte et n’inclut pas de sonde œsophagienne pour le calcul du WOB. Ceci ne nous semble pas comparable à ce qui est habituellement décrit comme la mesure du travail respiratoire chez les patients [51-56]. En physiologie humaine, il est d’ailleurs discutable de pouvoir estimer un travail respiratoire et de prédire une Ve à partir des valeurs de résistance. En bref, il n’existe donc aucune étude ayant évalué l’impact direct de l’utilisation des masques à gaz sur le travail respiratoire de patients (Work of breathing, WOB) et les autres indices d’effort respiratoires tels que le produit pression temps de la pression œsophagienne (Pressure time product, PTP Pes) ou l’amplitude de variation de la pression œsophagienne au cours de la respiration (Swing Pes).
Données provenant des fabricants et l’origine de la référence à 85 L/min
Le Tableau 4 liste les masques les plus couramment utilisés et présente les données manufacturières des résistances à 85 L/min. Selon Silverman et al (1951), la norme de 85 L/min provient d’études faites pendant la Première Guerre Mondiale [57]. En résumé, cette valeur se basait sur un débit respiratoire maximum dans un masque à gaz durant une course lente. Ce débit de pointe peut sembler faible, mais les auteurs se basaient sur la somme des débits inspiratoires et expiratoires qui auraient été identiques à 42.5L/min [57]. La raison de ce choix de 85L/min ne nous apparait pas clairement. Nous avons donc utilisé une évaluation des résistances inspiratoires et expiratoires des masques à gaz qui nous paraît plus reproductible pour permettre une comparaison de la relation pression débits à différents débits, incluant les débits maximums que nous avons rencontrés lors de nos évaluations chez les sujets à l’effort (qui allaient jusqu’à plus de 150 L/min) [57].
Le CDC a imposé aux fabricants deux valeurs de résistances maximales, à l’inhalation et l’exhalation. Ces valeurs ne doivent pas excéder 7.00 cmH2O pour l’une et 2.00 cmH2O pour l’autre, à 85 L/min [26]. Ces mesures doivent être prise à l’intérieure de ce que le CDC définit par zone de respiration. Cette zone est dans le masque interne (nose-cup) (Figure 2, partie A). Le montage de mesures exigé par le CDC est un système comprenant une tête de mannequin monté sur une machine de respiration. L’Annexe D présente une méthodologie du système IBODi breathing machine (Crawley Creatures, UK) qui est utilisé par le Collège militaire royal du Canada.
Tableau 3. Résumé synthétique d’études sur l’impact respiratoire du masque à gaz.
Légende: Ventilation minute- Ve- Rythme respiratoire - RR - Volume courant - Vt-
Espace-mort - DS - Bronchospasme Induit à l’effort physique - IEB – Test défit à l’effort physique – ECT - Sport Medicine Australia – SMA.
Tableau 4. Données manufacturières sur les masques à gaz les plus utilisés.
Studies Methodology n Main result (s)
Arieli 2012 15 Minutes gas masked breathing in no-physical effort 9 Ø Desaturation < 92%, PaCO2 stable at 42 torr, FiO2 stable at 17%, FiCO2 stable at 3%.
Caretti 2001 Bruce protocol (80-85% VO2 target) with respiratory resistances. 15 Linear in exercise performance & resistances. Ve& O2 Consumption while expiratory resistance ~ Hypoventilation.
Caretti 2006 Strenuous-Violitional Protocols comparison (80-85% VO2 target) with respiratory resistances. 11 Correlated WOB-Inspiratory resistance led exercise performance, independantly from expiratory resistances.
Heus 2004 SMA-protocol with comparison of inspiratory resistances. 9 Inspiratory resistances time of exhaustion (quicker), metabolic rate in inspiratry resistance, no difference in Ve, RR, VT .
Jetté 1990 Bruce protocol with inspiratory resistance. 12 Ø Detrimental effects up to a 80-85% VO2 Max (i.e.: Blood Lactate, Hypoventilation, O2-CO2 Gas)
Johnson 1999 Bruce protocol (80-85% VO2 target) with inspiratory resistances. 12 Linear in exercise performance& inspiratory resistances ~ Hypoventilation ( Ve and O2 consumption).
Johnson 2000 Bruce protocol (80-85% VO2 target) in 5 dead-spaces (DS) comparison. 13 Each 350 ml DS 19% in time-performance and 18% in comfort related to the wear of the gas mask.
Kaufman 2005 Strenous effort in relation of Military and Fire-fighter task performances. 48 Respiratory demands: Peak Inspiratory Flow and Ve.
Lucero 2006 Bruce protocol (80-85% VO2 target) along with Methacholine-induction. 20 Ø Statistical difference for the gas mask wear, 20% of the IEB group positively tested in ECT testing.
Smith 1994 263 Endurance exercise (40-44% VO2 target) with inspiratory resistances. 15 Signicant in inspiratory effort, expiratory effort, blood lactate, heart rate, bearthing discomfort and rate of perceived exertion.
Mask-Item Name Different brands Country Manufacturer Poids (kg) Type Poids (kg) 25 mm
NATO Inhalation
(cmH2O)
Exhalation
(cmH2O)
C4 NBC no Canada Airboss Defence 0.453 4.30 1.30 C7A1 0.300 Yes Low-burden mask no Canada Airboss Defence 0.453 4.50 0.75 ABD81 0.380 Yes
M40 M42 for combat vehicles crew United-States of America ILC Dover incorporated and Mine Safety Appliances
Company
0.510 5.50 (M40) 2.60 (M40) C2 0.275 Yes
6.50 (M42) 2.60 (M42) Yes M-17 M17A1 mounted with both drinking
tube and resuscitation device; M17A2 mounted only with drinking
tube
United-States of America Mine Safety Appliances Company
0.800 5.50 2.30 M13A2 0.182 Yes
NBC S10 Respirator AR10 for Law-enforcement forces; SF10 for Special Forces
United States of America, United Kingdom, Autralia, Soudi Arabia, Pakistan,
Kowait, Netherland
Avon Industrial Polymers Ltd.
0.529 4.72 1.64 UK PSIO 0.275 Yes
Flow at 85 (L/min)
NOTE: ‡ A modified S10 Gas mask named AFM-12 had been produced for the Netherland and Swederland Armed Forces. That mask owes the same manufactured data that the S-10 Gas mask.
Conclusion
Il existe peu de données sur l’évaluation des paramètres respiratoires et en particulier aucune étude n’a évalué, selon la méthode reconnue dans la littérature en physiologie respiratoire, l’impact des masques à gaz sur le travail respiratoire de sujets sains ou de patients. Il n’y a aucune étude ayant comparé de façon rigoureuse les profils respiratoires, les indices de travail respiratoire et les gaz du sang avec et sans masque, au repos et à l’effort. De plus, la valeur utilisée pour la mesure des résistances des masques et cartouches filtrantes (à 85 L/min) ne nous semble pas optimale et ne permet qu’une description limitée des caractéristiques de ces dispositifs.