Impact sur le travail respiratoire et les échanges gazeux
pour l’utilisateur d’un masque à gaz
Mémoire
Stéphane Bourassa
Maîtrise en médecine expérimentale
Maître ès en science (M. Sc.)
Impact sur le travail respiratoire et les échanges gazeux
pour l’utilisateur d’un masque à gaz
Mémoire
Stéphane Bourassa
Sous la direction de :
Résumé
Nous avons conduit un programme de recherche portant sur l’impact du port d’un masque à gaz sur l’effort respiratoire et les échanges gazeux chez des sujets sains au repos et à l’effort et chez des patients MPOC au repos. Ces données ont été acquises en mesurant les débits respiratoires et la pression œsophagienne. Une étude sur banc a évalué les composantes résistives du masque à gaz C4 (Airboss Defense) et de 8 différents cartouches filtrantes. Chez les sujets sains, tous les indices d’effort respiratoires ont été significativement augmentés (WOB; PTP; Swing Pes) au repos et à l’effort. Quant aux patients, les augmentations des indices respiratoires ont été modérées au repos. La cartouche filtrante semble expliquer en partie ces effets et nous avons constaté que les résistances de cet élément du masque varient en fonction des modèles. Nos conclusions se destinent à optimiser de nouveaux masques pour limiter le «stress respiratoire» de ces dispositifs.
Abstract
We conducted a research program on the impact of wearing a gas mask on respiratory effort and gas exchanges in healthy subjects at rest and during exercise and in COPD patients at rest. These data were acquired by measuring respiratory flow and esophageal pressure. A bench study evaluated the resistive components of the C4 gas mask (Airboss Defense) and of 8 different canisters. In healthy subjects, all indexes of respiratory effort (WOB; PTP; Swing Pes) were increased with mask at rest and during exercise. In COPD patients, the increases in respiratory index of effort were moderate. The canister of the mask seems to explain part of these effects and we found that resistances of this element of the mask vary according to the tested models. Our conclusions aimed at optimizing new masks to limit the «respiratory stress» of these devices.
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... x
Liste des figures ... xii
Liste des abréviations et des sigles ... xv
Dédicaces et épigraphes ... xviii
Remerciements ... xix
Avant-propos ... xxi
Introduction ... 1
Chapitre 1 : Le CBRNE ... 2
Introduction ... 2
Les menaces CBRNE à la santé. ... 2
Chimique ... 2
Biologique ... 3
Nucléaire et radiologique ... 4
Explosif ... 5
La situation géopolitique ... 5
Évaluation de la menace : tendance actuelle. ... 6
Conclusion ... 6
Chapitre 2 : Résumé historique du risque CBRNE. ... 7
Introduction ... 7
Les grandes lignes historiques ... 7
Conclusion ... 8
Chapitre 3: La technologie du masque à gaz. ... 9
Introduction ... 9
L’origine de la technologie ... 10
Quelle est la définition du masque à gaz ... 11
La nomenclature ... 11
La cartouche filtrante ... 13
Chapitre 4: Une révision de la littérature en bref. ... 15
Introduction ... 15
Plan de la revue ... 15
Points saillants ... 15
Résistances inspiratoires et expiratoires et impact sur la ventilation minute (Ve). ... 17
L’impact sur les échanges gazeux... 20
L’impact sur le confort ... 20
L’impact sur les indices du travail respiratoire ... 21
Données provenant des fabricants et l’origine de la référence à 85 L/min ... 22
Conclusion ... 24
Chapitre 5 : Conception des études réalisées dans ce projet de maîtrise. ... 25
Introduction ... 25
Rationnel ... 25
But du programme de recherche ... 28
Questions de recherche pour les études sur les sujets humains ... 29
Hypothèses pour les études sur les sujets humains ... 29
Chapitre 6 : Méthodologies pour les études sur sujets humains ... 30
Introduction ... 30
Devis des études : sujets sains et MPOC ... 30
Approbation éthique et recrutement des sujets... 30
Le diagramme de Campbell et les indices d’efforts respiratoires. ... 31
Détermination de l’intensité d’effort physique des tests à l’effort ... 34
Montage pour la procédure d’hypoxémie induite ... 34
Les interfaces ... 35
Capillaires sanguins ... 38
Installation de la sonde œsophagienne ... 39
Description du banc de mesures et autres appareils de mesures ... 40
Calibration du banc de mesures ... 41
Préparation des données ... 42
Méthode de calcul du WOB ... 43
Description sommaire du système FreeO2 ... 44
Méthode et plan d’analyse biostatistique ... 45
Introduction. ... 46
Critères d’inclusion et exclusion. ... 46
Description des variables recueillies et mesurées ... 46
Description des interventions au repos et l’effort ... 47
Description des interventions au cours de l’hypoxémie induite et de sa correction ... 49
Résultats principaux (données au repos et à l’effort, impact du masque) ... 50
Introduction ... 50
Les résultats ... 51
Conclusion ... 57
Supplément : résultats concernant l’hypoxémie induite et sa correction, l’impact du masque. ... 58
Introduction ... 58
Les résultats ... 59
Comparaison de l’hypoxémie avec masque contre non-masque ... 60
Comparaison de l’hypoxémie corrigée avec masque contre non-masque ... 62
Résultats du profil sanguin dans les conditions hypoxémiques ... 63
Conclusion ... 65
Chapitre 8 : Étude chez les sujets MPOC ... 66
Introduction. ... 66
Critères d’inclusions et exclusions ... 66
Description des variables recueillies et mesurées ... 66
Échelle d’évaluation du confort ... 67
Description des interventions ... 68
Résultats principaux (données au repos, sans et avec masque) ... 70
Patients ... 70
Indices d’effort respiratoire ... 71
Conclusion ... 80
Supplément : cas de la patiente no.4. ... 81
Introduction ... 81
Présentation du cas ... 81
Valeurs moyennes du groupe MPOC sans la patiente no.4 ... 82
Conclusion ... 83
Supplément : résultats préliminaires comparant la cartouche filtrante B contre A. ... 84
Introduction ... 87
Questions et hypothèses de recherche ... 87
Questions ... 87
Hypothèses... 88
Méthodologie ... 88
Résultats principaux (résistances à cinq débits différents) ... 91
Introduction ... 91
Résultats obtenus des mesures résistives des composantes du masque ... 91
Résultats obtenus des mesures résistives de huit cartouches filtrantes ... 92
Résultats obtenus en fonction des débits de pointes de patients et les conditions testées chez les sujets humains. ... 93
Biais instrumental ... 94
Conclusion ... 97
Supplément : les résultats comparant les mesures faites à 85 L/min. ... 97
Introduction ... 97
Les résultats ... 97
Comparaison avec les valeurs manufacturières ... 99
Conclusion ... 100
Chapitre 10 : Discussion des résultats ... 101
Introduction ... 101
Discussion de nos résultats ... 101
Comparaisons des indices d’efforts respiratoires ... 101
Comparaison des échanges gazeux ... 105
Comparaisons des résistances respiratoires : à l’inhalation et l’exhalation ... 107
Développement technologique futurs : supports respiratoires au travers des masques... 109
Limites de l’étude ... 109
Retombées des trois études ... 110
Conclusion ... 112
Bibliographie ... 113
ANNEXES ... 119
Annexe A – Résumé de l’histoire des armes chimiques et biologiques ... 120
Annexe B - Les moyens d’assistance respiratoire avec un masque à gaz... 125
Dispositifs d’oxygénothérapie au masque à gaz. ... 125 Annexe C – Le résumé des procédures entourant le calcul du WOB ... 126 Annexe D- Dynamic flow breathing resistance methodology ... 129
Liste des tableaux
Tableau 1. Synthèse des études avec résistances respiratoires. ... 19
Tableau 2. WOB estimé pour les différentes conditions de résistances expiratoires et inspiratoires dans l’étude de Caretti. ... 21
Tableau 3. Résumé synthétique d’études sur l’impact respiratoire du masque à gaz. ... 23
Tableau 4. Données manufacturières sur les masques à gaz les plus utilisés. ... 23
Tableau 5. Critères d’inclusion et d’exclusion de l’étude chez les sujets sains. ... 46
Tableau 6. Données sur les caractéristiques des sujets sains à leur inclusion. ... 50
Tableau 7. Moyennes des paramètres respiratoires chez les sujets sains. ... 53
Tableau 8. Moyennes des indices d’efforts respiratoires chez les sujets sains. ... 53
Tableau 9. Moyennes des gaz capillaires parmi les sujets humains sains. ... 56
Tableau 10. Moyennes des paramètres respiratoires chez les sujets sains durant les conditions d’hypoxémies (induites et corrigée)... 59
Tableau 11. Moyennes des indices d’efforts respiratoires chez les sains durant les conditions d’hypoxémies (induites et corrigée)... 59
Tableau 12. Moyennes des gaz capillaires chez les sujets sains durant les conditions d’hypoxémie. ... 63
Tableau 13. Valeurs de la SpO2 (%) et de la quantité d’oxygène (L) ... 65
Tableau 14. Critères d’inclusion et d’exclusion des sujets MPOC. ... 66
Tableau 15. Échelle d'évaluation visuelle analogique du confort lié au port du masque à gaz. ... 68
Tableau 16. Caractéristiques des sujets MPOC à leur inclusion. ... 70
Tableau 17. Moyennes des indices d’efforts respiratoires chez les sujets MPOC (n=9; ‡ p≤0.10). ... 71
Tableau 17 B. Moyennes des indices d’efforts respiratoires chez les sujets MPOC sans la patiente #4 71
Tableau 18. Moyennes des paramètres respiratoires chez les sujets MPOC. ... 74
Tableau 19. Moyennes des gaz sanguins chez les patients MPOC ... 76
Tableau 20. Valeurs de la SpO2 (%) et la quantité d’oxygène (L) administrées des sujets MPOC durant les trois conditions testées. ... 76
Tableau 21. Moyennes des niveaux de confort perçus pour les sujets MPOC. ... 79
Tableau 22. Caractéristiques des patients MPOC sans la patiente no. 4 ... 82
Tableau 23. Termes définis et qui quantifient les valeurs de résistances du masque à gaz. ... 90
Tableau 24. Résultats détaillés des résistances (cmH2O) des composantes du masque C-4 avec la cartouche filtrante A. ... 91
Tableau 25. Résultats des résistances (cmH2O) pour huit cartouches filtrantes sélectionnées. ... 92
Tableau 26. Caractéristiques de protection des huit cartouches filtrantes. ... 92
Tableau 27. Résultats des résistances du système masque selon débits de pointes des sujets sains. ... 93
Tableau 28. Résultats obtenus des résistances du système masque selon débits de pointes des patients MPOC. ... 94
Tableau 29. Résultats obtenus des résistances sur le montage d’induction hypoxémique pour la condition sans masque. ... 96
Tableau 30. Résultats des résistances du masque à gaz C4 (cmH2O) à 1.42 L/s (85 L/min) pour huit cartouches filtrantes sélectionnées. ... 98
Tableau 31. Résultats détaillés des résistances obtenues (cmH2O) à 1.42 L/s (L/min) composantes du masque C-4 et selon les cartouches filtrantes employées. ... 98
Liste des figures
Figure 1. Masque à gaz de 1915 du Dr Macpherson. ... 10
Figure 2. Schéma sur la nomenclature d’un masque à gaz. ... 12
Figure 3. Image du masque à gaz de la Deuxième Guerre Mondiale. ... 12
Figure 4. Schéma qui décrit une cartouche filtrante. ... 13
Figure 5. Schéma résumant le travail de revue des connaissances scientifiques. ... 17
Figure 6. Courbe de la relation pression-débit pour une canulation de 30 cm et d’un diamètre de 2.2 cm…..19
Figure 7. Portion intérieure des masques C4 et LBM. ... 26
Figure 8. Trajectoire de l'air respiré et les espaces morts dans le masque à gaz C4... 27
Figure 9. Diagramme de Campbell utilisé pour le calcul du WOB. ... 31
Figure 10. Le calcul du WOB. ... 31
Figure 11. Signaux des indices d’effort respiratoires du PTPes et Swing Pes. ... 33
Figure 12. Montage de l'induction hypoxémique chez les sujets sains. ... 35
Figure 13. Masque utilisé pour les mesures sans masque à gaz. ... 36
Figure 14. Masque à gaz C4 ... 37
Figure 15. Masque à gaz Low-Burden. ... 38
Figure 16. Schéma illustrant l’emplacement de la sonde œsophagienne. ... 39
Figure 17. Le banc de mesures utilisées. ... 40
Figure 18. Résumé de la procédure de la calibration. ... 41
Figure 19. Méthode de confirmation pour l'emplacement de la sonde œsophagienne. ... 42
Figure 20. Schéma qui résume le calcul du WOB. ... 43
Figure 21. Système FreeO2. ... 44
Figure 22. Montage expérimental illustrant les diverses mesures prises au cours de l'étude chez les sujets sains. ... 47
Figure 23. Schéma illustrant le déroulement de l’étude chez les sujets sains. ... 48
Figure 24. Montage expérimental qui illustre les diverses mesures prises au cours de l’hypoxémie induite chez les sujets sains. ... 49
Figure 25. Schéma illustrant le déroulement de l’étude au cours des hypoxémies induites et corrigée chez les sujets sains. ... 49
Figure 26. Débit (courbes du haut) et Pes (courbes du bas) représentant la moyenne de tous les sujets sains au repos et durant un effort physique, sans et avec le masque à gaz. ... 51
Figure 27. Variation des indices d’efforts respiratoires avec le masque à gaz. Comparaison avec et sans masque, au repos et durant un effort physique (sujets sains). ... 52
Figure 28. Variation dans les indices d’effort respiratoires avec le masque à gaz, une comparaison avec et sans le masque, au repos et durant un effort physique (sujets sains). ... 54
Figure 29. WOB (J/Cycle) pour tous les sujets sains au repos et durant un effort, sans et avec masque à gaz. ... 54
Figure 30. Variation (%) des paramètres respiratoires de l'ensemble des sujets sains liées au port du masque à gaz et sans celui-ci, au repos et durant un effort... 55
Figure 31. Variation (%) des paramètres de résistances respiratoires et de l’auto-PEEP de l'ensemble des sujets sains lié au port du masque à gaz et sans celui-ci, au repos et durant un effort. ... 56
Figure 33. Variation (%) des indices des efforts respiratoires dans les conditions d’hypoxémie (induite et
corrigée) chez les sujets sains. ... 60
Figure 34. Variation (%) des paramètres respiratoires dans les conditions d’hypoxémie (induite et corrigée) des sujets sains. ... 61
Figure 35. Variation (%) des paramètres de résistances respiratoires et de l’auto-PEEP chez les sujets sains. ... 62
Figure 36. Représentation moyenne du signal de la SpO2 (%) dans les conditions d’hypoxémie pour tous les sujets sains. ... 63
Figure 37. Quantité moyenne d’oxygène administré (L) durant l’hypoxémie corrigée (sujets sains). ... 64
Figure 38. Montage expérimental de l’étude qui illustre les diverses mesures prises chez les sujets MPOC. 68 Figure 39. Schéma illustrant le déroulement de l'étude chez les sujets MPOC. ... 69
Figure 40. PTP (cmH2O*s/min) pour tous les sujets MPOC comparant les conditions sans et avec masque. 72 Figure 41. Variation (%) des indices d’efforts respiratoires avec le port des cartouches filtrantes A-B chez les sujets MPOC. ... 72
Figure 42. Variation (%) des paramètres respiratoires avec le port des cartouches filtrantes A-B chez les sujets MPOC. ... 73
Figure 43. Variation (%) des paramètres de résistances respiratoires et de l’auto-PEEP avec le port des cartouches filtrantes A-B chez les sujets MPOC. ... 74
Figure 44. Variation (%) des gaz sanguins avec le port des cartouches filtrantes A-B chez les sujets MPOC. ... 75
Figure 45. Représentation moyenne du signal de la SpO2 pour tous les sujets MPOC. ... 75
Figure 46. Débits moyens d’oxygène administré par sujet MPOC durant le port des cartouches A et B. ... 77
Figure 47. Résultats du pH sanguin pour tous les sujets MPOC pour les trois conditions testées. ... 78
Figure 48. Résultats de la PaCO2 (mmHg) sanguin de tous les sujets MPOC pour les trois conditions testées ... 78
Figure 49. Variations (%) dans les niveaux de confort perçus au début et la fin des conditions testées avec le port des cartouches filtrantes A&B chez les sujets MPOC. ... 80
Figure 50. Variation (%) des indices d’efforts respiratoires et des niveaux de confort entre les cartouches filtrantes chez les sujets MPOC. ... 84
Figure 51. Variation (%) des indices d’efforts respiratoires et des niveaux de confort entre les cartouches filtrantes chez les sujets MPOC. ... 85
Figure 52. Variation (%) des paramètres de résistances respiratoires et de l’autoPEEP chez les sujets MPOC. ... 86
Figure 53. Composantes résistives généralement retrouvées sur un masque à gaz. ... 88
Figure 54. Schéma du modèle employé pour évaluer la relation pression-débit. ... 89
Figure 55. Exemple de tracé brut obtenu (à gauche) et avec l’application d’une régression polynomiale (à droite). ... 90
Figure 56. Montage d’instruments de mesures respiratoires pour les conditions sans masque et avec masque à gaz. ... 94
Figure 57. Montage d’instruments de mesures respiratoires et d’induction hypoxémique pour les conditions sans masque et avec masque à gaz. ... 95
Figure 58. Photo d'une section d'infanterie de militaires canadiens. ... 112
Annexe C, Figure 59. Schéma synthétique sur le calcul du WOB. ... 126
Annexe C, Figure 61. Schéma illustrant des procédures conjointes pour corriger des artéfacts cardiaques.
... 128
Annex D, Figure 62. Test apparatus configuration for testing air flow resistance for a dynamic sinusoidal flow
pattern. ... 130
Liste des abréviations et des sigles
ACQ Fichier Acqknowledge
ADM Armes de destructions massives
ADN Acide désoxyribonucléique
AutoPEEP Auto-positive end-expiratory pressure
CBRNE Chimique, Biologique, Radiologique, Nucléaire, Explosif
CBRN Chimique, Biologique, Radiologique, Nucléaire
CDC Centers for Diseases Control and Prevention
cGy Centi-gray
CLDyn Dynamic lung compliance
cm Centimètre
cmH2O Centimètre d’eau
cmH2O/L/s Centimètre d’eau par Litre par seconde
cmH2O L-1 s Centimètre d’eau par Litre par seconde
cmH2O*s/min Centimètre d’eau par seconde par minute
CMR Collège militaire royal
CRIUCPQ Centre de recherche Institut Universitaire de Cardiologie et de Pneumologie de
Québec
CV Capacité vitale
CW Recoil pressure
CVF Capacité vitale forcée
Cycles/L/min Cycles par Litre par minute
DS Espace mort
ECT Test défit à l’effort physique
FEV1 Forced Expiratory Volume in one second
HCO3- Bicarbonate
HELIOX Mélange de gaz hélium-oxygène
IEB Bronchospasme induit à l’effort physique
J/cycl Joules par cycle
J/min Joules par minute
J/L Joules par litre
J L-1 Joules par litre
kPa Kilopascal
Kg Kilogramme
L Litre
L/sec Litre par seconde
L/s Litre par seconde
L/min Litre par minute
MDN Ministère de la défense nationale
METS Metabolic Equivalent of Tasks
ml Millilitre
mmHg Milligramme de mercure
mmol/L Millimoles par Litre
MPH Mile per hour ou Mille par Heure
MPOC Maladies Pulmonaires Obstructives Chroniques
mSv Milli-Sievert
NIV None-invasive ventilation
PaCO2 Pression partielle (ou tension) en dioxyde de carbone dans le sang artériel
PaO2 Pression partielle de l’oxygène dans le sang artériel
PCO2 Pression partielle (ou tension) en dioxyde de carbone
PEEP Positive End Expiratory Pressure
PEEPi Intrinsic Positive End Expiratory Pressure
Pga Pression gastrique
Ph Potentiel d’hydrogène
PTP Produit Temps-Pression
PTP Produit Temps-Pression Œsophagien
Ppl Pression pleurale
RI/RE Ratio de la résistance inspiratoire et de la résistance expiratoire
RR Rythme respiratoire
SCBA Self-Contained Breathing Apparatus
SCRS Service canadien du renseignement de sécurité
s Seconde
SpO2 Saturation en oxygène
Swing Pes Swing de la pression esophagienne
Ti Temps inspiratoire
Ti/Ttot Ratio Temps inspiratoire / Total time of respiratory cycles
Texp Temps expiratoire
Ttot Total time of respiratory cycles
VEMS Volume expiratoire maximum seconde
VNI Ventilation non-invasive
Ve Ventilation minute
VO2 Max Volume d'Oxygène Maximum
Vt Volume courant ou Tidal Volume
Vt/Ti Ratio Volume courant / Temps inspiratoire
WOB Work of Breathing ou travail respiratoire
Dédicaces et épigraphes
Hommages au 12
eRégiment blindé du Canada
Conformément aux exigences du Ministère de la Défense nationale (MDN), les images régimentaires sont autorisées @sous protection des droits d’auteurs du Ministère. La présente thèse n’est pas affiliée à un projet académique approuvé par le Ministère.
Peinture de John Singer Sargent (1919) autorisée par le British War Museum
À tous les membres du 178ième Bataillon et 86 ième Bataillon tombés au champ d’honneur des suites des effets des armes chimiques pendant la Grande Guerre 1914-1918.
À tous les membres inconnus du Régiment ayant pu participer comme sujets humains aux quelconques expérimentations ou souffert des effets accidentels d’agents chimiques, biologiques, radiologiques et nucléaires entre 1902 à nos jours. L’incident de l’Ypérite au débarquement de Sicile,
en Italie 1943 fut un exemple. Adsum
Remerciements
À ma fille qui un jour réalisera que je suis bel et bien en vie!
Docteur François Lellouche, MD, PhD, mon directeur de recherche à l’Université Laval (ULaval) à qui je suis reconnaissant des opportunités de revenir aux sources des sciences et de me permettre de reprendre où j’ai quitté.
Brigadier-général (retraité) Richard Giguère, OMM, MSM, CD, Professeur titulaire aux Hautes Études Internationales et Co-directeur du Centre sur la sécurité internationale de l’ULaval. Le Général Giguère a toujours été pour moi un exemple et un mentor. N’étant pas 22e, j’ai grâce à lui été vite accepté dans cette
famille régimentaire où des amitiés solides en sont nées. Pour le mémoire, et MEDINT CBRNE, son mentorat est inestimable.
Docteur Guy Dumas, Ing. Ph.D. Professeur titulaire et chercheur, Faculté des sciences et génies de l’ULaval. Un immense merci pour le temps de consultations sur les notions de mécaniques et sur une possible acceptation de me suivre au Ph.D.
Dr Slavica Dragisic, MD, experte en contre-mesures médicales CBRNE du Ministère de la Défense nationale. Il est sans-contredit que son influence a été marquante depuis le projet académique de 2009. Sans ses sages rétroactions, je n’aurais jamais réalisé que ma place est aux sciences.
Dr Eva Dickson, Ing. Ph. D. Professeure titulaire et Scientifique de la défense, RDDC Centre de recherches de Suffield c/o Collège militaire royal du Canada, Département de chimie et de génie chimique. Il est sans hésitation qu’elle est pour beaucoup dans ma passion pour le CBRNE et les inventions n'auraient pas été si stimulantes.
Dr Paul Bodurtha, PhD, Scientifique en chef de l’équipe Groupe de protection CBRN, Département de Chimie et génie chimique, Collège militaire royal du Canada, pour sa grande générosité et mentorat, notamment sur une problématique à la recherche.
Équipe du laboratoire du Dr Lellouche et le personnel affilié : Monsieur Pierre-Alexande Bouchard (assistant de recherche); Monsieur Serge Simard (biostatisticien), Madame Patricia Lizotte (infirmière); Alexis Boucher (technicien biomédical), Mario Hébert (technicien biomédical). Ces deux derniers ont notamment donné de précieuses rétroactions pour concevoir des montages de mesures à très court préavis. Ce fut nettement du beau travail d’équipe.
Docteur Marc Dauphin, MSM, CD, MD. Le Doc Dauphin est un médecin émérite de la traumatologie, allant du centre hospitalier jusqu’en plein milieu d’une zone de guerre. Il est pour moi une source d’énergies positives, de détermination et un excellent mentor en science de défense. Son sage exemple a su calmer mon tempérament irlandais.
Mes frères d'armes du 12e Régiment blindé du Canada et des autres unités d'affections à l’exception du 5e
La branche du renseignement des Forces canadiennes dont le Lieutenant-colonel Michel Beauvais,
l’Adjudant-maître François Léger et l’équipe OSINT (Jannelle McInnis et Lesley Hoermann). Je suis nettement reconnaissant des appuis sincères liés au projet de recherche universitaire.
Colonel Martin Laflamme, Colonel Glen Watter, Lieutenant-colonel Pierre Charpentier, les Adjudant-chef Caron et Beaulieu et l’Adjudant-maître François Léger pour les diverses occasions de mentorats.
Colonel (retraité) Michel Grondin et ancien enseignant du Séminaire de Trois-Rivières, ancien commandant de 12e RBC et président de l'Association du12e RBC. Depuis mes premiers débuts au Séminaire, à la vie militaire et maintenant, la sagesse du Colonel Grondin continue d’être un excellent repère social et académique.
M. William Rowling, CAF, pour son dévouement exceptionnel à m'aider à préparer une préface basée sur des faits historiques validés des documents d'archives du MDN.
Avant-propos
Nous sommes dans un processus de soumission de trois articles portant sur deux études cliniques sur les sujets humains et une étude de mesure de résistances sur la technologie du masque à gaz effectuée sur le banc. Les deux études conduites auprès des sujets humains ont été enregistrées avec le Clinical Trial (NCT02782936;NCT02809807). Cependant, le présent mémoire n’insère pas d’article. Toutefois, certaines images et tableaux qui paraissent dans ce mémoire ont été faits en anglais car ils visent une publication dans des revues américaines (American Journal of Respiratory and Critical Care; Critical Care Medicine; Chest Journal; Respiratory Care Journal). Nous avons aussi obtenu l’autorisation d’écrire en langue anglaise dans ce mémoire.
Introduction
(Le recours à des moyens d’infliger d’énormes pertes en vies humaines chez un adversaire ne date pas du siècle dernier. Dans toute l’histoire de l’humanité, l’être humain utilise des moyens asymétriques contre ses ennemis (…). Néanmoins, les armes de destruction massive constituent une préoccupation quasi-constante depuis la fin de la guerre froide. En effet, les agences de renseignements à travers le monde surveillent la prolifération d’armes nucléaires et les nombreux programmes biologiques, chimiques et radiologiques que certains pays sont en train de développer soit clandestinement ou de concert avec des alliés. Il ne faut pas oublier que certaines organisations terroristes manifestent aussi l’intention d’avoir recours aux armes et dispositifs CBRN notamment le Jihad islamique palestinien, le Hezbollah, le Groupe islamique armé algérien, le Jihad islamique égyptien, le Hamas, des terroristes sikhs, les Tchétchènes, le Parti des travailleurs du Kurdistan, les tigres libérateurs de l’Ealam tamouls, Al-Quaïda et Daech) [1].
Dans le cadre de mes études de deuxième cycle, nos travaux ont été l’intégration de la physiologie respiratoire à la technologie du masque à gaz. Le champ d’expertise acquis fut sur le travail respiratoire (WOB), les autres indices d’effort respiratoire et sur les échanges gazeux. La science médicale appliquée dans cette maîtrise fut celle de la défense Chimique, Biologique, Radiologique, Nucléaire et Explosif (CBRNE) ou contre les armes de destruction massive (ADM). On lui greffe généralement les champs d’expertises de santé publique, de la sécurité publique et du renseignement de sécurité.
L’assistance respiratoire dans un contexte de contamination CBRNE est très importante parce que les voies respiratoires représentent l’une des principales voies de pénétration des contaminants ou d’agents CBRNE. Dans cette maîtrise, nous avons utilisé principalement un modèle humain: i. Sujet sains (SS); ii. Sujets ayant un diagnostic de maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC). Une étude de la relation pression-débit fut également menée sur les différentes composantes du masque à gaz.
Ainsi, à travers les chapitres nous présenterons non-seulement des résultats d’études en physiologie respiratoire appliquée à un masque à gaz mais nous présenterons aussi un programme de recherche innovateur sur cette technologie.
Chapitre 1 : Le CBRNE
Introduction
« À travers les époques, il faut prendre conscience que l’évolution de la science, le développement des technologies, l’adoption de nouveaux systèmes d’armes et la quête hégémonique constituent les principaux précurseurs de la menace et à la diversité pour le recours aux armes de destructions massives ou engin-improvisés CBRNE. » [1].
Pour bien cerner rapidement la menace CBRNE à la santé, il faut comprendre les diverses disciplines de la science et les champs de pratique médicale qui sont concernés. Bien que notre priorité soit le système respiratoire, la menace ne se limite pas à certains contaminants ou agents CBRNE propre à ce système physiologique. Le système respiratoire constitue l’une des importantes voies de pénétration de ces contaminants ou agents. Une fois inhalés, l’ensemble de leurs effets désordonne puissamment l’homéostasie des autres systèmes physiologiques.
Dans le cas des armes chimiques, sont en jeu les questions de la toxicologie et de la biotransformation. Les toxines, les agents incapacitants (e.x. : les psychotropes) et les bio-régulateurs (e.x. : Insuline) relèvent, également, de la toxicologie. Pour les armes biologiques, C’est le domaine de l’infectiologie. Il peut s’agir ici de diverse infection et notamment celles engendrées par les microorganismes génétiquement modifiés (e.x. : anthrax). Dans le cas des armes nucléaires et radiologiques, la physique nucléaire domine ce problématiques et les mécanismes lésionnels sur un organisme vivant sont liés au transfert de l’énergie ionisante (e.x. : particule alpha comme destructeur d’ADN). Il est possible de l’associer à la traumatologie. Finalement pour les explosifs, leurs mécanismes lésionnels relèvent également de la traumatologie. Cependant, ils figurent aussi comme puissants facilitateurs à la pénétration d’agents ou contaminants CBRNE.
Les menaces CBRNE à la santé.
Chimique
L’arme chimique est influencée par l’environnement où elle est dispersée (bâtiments; végétation; qualité du sol; cours d’eau; tissus animaux) et des conditions météorologiques (vent; stabilité de l’air; température; humidité; précipitation). Un agent de guerre chimique se classe en fonction de sa persistance. Le caractère persistant signifie que peu importe l’état liquide, solide ou gazeux, il est dangereux. Lorsque
non-persistant, il est seulement dangereux à l’état gazeux mais demeure un puissant contaminateur instantané une fois libéré. Pour un agent chimique artisanal, on les classe en produits nocifs industriels et commerciaux. La pénétration des agents chimiques s’effectue par : i. L’inhalation; ii. L’ingestion; iii. La pénétration tégumentaire et des muqueuses. Les effets sur le corps humains sont de l’ordre toxicologique [1-5].
On classe les agents chimiques dans les catégories suivantes : i. Neurotoxiques; ii. Hémotoxiques; iii. Vésicants. On pourrait classer les agents comme étant soit létaux, de dégradation ou incapacitants. Cependant, la littérature n’est pas claire sur cette classification. À la classification classique ci-haut, on ajoute les agents suffocants, vomitifs, lacrymogènes et psycho-chimiques [1-5].
Biologique
L’arme biologique et les dispositifs artisanaux biologiques sont considérés par le Service canadien du renseignement de sécurité (SCRS) comme « l’arme nucléaire du pauvre » [6]. Les toxines et bio-régulateurs ont également une efficacité dans des opérations d’assassinats politiques (ex. : cas de Georgi Ivanov Markov en 1978). Que ce soit un agent de guerre bactériologique, une souche de maladies naturelles ou une toxine, les armes bactériologiques ont l’avantage stratégique d’être dispersées de manière clandestine tout en générant des blessés. La pénétration des agents biologiques s’effectue par : i. L’inhalation; ii. L’ingestion; iii. La pénétration par l’abrasion ou perforation tégumentaire [1, 3, 5, 7-12].
La qualité d’un agent de guerre biologique attrayant comparativement à un moyen artisanal (e.x : contamination à la Salmonelle d’un bar) se résume aux critères d’infectiologie: i. Infectiosité; ii Virulence; iii. Toxicité; iv. Période d’incubation; v. Transmissibilité; vii. Létalité; viii. Stabilité. Or, l’efficacité d’un agent biologique doit correspondre également à des critères offensifs précis. On les cerne comme suit: i. Induire une infection par une petite dose; ii. Posséder une grande virulence; iii. Être largement dispersable; iv. Résister à l’entreposage et aux moyens de dispersion; v. Posséder une résistance pharmacologique; vi. Posséder une courte incubation; vii. Être déceptif (s’apparenter à une maladie bénigne); viii. Produire un effet de surprise symptomatologique (i.e. induction d’intenses symptômes qui consomment plusieurs ressources médicales); ix. Pouvant posséder un vecteur de dispersion ingénieux (ex. : la contamination d’oiseaux). Ainsi, les agents sont classés en six catégories suivantes: i. Bactéries; ii. Virus; iii. Chlamydiae; iv. Rickettsiae; v. Toxines; vi. Bio-régulateurs (ex. : Insuline, etc.) [1, 3, 5, 8, 12].
précipitations) des configurations du terrain (urbain; littoral; montagne; désert; jungle) et de la cible (ex. : contaminer un élevage quelconque destiné à la consommation humaine) [1, 3, 5, 8, 12].
Nucléaire et radiologique
L’arme nucléaire et les bombes « sales » engendrent une menace directe et indirecte à la santé. Il y a l’effet de l’arme en elle-même (ex. : rayonnement ionisant des neutrons) et ce qui lui est rattaché (ex. : multi-lacérations par des débris en raison de l’onde de choc). Les armes radiologiques peuvent aussi servir aux opérations d’assassinat politique (ex. : cas d’Alexandre Litvienko, ancien agent du KGB qui a été « éliminé » par du polonium 210 en Grande-Bretagne) [1, 3].
Suite à une détonation nucléaire, les effets immédiats, tels le rayonnement nucléaire initial, l’onde de choc de l’explosion, le rayonnement thermique et les effets électromagnétiques, créent, en moins d’une minute, une large variété de blessures (ex. : brûlures, rupture des tympans, etc.). Quant aux effets résiduels, il s’agit de la radioactivité induite résiduelle (ex. : contamination interne aigüe) et des retombées radioactives (ex. : brûlures bêta), lesquelles surviennent après la première minute et pouvant durer plusieurs années. Dans le cas d’une bombe « sale », il y a d’abord les effets de n’importe quelle bombe et puis les effets des radio-isotopes dispersés par l’explosion qui, une fois inhalés, ingérés ou entrés via une brèche tissulaire, occasionneront une contamination interne [1, 3].
Il y a quatre rayonnements ionisants. Ceux-ci sont : i. Rayonnement Alpha; ii. Rayonnement Bêta; iii. Rayonnement Gamma; iv. Rayonnement Neutronique. Leurs effets biologiques reposent sur la dose et les moyens de pénétration dans un organisme vivant. À titre d’exemple, les particules alpha causent de 10 à 20 fois plus de cancer. Quant aux neutrons, ces derniers sont de 5 à 20 fois plus graves que l’exposition aux rayons gamma, et sont de 4 à 10 fois plus susceptibles de causer des cataractes et une leucémie [1, 3].
Le seuil de radiation minimal causant des symptômes suite au rayonnement nucléaire est généralement fixé à 750 milli-Sievert (mSv) ou 75 centi-gray (cGy). Cependant, il est pris en compte que la dose mortelle pour 50% des humains exposés est environ de 4 000 mSv (400 cGy). D’un point de vue clinique, trois phases se manifestent : i. Symptômes initiaux (ex. : maux de têtes, nausées, vomissements et diarrhée); ii. Période asymptomatique (i.e. court rétablissement); iii. Symptômes tardifs (ex. : la perte de cheveux et d’appétit, les maux de gorge, la fièvre, les hémorragies, l’incapacité prolongée et la mort). Il y a aussi les cas d’exception liés à l’accumulation de doses subséquentes dont les effets se manifestent plus
Explosif
Les explosifs servent de vecteurs de dissémination des contaminants ou agents CBRNE. Dans certains cas, ils permettent d’augmenter la pénétration des agents par les blessures qu’ils causent. Parmi les blessures liées aux explosifs, on retrouve les brûlures, les lacérations, les amputations, les hémorragies internes [1, 3].
La situation géopolitique
Malgré l’existence de traités internationaux sur les armes de destruction massive (ADM), beaucoup de nations souveraines continuent de les employer dans des buts hégémoniques, de dissuasion et de représailles [13-15]. Par traités internationaux, nous faisons référence :
• À la Convention sur l’interdiction de la mise au point, de la fabrication, du stockage et de l’emploi des armes chimiques et sur leur destruction du 13 janvier 1993 (ratifié en 1995 par le Canada et respecté depuis) [16].
• À la Convention sur l’interdiction de la mise au point, de la fabrication et du stockage des armes bactériologiques (biologiques) ou à toxines et sur leur destruction du 10 avril 1972 (ratifié l’année même par le Canada et respecté depuis) [17].
• Au Traité de non-prolifération des armes nucléaires du 29 juillet 1968 (ratifié en 1969 par le Canada et respecté depuis) [18].
Certaines de ces armes se retrouvent également dans des opérations du renseignement très ciblées (assassinats politiques). Le cas de l’empoisonnement de Litvinenko en 2006 constitue un bon exemple d’un tel emploi par la Russie. De plus, il y a élargissement de la menace CBRNE. On inclut des agents artisanaux soient ionisants, toxicologiques et infectiologiques. Il y a aussi une diversité des acteurs et des cibles. Les états, qualifiés de voyous par la communauté internationale, le crime organisé, le loup-solitaire et les organisations terroristes accentuent les problèmes de sécurité nationale et internationale. Peu importe l’intensité d’une attaque avec un agent artisanal CBRNE, ces moyens sont dans leur ensemble un accessoire criminel et donc, une arme au point de vue de la preuve criminelle. Au-delà de cibles militaires ou celles de haute-valeur en renseignements, les populations civiles sont les principales victimes des armes CBRNE.
Évaluation de la menace : tendance actuelle.
Dans l’évaluation actuelle de la menace CBRNE, et selon les sources ouvertes, les prédictions de l’étude d’Ackerman et Tomsett (2008) semblent les plus exactes. Elles prédisent l’emploi dominant de l’arme chimique [19]. Les auteurs ont utilisé, en 2008, un devis Delphi Decision Aid pour prédire la menace des ADM pendant les 25 prochaines années. Les prédictions des experts étaient: i. L’utilisation de l’arme chimique; ii. Les extrémistes Jihadistes comme auteurs; iii. Les idéologies religieuses comme motif; iv. L’Europe et le Moyen-Orient comme principaux sièges d’attaques; v. La probabilité d’attaques d’ADM à 40%, avec, comme cible, tout ce qui correspond pour eux à un « infidèle ». Or, nous pouvons constater que ces prédictions s’appliquent à Daesh.
Conclusion
En conclusion, comme nous le verrons plus loin, les masques à gaz constituent une protection efficace et très utilisée dans les situations à risques, principalement par les militaires mais aussi par les populations civiles. Cependant, leur impact physiologique en particulier respiratoire n’a été qu’insuffisamment étudié et c’est ce que nous avons voulu réaliser dans ce travail.
Chapitre 2 : Résumé historique du risque CBRNE.
Introduction
L’histoire CBRNE complexe a été initiée dans une thèse en 2009 au sein du CMR. L’Annexe A énumère de manière plus complète les incidents chimiques et biologiques survenus dans l’histoire.
Les grandes lignes historiques
À travers l’histoire CBRNE, l’emploi de ces armes n’est pas exclusif à des combats entre des corps d’armées. Les armes CBRNE se retrouvent autant dans des d’activités du renseignement (ex. : Markov 1978, de Litvinenko 2006, etc.) que de désordres à la civilisation, lesquels comprennent le terrorisme (ex. : attaques chimiques d’Aum Shinrikyo, les incidents aux lettres d’Anthrax de 2001, etc.) et les activités criminelles (ex. : activistes albertains du droit des animaux de 1992) [1, 2, 4, 9, 12, 20]. Nonobstant les incidents naturels (ex. : peste noire du 14e siècle, le SARS de 2003, etc.), les accidents (ex. : Tchernobyl) et de proliférations d’armes
(ex. : programme Chimique et Biologique des Talibans), voici les principaux incidents qui ont marqué l’humanité [1, 15].
• Chimique. Les premiers balbutiements de l’empoisonnement et de la toxicologie remonteraient à l’époque Spartiate au 5e siècle avant notre ère et durant la guerre du Péloponnèse. Durant la
première guerre mondiale, les offensives allemandes au chlore et au gaz moutarde ont été marquantes dans ce conflit. La paternité de l’arme chimique fut attribuée au Docteur Fritz Haber. Durant la deuxième guerre mondiale, l’usage de Zyklon B fut omniprésent dans l’Holocauste. L’attaque chimique de Saddam Hussein en Irak contre les Kurdes en 1988. Plus tard, les insatisfactions suite à la fin de la première guerre du Golfe, et la prétendue possession d’ADM par Saddam Hussein, ont entrainé un deuxième conflit contre ce dictateur en 2003. L’attaque au Sarin de 1995 par la secte D’Aum Shinrikyo au Japon a constitué un pivot important dans les notions de la conduite de la guerre. Le terrorisme moderne entrait alors en jeu et la population civile devenait une cible primaire. Depuis 2015, les attaques chimiques se produisent notamment au Moyen-Orient et au Darfour [1, 2, 4, 5, 8, 9, 11, 12].
• Biologique. Le premier usage de l’infection comme arme remonte aussi loin qu’XIIe siècle avant notre ère lorsque les Hittites ont utilisé des cadavres d’animaux et d’humains infectés pour contaminer leurs ennemis. L’utilisation d’agents infectieux a eu un regain tactique en 1763 lorsque le General Sir
Jeffrey Amherst a fait l’usage de couvertures imprégnées de variole pour décimer les troupes de Pontiac. En 1936, il y a eu les expériences japonaises dans laMandchourie, ou celle de l’Unité 731, sur des cobayes humains [1, 5, 8, 9, 12].
• Énergie ionisante. Les attaques nucléaires sur Hiroshima et de Nagasaki, en 1945, ont ouvert un nouvel âge et donné naissance au concept de l’arme stratégique dissuasive des états l’en envers l’autre [14]. Depuis, le non-usage des armes nucléaires, a façonné les interactions entre les nations, que ce soit entre superpuissances ou leurs pays affiliés. Du point de vue de la sécurité internationale et nationale, le concept du non-usage des armes nucléaires s’est exprimé dans les concepts de l’hégémonie, de la dissuasion et de représailles [13-15].
Conclusion
Ainsi, l’histoire des ADM ou du CBRN ne date pas du siècle dernier. Nous pouvons remarquer que l’évolution de la science et de la technologie a accompagné celles des armes. Nous verrons que le développement de la protection par les masques à gaz est apparu lors de la première guerre mondiale quand l'usage des gaz toxiques a été développé.
Chapitre 3: La technologie du masque à gaz.
Introduction
Un masque à gaz est un respirateur de purification d’air [21]. En tout particulier depuis 2004, le Center Disease Control and Prevention (CDC) contrôle les organismes pour dicter des normes aux fabricants de masque à gaz (ex. : Compagnie Airboss Defence, Bromont, Canada). Ces organismes sont : National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), Occupational Safety and Health Administration (OSHA), National Institute for Standards and Technology (NIST), U.S. Army Soldier Biological and Chemical Command (SBCCOM).
Tout militaire en service actif dont le pays est membre de l’Organisation du Traité de l’Atlantique Nord (OTAN), est équipé d’un masque à gaz pendant toute la durée de sa carrière. Dans le cas des forces policières et autres services d’urgence au Canada et aux États-Unis, le nombre de masques et la fréquence de leur utilisation varient selon la région géographique. Pour la Gendarmerie royale du Canada et la Sureté du Québec, le masque C-4 et le Low-Burden mask sont utilisés. Dans le cas des Forces armées canadiennes, l’effectif est de 88000 personnes. Ce nombre représente la quantité de masques à gaz de type C-4 en service, soit le nombre prêts à être utilisés en tout temps. Peu importe le déploiement militaire canadien, le masque accompagne le militaire. Dans le cas d’entraînement, l’armée canadienne (ou l’armée de terre) qui compte un effectif de 44100 personne est la seule force à exiger le transport du masque à même l’attirail de combat. La force aérienne et la marine n’ont pas cette exigence. De plus, l’armée est la force qui utilise le plus souvent le masque. Dépendamment de l’entraînement, la durée de l’utilisation peut aller jusqu’à plusieurs jours. Cela est contraire à Verma et al.(1998). Ils ont quantifié la durée d’utilisation du masque et plus particulièrement l’exposition à la cartouche filtrante. Leur estimation montrait une utilisation moyenne de quatre heures par jour et 30 jours par année pendant les 25 années de service d’un militaire [22].
L’origine de la technologie
Figure 1. Masque à gaz de 1915 du Dr Macpherson.
(Source : Bibliothèque et Archives Canada, https://www. collectionscanada.gc.ca/cool/ 002027-2004-f.html) [23].
Les masques à gaz tels qu’ils sont actuellement utilisés par les militaires sont assez éloignés des premiers dispositifs de protection respiratoire. Ce sont d’abord les mineurs prusses qui ont bénéficié de systèmes de protection, dès 1799 grâce à l’ingénieur Alexander von Humboldt qui a développé un appareil respiratoire pour les mineurs [24]. En 1914, l’américain Garrett A. Morgan a déposé un brevet pour un « Safety Hood and Smoke Protector ». Son système comportait une filtration par du coton et deux conduits pour respirer l'air provenant du sol. Des éponges mouillées étaient insérées dans ces conduits pour « purifier » l'air. Ce système a été utilisé avec succès en 1916 pour sauver des hommes restés prisonniers dans des galeries. Les masques anti-gaz qui ressemblent à ceux que nous connaissons, destinés à améliorer la protection des soldats furent développés et mis en service à partir de juillet 1915 [24]. Bibliothèque et Archives Canada a rapporté que l’invention du masque à gaz reviendrait au Dr Cluny MacPershon [23], un médecin militaire canadien, en réponse à l’utilisation des gaz toxiques, en particulier les «attaques au chlore» par les armées allemandes. Auparavant, pour défendre les troupes contre les attaques chimiques allemandes, la réponse était de couvrir les voies respiratoires avec des mouchoirs imbibés d’urine [25]. À notre avis, il y
continuum entre les premiers systèmes rudimentaires de protection respiratoire et les masques à gaz actuels. Une unité canadienne utilisa un système de fortune pour se protéger du chlore sous forme gazeuse qui était employé par les Allemands au cours de la seconde bataille d'Ypres en 1915 [25].
Quelle est la définition du masque à gaz
En 2005, CDC le définissait comme: «a full facepiece, tight-fitting respirator, which uses an air-purifying canister filtration media to remove particulates, gases, and vapors from the air. Contaminate quantities must be below acceptable limits for air-purifying respirators and adequate breathable oxygen must be present» [26].
La nomenclature
Le masque à gaz possède ses propres caractéristiques de conception. De manière conventionnelle, le masque à gaz protège une large surface (peau, bouche, yeux, muqueuse respiratoire) et vient habituellement avec sa propre cartouche filtrante. Conséquemment, les masques à gaz sont habituellement étudiés séparément des autres respirateurs comme le Self-contained Breathing Apparutus (SBCA) qu’utilisent les pompiers et certaines organisations policières au Canada et États-unis. Les différences principales entre ces masques se situent au niveau des matériaux de fabrication, des systèmes d’inhalation et d’exhalation ainsi que des cartouches filtrantes employées. Dans le cas du SBCA, il est muni du système d’alimentation en oxygène. Dans la Figure 2, on retrouve les huit parties du masque: a. Masque interne (nose-cup), b. Couverture protectrice faciale-oculaire (eye-facial protective shield); c. Mécanismes de valves d’inhalation et d’exhalation (inhalation-exhalation valves mechanisms); d. Embranchement de la cartouche filtrante (canister port); e. Cartouche filtrante (Canister); f. Tube d’alimentation en liquide (drinking tube); g. Retransmetteur de la voix (voice transmitter speaker), h. Harnais (harness).
Figure 2. Schéma sur la nomenclature d’un masque à gaz.
(Image modifiée par Stéphane Bourassa et autorisée par le Ministère de la Défense nationale et la Compagnie Airboss Defence).
Figure 3. Image du masque à gaz de la Deuxième Guerre Mondiale.
(Source : Ministère de la défense nationale, Canada) [25].
À travers la revue, nous avons observé que les masques à gaz sont souvent de conception semblable. La Figure 3 montre que depuis 1943, la technologie n’a pas évolué de manière significative à l’exception de différences mineures telles le tube d’alimentation de liquide et de retransmetteur vocal. Nous
avons noté que les changements ont été davantage ergonomiques et esthétiques à travers les années. Comme le rapporte Bourassa (2009), le masque à gaz n’est pas composé de moyens d’assistance respiratoire médicale pour un utilisateur blessé [1]. De plus, Harber et al. ont mis en lumière, en 1989, que les impacts respiratoires des respirateurs de protection respiratoire n’étaient pas complètement compris [27].
La cartouche filtrante
Figure 4. Schéma qui décrit une cartouche filtrante.
(Source: Dr Dickson, Collège militaire royal du Canada) [28].
Le rôle principal de la cartouche filtrante est de filtrer l’air en en retirant les contaminants en aérosols. Bien que ce mémoire de maîtrise ne se rend pas jusqu’aux détails de physisorption et de chemisorption, selon la mécanique des fluides, les lignes qui suivent présentent un résumé de cette pièce technologique. La Figure 4, illustre le filtre particulier et le lit de charbon contenant du carbone activé. Ce sont là les deux composantes protectrices de la cartouche filtrante. Le charbon utilisé dans les masques à gaz a été étudié, à notre connaissance, depuis 1920 [29]. Les composés chimiques imprégnés au charbon sont des métaux et des amines aliphatiques (imprégnants organiques). Les métaux les plus couramment utilisés sont le Cuivre, le Chrome, le Zinc et l’Argent. Pour les amines, il y a le Triethylamine [22]. Le point de rupture en relation du débit d’air, les effets toxicologiques, les particules, le ratio du facteur de protection et la ventilation non-invasive sont des sujets étudiés pour les cartouches filtrantes [28, 30-39].
Conclusion
En terminant, le masque à gaz inventé il y a un siècle a beaucoup évolué initialement mais assez peu depuis la deuxième guerre mondiale. Les nouvelles technologies permettent d’en améliorer le confort et d’élargir son utilisation, mais une évaluation précise de ces systèmes de protection est un préalable aux améliorations. C’est dans cette optique que nous avons réalisé ce travail.
Chapitre 4: Une révision de la littérature en bref.
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].
