CHIRURGIE CARDIAQUE
PRINCIPES GENERAUX

UN PEU D'HISTOIRE…

« Un Chirurgien qui oserait suturer un cœur perdrait le respect de ses Collègues. »
(Théodore BILLROTH, Chirurgien français de renom, en 1883).

Le cœur est l’objet d’un paradoxe historique : la chirurgie cardiaque n’a que cinquante ans d’existence. Pourtant, les grands cardiologues du XIXème et du XXème siècle avaient bien décrit les maladies cardiaques, notamment les maladies congénitales et les maladies valvulaires : les lésions anatomiques, leurs symptômes, les signes recueillis à l’examen clinique et à l’auscultation, leur évolution, finalement contrôlée à l’autopsie. Dans la même période, même si les gestes étaient moins élaborés et les succès plus incertains, du fait notamment de l’absence de l’anesthésie – réanimation que nous connaissons aujourd’hui, les chirurgiens exerçaient leur art sur la plupart des organes sauf sur le cœur. Pourtant, dès 1920, Alexis CARREL, Chirurgien lyonnais qui deviendra américain, créait les bases de la suture vasculaire et la chirurgie cardiaque est essentiellement une chirurgie de sutures.

Certes, en 1896, REHN, Chirurgien à FRANCFORT, rapportait le premier succès d’une suture de plaie du ventricule droit. Alors que, ironie du sort et leçon de modestie, quelques mois auparavant, l’illustre chirurgien anglais Sir Stephen PAGET avait écrit : « la chirurgie du cœur a probablement atteint les limites fixées par la nature à toute la chirurgie ; aucune méthode nouvelle et aucune découverte ne peut vaincre les difficultés que présente une plaie du cœur. Il est vrai que la suture du cœur a été vaguement proposée et a été faite sur l’animal, mais je ne puis croire qu’elle ait jamais été tentée en pratique… ».

Ce respect obligé du cœur relevait peut-être du tabou vis-à-vis d’un organe réputé être le siège de l’âme et des sentiments. Il procédait surtout de l’impossibilité technique, pour les chirurgiens de l’époque, d’aborder cet organe unique et vital, parce qu’il bat et que ses cavités et ses vaisseaux sont pleins de sang. C’est pour cette raison que les premières opérations significatives se firent «autour » du cœur : en 1938, Robert GROSS (USA) réussit la ligature d’un canal artériel persistant de façon anormale après la naissance, entre l’aorte et l’artère pulmonaire. En 1944, Clarence CRAFOORD en SUEDE effectua la première résection d’une coarctation aortique (rétrécissement congénital de l’aorte dans son premier tiers, dans le thorax).

Un peu plus tard, on s’attaquait un peu plus directement au cœur pour les opérations dites « à cœur fermé », c’est-à-dire en le laissant battre : cela concerne essentiellement la dilatation de la valvule mitrale (entre l’oreillette gauche et le ventricule gauche) : après avoir ouvert le thorax, le chirurgien introduisait un doigt par l’oreillette gauche, tout en empêchant l’hémorragie, pour aller ouvrir les commissures de la valvule qui avaient été soudées par le rhumatisme articulaire aigu. Cette intervention a été effectuée presque simultanément aux Etats Unis par Charles BAILEY et Dwight HARKEN, et en Angleterre par Ussel BROCK, en 1948.

Cependant, dès cette époque, on perçoit bien que la chirurgie plus élaborée des valvules cardiaques ou des malformations congénitales, ne pourra se faire qu’à « cœur ouvert » et donc en arrêtant le cœur et en le vidant de son sang. Cela impose d’imaginer un appareillage qui permette de supprimer la fonction pompe du cœur et la fonction d’oxygénation du poumon puisque ce dernier est court-circuité lorsqu’on arrête le cœur. C’est à ce concept que s’attaque, dès 1930, un jeune assistant en chirurgie de HARWARD, John GIBBON, marqué par un événement dramatique : il avait assisté impuissant au décès d’une patiente récemment opérée de la vésicule, victime dans les suites d’une embolie pulmonaire massive qui aurait nécessité que l’on retirât le caillot de l’artère pulmonaire. Dès lors, il n’aura de cesse d’imaginer ce cœur – poumon artificiel qu’il testera en laboratoire sur des chats, puis sur des chiens. Si la réalisation de la pompe devant suppléer le cœur était relativement aisée, c’est l’oxygénateur devant remplacer le poumon, qui constituait le principal obstacle à résoudre. Finalement, le 6 mai 1953, GIBBON réussit, sous circulation extra-corporelle (cœur – poumon artificiel), à fermer une communication anormale entre les deux oreillettes chez une jeune fille de 18 ans.

Cependant, l’appareillage était très compliqué et les succès opératoires relativement rares, conduisant la communauté scientifique des Etats Unis à s’insurger contre ces chirurgiens qui osaient implanter des tuyaux d’arrosage sur leurs patients. C’est pourquoi, l’année suivante en 1954, Walton LILLEHEI, à Minneapolis, tenta de simplifier la méthode en remplaçant l’oxygénateur artificiel, très complexe, par un oxygénateur vivant, grâce à la «circulation croisée ». Celle-ci consistait, chez l’enfant que l’on devait opérer, à drainer le sang veineux vers les veines de l’un de ses parents, avec un groupe sanguin compatible. Le sang artériel du parent était alors repris dans l’artère fémorale et poussé par une pompe dans l’aorte de l’enfant, à la sortie du cœur. L’organisme de l’enfant étant oxygéné par le poumon du parent, on pouvait alors arrêter le cœur et le vider de son sang pour pouvoir travailler à cœur ouvert. Ainsi, furent réaliser les cinquante premiers cas de chirurgie à cœur ouvert, permettant de traiter des lésions simples comme les communications entre les oreillettes ou les ventricules, mais aussi des malformations plus compliquées chez les « enfants bleus » (tétralogie de FALLOT).

Cette circulation croisée remplaça alors la chirurgie à cœur ouvert pratiquée sous hypothermie. Dans cette technique, le malade anesthésié était plongé dans une baignoire d’eau glacée. Lorsque sa température atteignait 33°, il était placé sur la table d’opération où l’on pratiquait l’ouverture du thorax, la fermeture temporaire des grosses veines caves qui ramènent le sang veineux au cœur droit. On pouvait alors ouvrir l’oreillette droite et fermer rapidement une communication anormale entre les deux oreillettes, en moins de six minutes, temps de privation d’oxygène que pouvait supporter le cerveau à 33°. (Première réussite en 1952 par John LEWIS à Minneapolis).

Cependant, la circulation croisée mettait en danger, en même temps que l’enfant opéré, son père ou sa mère qui servait d’oxygénateur. C’est pourquoi, on en revint à l’idée originale de GIBBON : la circulation extra-corporelle totalement artificielle (CEC) et, en 1955, LILLEHEI lui-même incorpora dans le circuit, à la place du parent oxygénateur, l’oxygénateur artificiel de Richard DE WALL, de conception très simplifiée et de plus grande sécurité. La même année, à Paris, DUBOST et SPROVIERI utilisaient pour la première fois en France un appareillage comparable. Ces nouveaux systèmes de pompe-oxygénateur doivent être considérés comme le véritable père des appareils actuels de CEC.

C’est à partir de cette époque que se développa, de façon intensive, de part et d’autre de l’Atlantique, la chirurgie des malformations congénitales mais aussi la chirurgie des maladies valvulaires, maladies particulièrement abondantes en ces temps où le rhumatisme articulaire aigu sévissait à l’état endémique. Tous les progrès découlèrent alors de ce concept original, comme par exemple la mise au point en 1960, par Albert STARR, d’une prothèse valvulaire.

En tout cas, l’appareil de GIBBON peut être considéré comme le père des appareils de CEC que les chirurgiens continuent d’utiliser cinquante ans après, avec évidemment de nombreuses améliorations.

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LES PRINCIPES DE LA CIRCULATION EXTRACORPORELLE

C’est une technique par laquelle la pompe cardiaque et l’échangeur gazeux pulmonaire sont remplacés temporairement par un système mécanique relié au système vasculaire du patient.

Le sang veineux est collecté à son arrivée au cœur dans l’oreillette droite, puis il est dirigé, par simple gravité, vers l’oxygénateur. Dans celui-ci, il va subir les transferts gazeux (il s’enrichit en oxygène (O2) et évacue son gaz carbonique (CO2), acquérant ainsi une composition analogue à celle obtenue après le passage alvéolaire dans le poumon. Ce sang artérialisé est alors pris en charge par une pompe qui le réinjecte dans l’aorte du patient, au-delà du cœur . Dans ce circuit, le sang peut également subir des variations de température grâce à un échangeur thermique.

Nous allons envisager plus en détail les composants principaux de ce circuit, sachant qu’ils sont réunis entre eux et au malade par des tuyaux PVC.

1 - L'OXYGENATEUR

Il assure la fonction d’oxygénation du cœur, par deux mécanismes différents qui nous permettent de distinguer :

a)Les oxygénateurs à bulle ou « bulleurs » : ils sont constitués par un récipient recevant par gravité le sang veineux du patient, dans lequel on fait arriver un mélange d’O2 (97 %) et de CO2 (3 %), sous forme de micro-bulles gazeuses en contact direct avec le sang. Chacune de ces bulles se comporte comme une véritable alvéole pulmonaire, l’interface entre le sang et le gaz représentant la membrane alvéolo-capillaire du poumon. Les échanges gazeux peuvent alors se produire avec le globule rouge et son hémoglobine, en fonction des lois physiques qui régissent ce type d’échanges : différence de pression partielle des gaz entre les deux milieux, débits relatifs du gaz et du sang, enfin température et pH.

Ce système est très performant, avec un seul inconvénient : le bullage traumatise les cellules du sang et peut notamment détruire un certain nombre de globules rouges (hémolyse).

b). C’est pourquoi les oxygénateurs à membrane ont tendance à être utilisés presque exclusivement : ici, le contact entre le sang et le gaz s’effectue par l’intermédiaire d’une membrane artificielle semi-perméable, assimilable à la membrane alvéolo-capillaire du poumon. Au fur et à mesure où le sang circule entre deux membranes, de part et d’autre desquelles est envoyé le mélange gazeux (O2 et CO2), le sang s’enrichit en O2 et s’appauvrit en CO2. A l’heure actuelle, les membranes sont volontiers remplacées par une multitude de tubes capillaires à l’intérieur desquels on fait circuler le sang et autour desquels on fait circuler le gaz, ou inversement. L’encombrement global de l’appareil est alors diminué et l’efficacité de l’oxygénation reste très importante, tout en entraînant un traumatisme moindre que les bulles du précédent système .

2 - LA POMPE ARTERIELLE

Suppléant le ventricule gauche pendant la période de l’arrêt cardiaque, elle doit assurer un débit et une pression sanguine adaptés à la surface corporelle du malade. Cette adaptation se fait en faisant varier la vitesse de rotation du moteur électrique qui l’anime, le débit pour un adulte de taille moyenne étant de l’ordre de 5 l/mn.

Son but est de permettre la correction des lésions cardiaques, le geste chirurgical étant autorisé par un champs opératoire exsangue et immobile, imposant l'arrêt des contractions cardiaques et l'assèchement des cavités.

a). La pompe à galets

Elle comporte un élément fixe qui s’appelle le stator, à l’intérieur duquel tourne un axe horizontal ou rotor, comportant à chacune de ses extrémités un galet susceptible de tourner sur son propre axe. Le tuyau de la ligne artérielle passe entre rotor et stator où il se fait écraser par le passage successif des deux galets. Le débit obtenu est en relation directe avec la vitesse de rotation et le calibre de la tubulure. C’est une pompe simple et donc fiable. Ses inconvénients sont nombreux : traumatisme par écrasement des cellules du sang et indépendance totale vis-à-vis de ce qui se passe en amont (la quantité de sang dans l’oreillette droite) et en aval (état de remplissage et pression dans les vaisseaux sanguins du patient). Le technicien responsable de l’appareil ou perfusionniste doit donc adapter manuellement, et à chaque instant, le débit de la pompe en fonction du réservoir d’amont et des résistances d’aval. D’où la recherche d’autres systèmes.

b). La pompe péristaltique à étirement, sans stator

Un excellent prototype avait été produit par Rhône Poulenc basé sur l’étirement péristaltique de la tubulure. Ici, les traumatismes sur les cellules sanguines sont moindres, ce qui permet, si nécessaire, une utilisation plus prolongée de ce type de pompe. En l’absence de politique commerciale, malheureusement ce matériel n’existe plus. Cependant, le principe en a été repris dans la pompe AVCOR.

c). Les pompes centrifuges non occlusives

Elles sont constituées par un cône dont la base est animée d’un mouvement de rotation, entraînant un phénomène physique de VORTEX, tout à fait comparable au phénomène naturel du typhon, engendrant l’aspiration centrale du sang. Ce système est moins traumatisant que la pompe à galets et, d’autre part, il s’adapte au remplissage d’amont (précharge) et d’aval (post-charge). Cet appareil, dont le chef de file est la pompe BIOMEDICUS (MEDTRONIC) est particulièrement utile pour réaliser des assistances circulatoire ou respiratoire prolongées.

3 - L'ECHANGEUR THERMIQUE

Il permet de faire varier la température du sang injecté au malade et donc, finalement, de faire varier la température centrale du malade. Nous verrons plus loin à quoi ces variations peuvent être utiles.

Pour refroidir ou réchauffer le sang, un serpentin en métal contenant du cuivre est aménagé, soit autour de l’oxygénateur, soit au centre de l’oxygénateur, au contact du sang. Dans ce serpentin, on peut faire circuler soit de l’eau froide produite par une installation frigorifique, soit de l’eau chaude produite par une résistance électrique et ainsi, faire varier la température du sang injecté et du malade qui le reçoit.

Ce système est performant et, si dans la plupart des interventions on abaisse la température du patient autour de 33°, dans certaines interventions, on l’abaisse jusqu’à 18° et on la remonte à 37° en fin d’intervention.

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LE DEROULEMENT DE LA CEC

Pendant que l’on endort le patient, le perfusionniste, responsable de la CEC, connecte entre eux, par des tubes de PVC, les divers composants : oxygénateur, pompe artérielle, bloc thermique.

Lorsque l’ouverture chirurgicale est réalisée, par section longitudinale à la scie du sternum et incision du péricarde, le chirurgien connecte le circuit de CEC au patient : la voie veineuse est implantée dans l’oreillette droite pour conduire le sang veineux vers l’oxygénateur et la ligne artérielle de réinjection du sang artérialisé est implantée dans l’aorte ascendante, 5 à 6 cm après sa sortie du cœur.

A partir de là, la CEC va se dérouler en trois phases :

Phase de début :
L’ouverture de la ligne veineuse vidange le sang de l’oreillette droite vers l’oxygénateur et l’ensemble du circuit qui a été préalablement rempli par du sérum isotonique. A ce stade, le cœur est toujours battant et assure encore une partie de la circulation sanguine qui, après une période de 2 à 3 minutes, est ensuite assurée par la pompe artificielle.

Phase d’état :
Le cœur est vide parce que la totalité du sang veineux se draine vers l’oxygénateur. La machine assure donc la totalité du débit artériel chez le patient. On arrête alors la ventilation dans le poumon qui n’est plus irrigué. Le cœur est alors isolé de l’aorte et donc du circuit artificiel, en interposant une pince appelée clamp, fermant totalement l’aorte entre le cœur et le site de réinjection aortique de la pompe artificielle. Le cœur est alors totalement exclu et la fonction d’oxygénation et de circulation est assurée par la machine cœur-poumon.

Pendant cette phase, les objectifs à atteindre sont les suivants : effectuer la réparation chirurgicale pour laquelle on est venu, tout en continuant d’assurant une bonne perfusion, par l’aorte, de tous les organes, excepté du cœur qui n’est plus irrigué. Ce dernier point pose problème : pendant tout ce temps d’exclusion, on devra assurer la protection du myocarde pour qu’il ne soit pas détruit par un volumineux infarctus, problème que nous envisagerons plus loin.

La bonne perfusion des autres organes est assurée par le contrôle du bon fonctionnement de la CEC. Le débit de perfusion est surveillé en permanence sur un débit-mètre, la pression artérielle du patient est affichée, en temps réel, sur un moniteur relié à un capteur de pression lui-même branché sur l’artère radiale au poignet. L’objectif est de maintenir une pression artérielle autour de 80 mm Hg et un débit proche du débit théorique du patient, lui-même calculé à partir de sa surface corporelle. Ces deux constantes peuvent varier à tout instant, notamment à cause de l’agression chirurgicale qui peut produire un état de choc responsable d’une constriction des vaisseaux du patient et aussi en fonction des drogues anesthésiques qui peuvent, au contraire, provoquer une dilatation des vaisseaux du patient, l’un et l’autre modifiant ainsi la capacité du réseau.

Phase finale de CEC :
La correction cardiaque étant terminée, le cœur est à nouveau perfusé en enlevant le clamp qui obstrue l'aorte en amont du site de réinjection de la CEC. Les cavités cardiaques doivent être alors purgées de l’air qu’elles contiennent. L’activité électrique du cœur se réinstalle, spontanément ou après un choc électrique. Les contractions du cœur réapparaissent mais elles sont encore inefficaces puisque la totalité du sang s’en va encore dans le circuit artificiel.

Progressivement, on réduit le débit de la ligne veineuse en direction de la CEC. Le cœur se remplit ainsi progressivement et, au fur et à mesure, le ventricule gauche reprend en charge la circulation dans l’aorte : on le voit sur la ligne de pression artérielle où apparaissent des ondes dépassant 100 mm Hg à chaque contraction cardiaque. Si le cœur a été bien protégé pendant la période où il n’était pas irrigué, on assiste en deux à trois minutes, à la prise en charge totale de la circulation par le cœur et on peut arrêter complètement la CEC. Dans certains cas, le cœur est fatigué et l’on doit prolonger pendant quelques minutes encore l’assistance par la CEC. Parfois encore, on a recours à des médicaments qui augmentent la force de contraction du ventricule.

Une fois la CEC arrêtée, on déconnecte le circuit du patient et on referme le foyer opératoire, sur des drains.

Ainsi, la CEC, mise au point dans les années 1950, a été la première révolution qui a permis de commencer vraiment la chirurgie cardiaque puis de la développer. Cependant, elle n’a pas résolu tous les problèmes : ce circuit artificiel constituait une certaine agression pour l’organisme, agression qui a été progressivement diminuée par les évolutions technologiques, aboutissant à des circuits plus réduits et plus bio-compatibles. Le problème majeur était surtout l’altération du muscle cardiaque ou myocarde, dans la mesure où il n’était plus irrigué par du sang oxygéné pendant le temps de réparation cardiaque. Ce phénomène a été longtemps responsable d’une importante mortalité opératoire. C’est une deuxième révolution, à partir des années 1980, qui a modifié radicalement le pronostic des opérations cardiaques :

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LA PROTECTION DU MYOCARDE :

Le myocarde, comme tous les tissus de l’organisme, utilise un combustible, dans deux buts : d’abord maintenir en vie les cellules qui le composent et ensuite, permettre au muscle de se contracter, avec une activité électrique (électrocardiogramme) et une activité mécanique de pompe : ce combustible, en première approximation, est constitué par l’oxygène véhiculé par le sang des artères. Pour maintenir la survie cellulaire, 5 % seulement de la consommation d’oxygène est nécessaire. Et on ne pourra jamais descendre au-dessous de ce seuil. C’est dire que 95 % de la consommation d’oxygène du myocarde est utilisé pour l’activité électrique et mécanique du cœur. C’est dire aussi que si l’on arrête l’activité électrique et l’activité mécanique du cœur, on économisera 95 % des besoins en oxygène de ce muscle.

C’est là le principe fondamental de la préservation du myocarde : si l’on n’apporte plus de sang oxygéné au cœur (un clamp a été mis sur l’aorte entre le cœur et le site de réinjection de la CEC), il faut arrêter l’activité électrique et mécanique du cœur de façon à diminuer de 95 % ses besoins en oxygène. Plusieurs moyens ont été utilisés historiquement pour obtenir ce résultat.

L’hypothermie :

FRESENIUS avait montré, en laboratoire, qu’en abaissant la température du cœur à 15°, on diminuait de 95 % ses besoins en oxygène. Dans les premières années de la chirurgie cardiaque, on chercha donc à abaisser la température de tout l’organisme entre 25° et 30°, au début en immergeant le patient dans une baignoire d’eau glacée. Plus tard, grâce à l’échangeur thermique branché sur le circuit de CEC, on abaissa la température du patient en refroidissant le sang qui lui était injecté. Cependant, comme nous l’avons dit, à cette température, les besoins du cœur en oxygène restaient encore élevés, ce qui entraînait une altération du myocarde et donc un mauvais résultat de la chirurgie.

C’est pourquoi, dans les années 1980, on tenta d’abaisser plus profondément la température du myocarde lui-même : après la mise en place du clamp sur l’aorte (exclusion du cœur de la circulation artérielle), on perfusait du sérum glacé dans les artères coronaires , descendant la température du myocarde à 8°. A ce stade, l’activité électrique et mécanique du cœur était arrêtée et les besoins en oxygène limités aux 5 % nécessaires à la survie des cellules. Cependant, au cours de l’opération, la chaleur ambiante et celle des lampes opératoires, avait tendance à faire remonter cette température. Deux moyens étaient alors utilisés pour combattre cet inconvénient : réinjecter périodiquement du sérum glacé dans les coronaires et remplir le sac péricardique qui entoure le cœur avec du sérum glacé ou de la glace pilée stérile. Cette méthode a été très longtemps utilisée et l’est encore de nos jours. En pratique, dès que la CEC est mise en route, on induit un refroidissement de l’ensemble de l’organisme jusqu’à 32° ou 33° grâce à l’échangeur thermique. Dès que le clamp est posé sur l’aorte, on injecte dans les artères coronaires environ 1 litre de sérum glacé en deux à trois minutes : on voit les contractions du cœur cesser, puis l’activité électrique s’arrêter, l’électrocardiogramme devenant plat. En même temps, le péricarde est rempli de glace.

Cette méthode s’est révélée très efficace et a fait considérablement reculer la mortalité opératoire et les complications postopératoires.

Cependant, l’hypothermie a des effets néfastes, notamment sur le cœur où la température est abaissée aux alentours de 8°. Elle peut provoquer des lésions cellulaires et, tout au moins, provoquer au cours du réchauffement un phénomène d’œdème des cellules cardiaques qui, temporairement, gênera le bon fonctionnement du cœur. C’est ainsi que l’arrêt de la CEC, en fin d’intervention, peut s’avérer difficile ou que le fonctionnement cardiaque peut être moins bon dans les heures qui suivent l’opération. D’où la recherche d’autres méthodes.

L'hyperkaliémie (saturation de la circulation du cœur en ions potassium ou K) :

Par des phénomènes physiologiques que nous ne développerons pas, l’ion potassium ou K est capable d’arrêter le fonctionnement des cellules du cœur : arrêt de l’activité mécanique et arrêt de l’activité électrique. D’où l’idée de saturer la circulation coronaire avec du potassium.

En pratique, dès que l’on a mis en place le clamp sur l’aorte, on perfuse dans les artères coronaires du sang normothermique (température normale à 37°) provenant du circuit artificiel et donc du patient, tout en l’enrichissant fortement en potassium. En deux à trois minutes, on voit les contractions du cœur s’arrêter puis l’activité électrique cesser (électrocardiogramme plat sur le moniteur), ce qui nous conduit à l’état souhaité de diminution des besoins en oxygène et donc de protection du myocarde. Cependant, le potassium a tendance à se diluer dans la circulation générale, imposant une réinjection de sang normothermique hyperkaliémique toutes les 10 à 15 minutes alors que, dans le cas de l’hypothermie, la réinjection n’était nécessaire que toutes les 40 mn. C’est le seul inconvénient de cette méthode et il n’est pas très important puisque, à chaque réinjection, il n’entraîne qu’une perte de temps de 2 minutes.

Actuellement, la tendance générale de beaucoup d’équipes est d’utiliser, pour protéger le myocarde, cette méthode du sang normothermique hyperkaliémique. Et les résultats des opérations cardiaques en sont nettement améliorées.

Ainsi, autorisée par la mise au point de la CEC, la chirurgie cardiaque a vu son pronostic opératoire amélioré dans les années 1980 par l’hypothermie et encore amélioré, dans les années 1990, par l’hyperkaliémie en normothermie.

Et pourtant, cinquante ans après, on se demande si certaines interventions de chirurgie cardiaque ne peuvent pas se faire sans l’aide de la CEC. Effectivement, ce qui était impossible en 1950… le devient en 2000 !