Concentrateur d'oxygène

Concentrateur d'oxygène

Un concentrateur d'oxygène est un dispositif qui concentre l'oxygène provenant d'une source déterminée (généralement l'air ambiant) en fournissant un mélange de gaz enrichi en oxygène. Généralement, un concentrateur d'oxygène a recours à la technologie connue sous le nom de «adsorption de l'oscillation de pression», un processus physique pour la séparation de mélanges de gaz par adsorption sous pression. Ce type d'appareil médical est largement utilisé pour la fourniture d'oxygène dans des applications sanitaires, en particulier quand l'oxygène liquide ou pressurisé est trop dangereux ou peu pratique, comme par exemple dans les habitations privées ou dans d'autres contextes. 

Fonctionnement

Les concentrateurs d'oxygène fonctionnent en se basant sur le principe de l'adsorption rapide de l'oscillation de pression (PSA) atmosphérique de l'azote sur un tamis moléculaire de zéolite. L'azote est ensuite enlevé. Ce type de système d'adsorption est donc sensiblement un «filtre» pour l'azote qui permet aux autres gaz atmosphériques de passer sans problème le tamis de zéolite. À la fin de ce processus, il reste donc de l'oxygène à concentration élevée, comme gaz principal résiduel. La technologie PSA est une technique fiable, rapide, convenable et économique pour la génération d'oxygène en petite ou moyenne quantité, tandis que la séparation cryogénique se prête davantage à la production de volumes plus élevés. La zéolite poreuse à pressions élevées, adsorbe de grandes quantités d'azote, à cause de sa grande superficie de contact. En un deuxième temps, après la séparation d'oxygène et des autres gaz qui ne sont pas adsorbés, par le biais d'un autre passage, l'azote est désadsorbé du tamis moléculaire. Un concentrateur d'oxygène est simplement constitué d'un compresseur d'air, de deux cylindres pleins de pellets de zéolite, d'un réservoir d'égalisation de la pression et de quelques soupapes et tubes. Dans la première moitié du cycle, un premier cylindre reçoit de l'air du compresseur, pendant environ 3 secondes. Pendant ce temps, la pression dans le premier cylindre augmente de la pression atmosphérique à une pression égale à environ deux fois la pression atmosphérique normale (en général 20 psi/138 kPa, ou bien 2,36 de pression atmosphérique absolue) et la zéolite se sature avec l'azote. Une fois que dans le premier cylindre, à la fin de la première moitié du cycle, une concentration proche de celle de l'oxygène pur est atteinte (de petites quantités d'argon, de CO₂,de vapeur d'eau, de radon et d'autres composants atmosphériques mineurs restent non tamisés par la zéolite), une soupape s'ouvre et le gaz enrichi en oxygène s'écoule vers le réservoir d'égalisation de pression, qui est relié au tube d'oxygène pour le patient. À la fin de la première moitié du cycle, il se vérifie un autre changement de position de la soupape, afin que l'air du compresseur soit dirigé vers le second cylindre. Au moment où l'oxygène enrichi se déplace vers le réservoir, la pression dans le premier cylindre baisse, ce qui permet à l'azote d'être désadsorbé et de recommencer à se diluer dans le gaz. Pendant la seconde moitié du cycle,
la position de la soupape se modifie également, ce qui permet au gaz présent dans le premier cylindre de se purger à l'air ambiant. Simultanément, la concentration d'oxygène dans le réservoir de pression d'égalisation est maintenue et ne baisse pas en-deçà de 90% environ. La pression dans le tube qui transporte l'oxygène du réservoir de compensation jusqu'au patient reste constante grâce à la présence d'un réducteur de pression.

Les anciennes unités de concentrateurs se caractérisaient par un cycle d'une période égale à environ 20 secondes et étaient en mesure d'émettre jusqu'à 5 litres par minute d'un mélange contenant de l'oxygène en un pourcentage supérieur à 90%. À partir de 1999, des unités capables de fournir jusqu'à 10 litres par minute, avec la même concentration, ont été mises sur le marché.

Applications

Les générateurs d'oxygène, par le biais du système PSA, représentent une source d'oxygène économiquement convenable. Ils sont plus sûrs, moins coûteux, et tendanciellement plus pratiques que les réservoirs d'oxygène cryogénique ou que les classiques bouteilles d'oxygène liquide. Ils trouvent application dans différents domaines et industries outre l'industrie médicale, par exemple dans le domaine pharmaceutique, du traitement des eaux et dans la production du verre.

Caractéristiques

Les concentrateurs les plus récents sont des dispositifs techniquement réalisés pour émettre de l'air enrichi en oxygène jusqu'à 90-95%, avec des variations ne dépassant pas ±3% selon l'ampleur du flux. Ils se divisent en concentrateurs fixes (dont la source d'alimentation est représentée par le réseau électrique normal) et en concentrateurs mobiles (avec source d'alimentation à batterie).

Pour des raisons de sécurité, ces dispositifs sont dotés d'un système d'alarme qui s'active alors que, pour quelque motif que ce soit, l'émission d'air enrichi en oxygène  baisse à une concentration inférieure à 82%. Toujours pour des questions de sécurité, le patient qui utilise le dispositif à son domicile, en dehors de tout contrôle sanitaire, est informé qu'il doit recourir à une bouteille d'oxygène gazeux en cas d'urgence et demander une aide qualifiée pour le contrôle et l'entretien du concentrateur. Le poids et les dimensions de ces dispositifs sont plutôt réduits: les unités actuellement dans le commerce dépassent difficilement les 25 Kg. Ces caractéristiques représentent une réelle limite à l'atteinte de flux de travail et de concentrations particulièrement élevées. Toutefois, même en présence de ces limitations, ces unités assurent d'excellentes prestations pour une vaste gamme d'exigences. En particulier, chez les patients qui présentent des capacités de mobilité réduites, conformément à certaines caractéristiques cliniques, le recours à des concentrateurs fixes est indiqué et particulièrement avantageux tant à domicile, que dans certaines structures sanitaires de type hospitalier ou territorial (par exemple dans certains centres de soins de type rééducation ou dans des résidences sanitaires assistées -RSA).

Comme nous l'avons déjà évoqué ci-dessus, le traitement avec de l'oxygène provenant d'un système de distribution doit être considéré comme un traitement à l'air enrichi en oxygène. En d'autres termes, le pourcentage d'oxygène se différencie de celui pouvant être obtenu avec de l'oxygène liquide (concentration d'O₂ non inférieure à 99,5%) et généralement, si l'on tient compte de certaines variations de constructeur à constructeur, atteint 90-95% et en tous cas ne descend jamais en-deçà de 82%. Les principales normes de construction prévoient en outre une tolérance de ±3% par rapport aux concentrations déclarées par le fabricant.

Au delà des petites variations d'un modèle à l'autre, il faut rappeler que la concentration en oxygène fourni par ce type de dispositifs, peut également varier selon le flux d'air que l'on souhaite faire parvenir jusqu'à la bouche du patient. À titre d'exemple, si un flux d'1 litre/minute est compatible avec une concentration d'O₂ de concentrateur égale à 95% environ, en augmentant le flux jusqu'à 5 litres/minute, la concentration d'O₂ diminue jusqu'à 90% environ. Normalement, cette baisse de concentration de l'oxygène n'a aucune signification majeure, toutefois, il est toujours de bonne norme de réévaluer la saturation d'oxygène (SpO₂) et la PaO₂ même après une période adéquate (environ une demi-heure) de respiration avec le flux prescrit par le médecin et émis par le concentrateur à domicile. La concentration d'oxygène se réduit également à cause d'autres facteurs, parmi lesquels essentiellement les défauts de fonctionnement ou problèmes des filtres, en particulier du filtre anti-bactérien. C'est pourquoi il convient toutefois d'effectuer un entretien adapté de l'appareil une fois par mois ou bien tous les deux mois. L'utilisation du concentrateur d'oxygène implique évidemment un coût pour la consommation d'énergie électrique. Ce coût, calculé pour un appareil de 400 watts qui fonctionne pendant 20 heures par jour, atteint environ 25-30 euros par mois. Dans certains pays européens, ces frais sont remboursés par le service sanitaire. Selon certaines directives pour l'oxygénothérapie à long terme, il n'est pas conseillé de recourir à un concentrateur d'oxygène si le patient a besoin de flux supérieurs à 5 litres par minute. En-deçà de cette limite, l'utilisation du concentrateur d'oxygène est certainement possible même s'il convient toujours d'évaluer les caractéristiques cliniques particulières du patient. Selon certaines études, les meilleurs résultats avec ce type de dispositif sont obtenus pour des flux d'oxygène d'environ 2 litres/minute, ou bien des flux qui permettent des concentrations d'O₂ non inférieures à 95%.

Le progrès technologique favorise le développement de nombreux concentrateurs de type portable alimentés par des batteries internes, de type rechargeable qui produisent un flux d'oxygène non médicinal (dont la concentration est inférieure à 99,5%) à flux intermittent, en modalité pulsée (à savoir émission d'oxygène pendant la première partie de l'inspiration) ou bien sur demande (oxygène émis pendant toute l'inspiration).