Vaporizadores anestésicos (II)

Teniendo como base la clasificación de Dorsch modificada pasamos a enumerar las distintas características de diseño que pueden tener los vaporizadores y a incluir en ellas los distintos modelos descritos anteriormente.
 Gironés Muriel A
Hospital Universitario Sanitas La Moraleja Madrid, España

Clasificando vaporizadores

Resultado de imagen de interior de vaporizadores anestesia
equipomedicotm.blogspot.com

En una entrada anterior hemos introducido los diferentes tipos de vaporizadores que uno puede ver en quirófano. Teniendo como base la clasificación de Dorsch modificada pasamos a enumerar alguna de  las distintas características de diseño que pueden tener los vaporizadores y a incluir en ellas los distintos modelos descritos.

Aclarar, que se pueden encontrar diferentes características de diseño en el mismo vaporizador, y que por tanto, algunas caracteristicas no excluyen la incorporación de otras.

1.Vaporizadores Con Cortocircuito variable (“bypass”)

Esquema vaporizador de cortocircuito variable

Es una característica de diseño muy utilizada en los vaporizadores que se usan hoy. La característica que lo define es la existencia, dentro del propio vaporizador, de dos circuitos interconectados por donde circula el gas fresco: 1- El circuito de vaporización y 2- El circuito derivado que bypasea (perdonen el aforismo) la cámara de vaporización para volver a juntarse a su salida con el primer circuito. A este grupo pertenecen la mayoría de vaporizadores actuales como son los Tec 4, 5, 7, los Aladin, los Vapor 19, Vapor 2000 y los Vapor 3000, entre otros.
Estos dos circuitos para el paso del flujo de gas fresco tienen su función, ¡claro está! Por un lado se encuentra el circuito de vaporización que contiene el gas vector, cuya función es recoger el anestésico volátil. El gas vector debe pasar lo más cerca posible de la superficie líquida del halogenado, pues de esta forma, se consigue un eficaz arrastre de vapor anestésico. De hecho, consigue alcanzar casi su presión de vapor.
El pequeño problema es que, a unos 20º C, el sevoflurano, el desflurano y el isoflurano tienen una presión de vapor de 157, 667 y 250 mmHg respectivamente. Como resultado de la tozuda ley que el Sr. Dalton formuló hace años, estas presiones de vapor ofrecerían a la salida del vaporizador un flujo de gas con unas sádicas concentraciones de anestésico. Para más señas en torno al 20%, el 87% y el 32% de halogenado respectivamente. Para no sobredosificar al pobre paciente es necesario diluir piadosamente la concentración de gas anestésico hasta unos niveles clínicos. Esta dilución se consigue mediante el desvío de la mayor parte del flujo de gas fresco a través del otro circuito existente, que no pasa por la superficie del anestésico volátil (el flujo de gas derivado). Los ingenieros han necesitado estrujarse la cabeza para diseñar una máquina que ajuste automáticamente la relación entre el flujo derivado y el flujo de vaporización para así aportar al paciente una concentración de gas anestésico adecuada según queramos nosotros, los anestesiólogos.

Cómo se calibra ese porcentaje de gas anestésico
Un poco de ciencia básica: Para el cálculo de la concentración del anestésico a la salida del vaporizador es necesario asumir que la cámara de vaporización está saturada con vapor anestésico y también conocer ciertos parámetros físicos que hacen posible ajustar el porcentaje de anestésico a la salida del vaporizador. Estos parámetros son: 1- la presión de vapor del agente (PV), 2- la presión atmosférica ambiental (Patm), 3- el flujo total de gases aportados al paciente (FGF) , 4- la relación entre el flujo derivado (Fd) /Flujo de vaporización (Fv), y por último, 5- la temperatura.

El porcentaje de anestésico (A%) que sale de la cámara de vaporización siguiendo la ley de Dalton es A% = PV/ Patm x 100% (PV= Presión de vapor del anestésico y Patm = Presión Atmosférica  En el caso del Sevoflurano; (157/760)x 100=20,65%
Otra  formulación para calcular el porcentaje de anestésico que sale de la cámara de vaporización es A%=(VA / (VA + Fv)) x 100% donde VA es el Volumen de anestésico y Fv el Flujo de gas a la cámara de vaporización)
Por lo tanto, a igualdad de la ecuación, despejamos y nos queda la fórmula: PV/ Patm = VA / (VA + Fv). Hasta aquí sencillo ¿verdad?
En un vaporizador con dos flujos (el de vaporización y el derivado) podemos decir también que el porcentaje de anestésico obtenido a la salida del vaporizador es la mezcla de los dos flujos que se juntan, tanto el de vaporización (Fv) como el flujo derivado (Fd), por lo que el porcentaje de anestésico se puede expresar como: C% = VA / (VA + Fv + Fd) x 100%
Dado que el volumen de anestésico no se conoce, despejamos el volumen de anestésico (VA) de las ecuaciones anteriores y podemos calcular la concentración del anestésico si conocemos los flujos de gas a través de la cámara de vaporización y del circuito derivado. O a la inversa, pues a partir de una concentración de anestésico conocida se puede calcular la relación de ambos flujos.
Concentración de anestésico (%) = 100 x Fv x (PV / Fd) x (Patm – PV) + Fv x Patm
Resultando esta fórmula que nos sirve para calibrar el vaporizador en condiciones controladas o para ajustar la concentración si solo disponemos del flujo y la temperatura como datos.
Tabla de Vernitrol para control del gas anestésico mediante el control del flujo y la temperatura del halogenado

Pero no hay que asustarse. No se suele ver a un anestesiólogo con calculadora, papel y bolígrafo ajustando el vaporizador mediante el flujo de aire. Pero tampoco es una exageración, pues sí era algo habitual, con el uso de los vaporizadores de burbujeo tipo Vernitriol, la utilización de unas tablillas o reglas que “facilitaban” la artesana labor de ajustar la concentración de halotano, isoflurano o enflurano mediante los litros/minuto de flujo aportado. Hoy en día eso ya viene de fábrica. El vaporizador queda calibrado y ajustado para ofrecer un flujo estable y una concentración de gas adecuada.

Al final, toda esta formulación necesaria para comprender cómo se calibran los respiradores se simplifica a la “titánica labor” de girar el dial para elegir concentración.
Así pues, recordar que tras el simple gesto de ajustar un vaporizador de sevoflurano al 2% se esconde un cuidadoso proceso de calibración previo que ajusta los flujos de gases dentro de los circuitos del vaporizador.

2. Vaporizadores con flujo cuantificado

Datex Engstrom

¿Y no es mejor elegir el flujo para ajustar la adecuada concentración en vez de calibrar el vaporizador a determinadas concentraciones y flujos de gas fresco?. Esta es una pregunta sencilla pero con una respuesta más complicada. Existen vaporizadores cuyo diseño se basa en la existencia de dos circuitos independientes entre ellos que necesitan regularse. Son los vaporizadores con flujo cuantificado. Al principio existía un elemento más o menos pensante que se encargaba de controlar los dos flujos para diluir el flujo vector cargado de anestésico. Me refiero al propio anestesista con los viejos vaporizadores Copper Kettle o Vernitrol. Después vino la electrónica e hizo posible que dicho flujo fuera controlado electrónicamente. Este diseño de control electrónico fue asumido por el vaporizador del Datex-Engström EAS 9010, que controlaba electrónicamente el flujo en los dos circuitos. Después, los modernos vaporizadores electrónicos tipo TEC 6 para el desflurano o el Aladin asumieron este tipo de flujo controlado en sus diseños. Mucho más exactos, pero también mucho más caros.

3. Vaporizadores con sistema de vaporización por arrastre o sobreflujo (Flow-over)

Esquema vaporizador Aladin

Otra gran pregunta que deberíamos hacernos a la hora de catalogar un vaporizador es: cómo vaporiza. Gran número de los vaporizadores actuales tienen la tecnología de sobreflujo en su diseño frente a la de burbujeo. Los de sobreflujo se basan en el simple paso (controlado o no) de un flujo de aire a través de una cámara donde hay una fase líquida y una fase gaseosa (el lugar de almacenaje del anestésico) que condiciona un arrastre de moléculas. Dicha cámara debe tener unas características físicas estables de temperatura y presión para que dicho espacio esté saturado de vapor anestésico en su interior y genere así una presión de vapor estable. Los TEC (salvo el Tec 6) y los VAPOR tiene esta forma de vaporización. El vaporizador Aladin también incorpora este tipo de vaporización, aunque cuando se requieren altas necesidades de concentración anestésico (como en el caso de inducciones inhalatorias) o con el empleo de desflurano) presenta un comportamiento más acorde al de un vaporizador de inyección con la puesta en marcha de un ventilador en su interior que fuerza la circulación del flujo de gas vector.

4. Vaporizadores con sistema de vaporización por burbujeo.

Esquema vaporizador por burbujeo

Este tipo de vaporización es la más sencilla, y por ello, la primera en utilizarse frente a la de sobreflujo. El uso de esta técnica para producir vapor de gas de un líquido se puede ver en los abundantes “humidificadores” de oxígeno que están presentes en el ambiente hospitalario (pues usan el mismo principio). El paso de una mezcla de aire u oxígeno a través del líquido anestésico origina un burbujeo y una saturación de halogenado a su paso, aunque es menos eficiente y exacto que en la vaporización por arrastre. A estas alturas del presente escrito tengo que romper una lanza evocando a esos vaporizadores pioneros y a esos clásicos gases anestésicos, pues no olvidemos que los hipnóticos intravenosos son unos advenedizos en esto del campo anestésico comparado con la larga evolución que los gases tienen en nuestra especialidad. No hay que menospreciar, por tanto, a los vaporizadores de burbujeo pues son el origen real de nuestra especialidad. Son duraderos, no tienen necesidad de enchufe y desde los tiempos en que Morton desarrolló el primer vaporizador para

Vaporizador de Boyle

el eter han ido evolucionando a la par que los halogenados para poder administrar gas con seguridad. Por ello dejo en un lugar muy especial a los viejos vaporizadores Boyle, Copper Kettle y Vernitrol, que utilizan esta forma de vaporización, unos vaporizadores que no precisan de una cámara de vaporización saturada de vapor de anestésico y que no disponen de la tecnología de diseño actual pero que han contribuido al desarrollo de nuestra gran especialidad.

5. Vaporizadores de Inyección o con mezcla controlada del gas vapor.

Este tipo de tecnología tiene similitudes con los actuales motores diesel. Es un diseño más actual, más fino…Y más caro, pues precisa de un sistema que busca el control en la mezcla final del flujo del gas vector con el gas fresco. La forma de hacerlo es inyectando un flujo de gas saturado de anestésico en el flujo de gas fresco que se dirige hacia el paciente (obviamente de ahí su nombre).

Para ello es preciso producir un vapor de anestésico muy controlado. El TEC 6, usado para el desflurano, y el Datex-Engström EAS 9010 utilizan esta inyección controlada del gas contenido en la parte alta de la cámara de vaporización. En este diseño de vaporizador es preciso calentar y tener la cámara de vaporización a una temperatura constante que sobrepase la temperatura de ebullición del anestésico. Hemos comentado también como el Aladin se comporta de manera similar cuando existen circunstancias que requieren aumentar la concentración de anestésico.

Adaptadores para la colocación del halogenado en el Datex Engstrom

El Datex-Egstrom EAS 9010 es uno de los primeros vaporizadores de inyección electrónicos que se usaron. Hay que admirar la originalidad de su diseño para su tiempo y destacar cómo los ingenieros que lo desarrollaron consiguieron una presión constante de 0,4 bar en la propia botella original del halogenado (halotano, enflurano o isoflorano). Que son los anestésicos que se pueden usar con este respirador/vaporizador. Todo mediante un adaptador especial para la misma botella original del producto y un flujo de oxígeno calibrado que impulsa el halogenado a la cámara de vaporización cuando este sea requerido. Allí el vaporizador asigna una temperatura fijada según sea el agente anestésico (por ejemplo, 75º C para isoflorano). Al final, es una válvula electromagnética la que deja pasar bolos de 1ml de gas vapor hacia la corriente de gas fresco. La frecuencia de estos bolos depende de la concentración de anestésico fijada por el anestesiólogo. Así de simple, así de complicado.

6. Vaporizadores que compensan la temperatura

La temperatura del anestésico debe ser constante como hemos comentado antes. La vaporización de una sustancia implica pérdida de la fase líquida para transformarse en fase gaseosa (se agota el líquido anestésico) a una velocidad que depende mucho de la temperatura. Esto no es magia, es simple teoría cinética. La misma que nos explica cómo la pérdida de temperatura que presenta un líquido evaporándose se origina porque:  1- Para que un líquido pase a una fase gaseosa se necesita energía para romper las fuerzas intermoleculares y la tensión superficial de las moléculas del líquido anestésico. 2- Esa energía es recogida de la energía cinética de las moléculas presente en la fase líquida. 3- La perdida de energía cinética se traduce en disminución de la temperatura. Toda una parrafada que se resume en que la evaporación origina un enfriamiento del líquido.

¿Y por qué es importante mantener la temperatura del líquido anestésico dentro del vaporizador? Pues porque la pérdida de temperatura origina por sí misma una disminución de la presión de vapor, y una disminución de esta presión condiciona una menor saturación del anestésico en el flujo de gas vector tras haber pasado por la cámara de vaporización. Y a estas alturas ya deberías saber que esto originaría una inexactitud inaceptable en la concentración de anestésico administrado.
Así pues, para intentar minimizar este fenómeno, los vaporizadores se construyen con materiales que tengan: un alto calor específico. Esta es una magnitud que se refiere a la necesidad de transmitir una gran cantidad de calor para incrementar la temperatura del vaporizador. Un alto calor específico nos ofrece así una resistencia al cambio de temperatura.
Pero también es adecuado que los materiales del vaporizador presenten una alta conductividad térmica. Está última tiene una magnitud inversa a la resistencia térmica y se refiere a la capacidad o facilidad de un material de poder transferir calor o energía cinética a sustancias adyacentes a él. De este modo, la temperatura media de un quirófano (20-22º C), debería ser transmitida a la del líquido volátil contribuyendo a mantener la temperatura del líquido más estable dentro de la cámara de vaporización.

Por estas razones, el cobre es el material más empleado en la construcción de vaporizadores, pues ofrece una alta conductividad térmica y un adecuado calor específico. Hay otras medidas aparte de usar cobre, como es la colocación de mechas o dispositivos que aumentan la superficie de contacto entre el gas vector y el líquido volátil. Estas mechas están colocadas en contacto directo con la pared del vaporizador con el fin de reemplazar el calor perdido por la evaporación.

Hacer de cobre un vaporizador no basta para alcanzar el nivel de precisión que se exige a los vaporizadores. Es necesario compensar mejor esa posible alteración de las temperaturas mediante algún sistema. Los ingenieros buscaron así unas soluciones de compensación a través del control del flujo de gas vector como manera de resolver posibles cambios de temperatura. Dicha modificación del flujo la resolvieron de varios modos:

1- Modificación del flujo mediante un ajuste manual o electrónico. Aquí hablamos del cielo o del infierno. El infierno de años heróicos y pasados con los vaporizadores Copper Kettel y los Vernitroles, que necesitaban de una compensación manual a cargo del anestesiólogo que miraba constantemente la temperatura del líquido anestésico. Este, mediante tablas preestablecidas, modificaba manualmente el flujo de gas vector y ajustaba así la concentración de salida del anestésico. O el cielo que ofrecen los diferentes sensores de presión y temperatura dentro del propio vaporizador que ofrecen los actuales Aladin y los TEC 6, por ejemplo, y que permiten modificar automáticamente el paso de flujo de gas vector dentro del vaporizador.

2- Modificación del flujo mediante procedimientos mecánicos o físicos. Gran parte de los vaporizadores contemporáneos, especialmente los de cortocircuito variable, presentan esta solución, pues permiten la compensación de la temperatura a través del flujo de gas vector mediante el empleo de elementos metálicos que modifican el flujo.

Ya sea mediante una lámina bimetálica o con un elemento de expansión, estos pequeños dispositivos presentan, en su contracción o dilatación debida a la temperatura, un cambio de conformación o forma que condiciona un mayor o menor paso del flujo vector en la cámara de vaporización.

3. La otra solución para compensar la temperatura es que el propio vaporizador aporte una temperatura constante a través de una resistencia eléctrica y que mantenga al líquido anestésico con una temperatura superior a la del medio ambiente, por encima de su temperatura de ebullición. El Tec 9 y el Egstrom EAS 9010 pertenecen a este tipo de dispositivos. El primero calienta el desflurano a 39º, mientras que el segundo calienta según el tipo de anestésico utilizado. El vaporizador Aladin tiene un control de dosificación de anestesia con un ventilador electrónico incorporado que incrementa la temperatura cuando es requerido, por ejemplo, para inducciones inhalatorias con sevoflurano o para el uso de desfluorano, que necesita de altas concentraciones.

Podemos decir entonces que la tecnología actual permite homogeneizar el rendimiento de la mayoría de los vaporizadores actuales entre los 20-35º C de temperatura ambiente, mientras que fuera de esos valores la concentración de gas entregado es bastante… ¡Impredecible!

7. Vaporizadores que ajustan la presión interna del vaporizador

El manejo de las presiones durante el ciclo respiratorio también ha inspirado a los ingenieros con la resolución de un problema que se da, sobre todo, en los vaporizadores de mayor uso actual; los de cortocircuito variable. Ellos observaron como la inspiración respiratoria se genera mediante una presión positiva en el respirador de anestesia hacia el paciente que puede ser transmitida de forma retrógrada hasta la salida del vaporizador. Como resultado de esa presión que ofrece una resistencia a la salida del vaporizador se produciría un estado de ausencia de flujo en el interior del mismo vaporizador que, a su vez, originaría un aumento de la concentración de anestésico al no existir un recambio de aire en la cámara de vaporización. Luego, cuando se origina la espiración del paciente, la presión a la salida del vaporizador cae bruscamente y el vapor de anestésico sería capaz de circular tanto por el circuito de vaporización como por el circuito de gas fresco, un lugar donde sólo debería pasar un flujo de gas fresco sin vapor de halogenado. La concentración de gas anestésico administrado iría aumentado respecto a la marcada por el dial paulatinamente en cada ciclo respiratorio mediante este efecto llamado por los eruditos: mecanismo del efecto de bombeo.

Esquema de los mecanismo autocompensadores de los vaporizadores de doble circuito

Este mecanismo es más pronunciado cuando usamos flujos bajos, cuando tenemos bajas concentraciones de gas marcadas en el vaporizador y cuando tenemos bajos niveles de llenado de anestésico. También el tipo de ventilación ofrecida a nuestro paciente influye en dicho efecto, pues frecuencias ventilatorias altas, el usar altas presiones pico y originar caídas bruscas de presión durante la espiración aumentan también este efecto bombeo en el vaporizador.

Los más modernos vaporizadores minimizan este efecto mediante diversas modificaciones estructurales. Una ha sido la reducción de la cámara de vaporización para disminuir la posibilidad de comprimir el gas, pues es más fácil de hacer con volúmenes de gas grandes. Otra modificación suele consistir en incrementar el recorrido del flujo de vaporización, siendo el Tec 3 de los primeros que incorporaron esa medida. Otras modificaciones aplicadas son la eliminación de las mechas en la cámara de vaporización en el lugar de entrada del gas y la implementación una válvula unidireccional en la salida común de los vaporizadores. Sin embargo, esta válvula no elimina por completo el fenómeno de bombeo, pues el flujo de gas tozudamente fluye desde los rotámetros al vaporizador durante la inspiración. Por dicha razón se incorporaron a partir de los Tec 5 y los Vapor 19.3 tubuladuras helicoidales o en espiral que minimizan este efecto al alargar el posible camino retrógrado del flujo e impedir que se reúna con el flujo de gas fresco.

Otras cuestiones

La importancia del flujo de gas en el rendimiento del vaporizador

La cantidad de flujo de gas fresco que pasa por el vaporizador tiene alguna importancia en el resultado de su rendimiento. Los vaporizadores, especialmente los de cortocircuito variable, están calibrados para aportar una determinada concentración de gas a unos determinados flujos. Por encima y por debajo de dichos niveles su rendimiento y precisión puede alterarse según las características de cada vaporizador. Los modernos vaporizadores suelen estar calibrados para flujos entre 0,2 y 10 l/min, con un rendimiento casi lineal cuando se solicitan concentraciones entre 3% y 12% de anestésico. Por regla general, a flujos menores de 250 ml/min la cosa empieza a fallar y los vaporizadores ofrecen una concentración menor que la que marca el dial, esto es patente en los vaporizadores de cortocircuito variable, pues en este caso, el flujo de gas vector es incapaz de recoger la suficiente concentración de moléculas de vapor anestésico. Por otro lado, a flujos superiores a los 10 lpm la capacidad de ofrecer una concentración adecuada también puede quedar tocada, pues la cámara de vaporización no puede dar un rendimiento óptimo entre el ritmo de vaporización del anestésico y la cantidad de anestésico que salen de la cámara.
Así pues, ya es hora de desechar la idea que, subiendo los rotámetros al máximo, conseguimos la máxima concentración de gas necesaria para realizar con sevoflurano una inducción anestésica o un bolo de anestésico.
Para disminuir este problema, los vaporizadores Tec y Vapor, a partir de sus versiones 4 y 19.1, incorporaron una amplia mecha en la cámara de vaporización y un sistema de pantalla que generan una mayor superficie de contacto entre el líquido volátil y el flujo de gas vector incrementando este rendimiento. Otra forma de solucionar este problema fue el incorporar los vaporizadores con inyección electrónica de flujo como tienen los Aladin, Tec 6 y el Datex-Egstrom.

Importancia de la composición del gas vector o transportador

Porque no es lo mismo aportar un flujo de gas con oxígeno al 100% que con una mezcla en la que exista N2O. Aparte de lo evidente, también podemos pensar en términos de eficiencia de un vaporizador. Una razón de esto se explica por la diferente solubilidad de estos gases que aportamos en el líquido anestésico, ya que una parte del gas vector debe diluirse en el anestésico, y hasta que no se produzca un estado de equilibrio, la cantidad de gas anestésico que abandona la cámara de vaporización será algo menor. Por eso, dado que el N2O es más soluble que el oxígeno, pueden existir pequeñas variaciones transitorias inferiores al 10% en la concentración de salida. ¡Eso sí, sin una gran significación clínica! No nos pongamos exquisitos. Este fenómeno se mantiene hasta que el líquido halogenado se sature completamente de los gases aportados por el gas vector.
Por otro lado, la diferente viscosidad y densidad del oxígeno frente al aire y al N2O también influye en la concentración aportada por el vaporizador a la salida del flujo de gas. En un vaporizador de tipo by-pass, el circuito de derivación lleva únicamente gas fresco, mientras que el circuito de vaporización lleva agente anestésico saturado. Ambos espacios influyen de diferente manera en la resistencia y en los flujos.

Esta es la razón por la que los vaporizadores tienden a suministrar mayor volumen de anestésico cuando el flujo gas tiene O2 al 100% y menos cuando usamos una mezcla con aire o N2O. Y aunque estos efectos son generalmente irrelevantes clínicamente, eso no quita para que conozcamos la causa real de pequeñas variaciones en torno al 10% respecto a lo marcado por el dial cuando usamos protóxido. Una diferencia que es dinámica temporalmente. Que es una forma muy cursi y cool de decir que la normalización de concentraciones aportadas se realiza dependiendo del tiempo y de los litros/minuto de flujo aportados, pues normalizamos concentraciones en 30 segundos cuando el flujo de gas fresco es de 5 l/m y de hasta 30 min cuando usamos flujos bajos.

Y creo que es suficiente por hoy. Este documento escrito es un homenaje para todos aquellos que han contribuido a diseñar un aparato tan familiar y de tan fácil manejo en mi vida laboral. Existen más diseños, más detalles físicos, mejores explicaciones y mayor “enjundia científica”, pero como dije a algún residente… Todo está en los libros.

Para saber más y mejor…

Miller Anestesia 5ª a la 8ª edición

 

 

Tags from the story
More from A. Gironés Muriel

Anatomí­a y técnicas de bloqueo axilar

La llegada del ecógrafo a nuestra actividad asistencial ha supuesto un cambio...
Read More

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *



5 + 5 =