Brevet FR2334334A1 — publié le 19770708

Le volume d'air expiré joue un role important dans l'étude de la respiration. Les spirométres à soufflets,ou encore les compteurs de fluides à organes tournants,ne présentent pas,surtout i l' usage ,une préçision suffisante.Seules les cloches hydrauliques équilibrées présentent des garanties d'exactitude,mais elles sont difficilement transportables,et ne permettent que des observations médicales de duree très insuffisante. La présente invention concerne principalement un procédé de mesure de la respiration qui utilise les propriétés aérodynamiques de deux orifices en mince paroi, de di ties inégaux, Le grand orifices, traversé par l'air expiréoest signé ci-après par la nota- tion O I ; le petit orifice,traversè par un liquide,estvdèsignè1 par 0 2.L'orifice O I est monté sur un masque respiratoire ou une cavité, et il est traversé par le courant flair expiré de volume V a,tandis qu'une soupape d1inspiration,placèe sur le masque/ est fermée.La résistance éprouvée par l'air au passage de O I provoque,en amont de l'orifice une pression d'air p qui est transmise à ltintérieurv d'une cuve de mesure renfermant un liquide,de l'eau par exemple,et force un volume d'eau V e,en relation avec V a, à traverser l'orifice 0 2 placé sur la cuve. La formule de Torricelli s'applique aux fluides en général. Pour l'air on a : et pour l'eau expressions dans lesquelles K a et K e sont des coefficients de proportionnalitè,et g l'accélération de la pesanteur.Il en résulte immédiatement la relation V a = K V e,marquant la proportionnalité entre les débits d'air et d'eau. Les coefficients K a et K e dépendent des dimensions des deux prifives, fixées par construction,et de la contraction des veines gazeuses, également déterminées pour des diamétres donnés t les résultats dépendent de la pression atmosphérique qui a pratiquement peu d' importance,sauf si l'on opère en altitude,et dont est d'ailleurs aisé de tenir compte ; ils dépendant davantage de la température ambiante, mais on limite cette action en plaçant l'orifice 0 I & proximité -de la bouche du sujet examiné.Sous ces reserves, d'importance minime pratiquement,il est- donc possible de remplacer la mesure des grands volumes d'air expiré par les minimes volumes d'eau recueillie dans le même temps,de procéder aux examens de longue durée,médicalement nécessaires,de bénéficier du faible poids ou encombrement des appareils,et surtout de la constance des moyens de mesure,simplement liét aux diamétres des deux orifices. La cuve de mequre a de préférence une forme cylindrique. L'orifice 0 2 est placé sur l'axe vertiual du cylindre,alimenté par l'eau à l'extrémité d'un siphon ,cette extrémité étant sensiblement au niveau de la surface libre de leau.prés amorçage du siphon,lteau St éoule,gouttes par gouttes sous l'action de très faibles pressions. @@@ En outre,la position axiale de l'orifice O 2 élimine les variations de charge du liquide sur l'orifice 0 2 qui résulteraient de l'obliquité du support de la cuve. Les modes d'application du procédé différent selon qu'il s' agit simplement de mesurer avec un spiromètre la capacité pulmonaire dans des expirations forcées qui développent des pressions relativement élevées ; ou bien de procéder à un examen médical de longue durée d'une respiratuon normale ou altérée par la maladie, laquelle developpe de faibles pressions dtair.Il est alors nécessaire que l'a application de l'appareil n'apporte pas une gène appréciable & la respiratIon du malade,et il est souhaitable qu'il puisse être transporté à son chevet. En outre-il doit permettre la prise d'un échantillon de l'air expiré,en vue de son analyse.Lorsqu'il s'agit d'utiliser un appareil à poste fixe,dans un hopital par exemple,on peut employer un réservoir auxiliaire pour alimenter la cuve de mesure. On obtient ainsi des examens d'une très longue durée,ainsi qu'une surveillance continuelle du malade par l'enregistrement périodique des volumes d'air expirés. Dans ces examens.et afin de réduire le volume d'eau employé, on donne à l'orifice 0 2 un faible diamétre, de l'ordre de I à 2 ment diamétre qu'il serait difficile d'obtenir d'une manière exacte .0n parvient néanmoins à donner à la section utile de passage de 0 2 une valeur déterminée par l'introduction axiale dans cet orifice d'une aiguille conique, et par des moyens permettant d en régler la position. L'enregistrement des volumes d'air expiré s'effectue en mesu rani; dans des temps constants les volumes d'eau débités par l'orifice n 2. Un électro-aimant commandé par un interrupteur rotatif commande une valve qui admet l'eau dans un tube mesureur, puis en effectue la vidange, et régie la durée et la périodicité de ces opérations. Le niveau de l' eau dans ce tube est fourni par un flotteur inscrivant son déplacement sur le papier d'enregistrement sous la forme de droites dont la longueur mesure le volume d'air expiré dans les temps constants.Pour assurer l'exactitude de ces tracés,il est ïndis- pensable que la translation verticale du flotteur soit obtenue avec le minimum de contraintes qui oriquement agir sur un solide. dans son déplacement. On mesure la fréquence des respiratiohs d'un malade en réunissanr son masque,soit à un soufflet, soit de préférence à une cloche mobile sur un liquide et partiellement équilibrée. Cette cloche, réunie à une source de courant s'éléve sous l'action de la pression de l'air expiré ,et ferme un circuit électrique sur un-électro-aimsnt gui actionne un totalisateur à roulettes .Lors de 1 ouverture de la soupape d'inspiration, la pression de l'air s'annule, la cloche s'abaisse, mais un dispositif de freinage la maintient dans une position intermédi aire.S1il y a cessation de la respiration du malade,la cloche parvient dans sa position inférieure,et ferme un circuit d'avertissement. Trois applications du procédé,et des dispositifs qui en dérivent, sont écrites ci-aprés à titre d'exemples,et elles font l'objet des figures schématiques suivantes : La fig. I représente en coupe verticale un spiromètre servant à la mesure Me la capacité pulmonaire ; la Fig. Il représente un masque utilisé dans les mesures de la respiration, et permettant,in vue de l'analyse,la prise d'un échantillon d'air expiré ; La fig.III concerne un appareil apte à ces mesures , transportable, et utilisant le masque de la fig.II ; La Fig; IV est une coupe verticale dela partie centrale de la fig.III La Fig.V représente en coupe verticale la-soupape d'inspiration; La fig.VI représente un appareil fonctionnant à poste fixe,permettant des examens d'une très longue durée de l'air expiré,et la prise d'échantillons moyens de cet air ; La fig. VII représente un enregistreur des volumes d'air expiré utilisé avec l'appareil représenté partiellement avec la fig.VI. la fig. VIII représente un dispositif qui peut être joint à l'appareil représenté par les Fig. VI et VII ,permettant de totaliser les respirations durant un examen,et aussi,lors d'une surveillance mèdicale,de signaler 1' arret des respirations. En utilisant le spirométre représenté par la fig. I; le sujet examiné procède à une expulsion forcée de l'air expiré en soufflant dans l'embout formé d'un cylindre I à l'extrémitée aplatie partiellement.Il oblige cet air à passer à travers l'orifice en mince paroi O I .La pression d'air qui en résulte en amont de cet orifice est transmise pat les ajutages 2 et 3 Net un tube de caout-chouc à 1' intérieur de la cuve 4.Cette cuve de forme cylindrique est soudée à s une pièce centrale 5 qui renferme des conduits 6 formant siphon. Sous l'influence de la pression d'air, l'eau 7 contenue dans la cuve parvient à orifice en mince paroi 0 2,et s'écoule sous la forme d' un jet dans l'éprouvette de verre gradué 8. La vidange de la cuve se fait avec le robinet 9. Ainsi qu'il a été dit,le volume d'eau recueillie lors d'une expiration est proportionnel au volume d'air correspondant ,et lui sert de mesure.L'éprouvette 8,graauée en litres d'air, porte un repère R marquant le volume d'eau nécessaire pour que cette eau parvienne dans la cuve de mesure 4 au niveau de 0 2. La pression de l'air lors d'une expiration forcée est relativement élevèe.Elle provoque Itamorçage du siphpn,et permet aussi un abaissement notable du niveau d'eau Fans la cuve. Ce spirométre est notamment utilisé pour le dépistage scolaire et par les sportifs.Son mode d'emploi est très simple et rapide : On verse dans l'entonnoir 10 la quantité d'eau contenue jusque R dans ltéprouvette,et on ferme le robinet II. Aprés une forte expiration on lit le résultat sur ltéprouvette,puis on reverse son contenu dans la cuve ,en vue d'un nouvel examen.Le faible poids et les petites dimensionsde-l'appareil en rendent le transport facile.a qualité té essentielle résulte de ce que ses résultats sont uniquement fonction des diamètres des orifices 0 I et O 2, respectivement do 'ordre de 8 et 5 m/m, alésables avex une grande précision. Le masque I2 représenté par la fig.II est pourvu d'une bordure pneumatique I3. Il englobe le nez et la bouche du sujet examiné, et il communique avec un boîtier I4 de section rectangulaire,pourvu de l' orifice o I et de la soupape d'inspiration 15,dont la fig.V représente une coupe.Afin de permettre la prise d'un échantillon d'air expiré,sans modifier le fonctionnement de l'orifice O I,ce dernier débouche dans le cylindre vertical I6 , protégé par le disque 17 et librement ouvert à l'atmosphère. Un ajutage I8 relié par exemple & BR la figure III représente un appareil utilisable par leq pneumo-phtisiologues,transportable au chevet d'un malade,et permet tant des examens durant environ 30 à 4Q minutes.Cet appareil est relié comme l'indique la figure au masque représenté fig.II. la cuve de mesure 4 d'une faible hauteur et d'un large diamètre est adaptée à ces essais.Sa partie centrale 5,analogue à celle représentée par la fig;I comprend les conduits 6 de siphonnage et l'orifice 0 2.Ce dans dernier est percé # une pastille I9 en acier inoxydable,fixèe axialement à l'extrémité du boisseau de robinet 20.Le passage de lt eau dans 0 2 peut être modifié par l'enfoncement d'une aiguille cônique en acier inoxydable,fixée à l'extrémité de la vis de réglage 21.Dans la position du boisseau représentée par la fig.III,la capacité interne du boisseau communique avec les conduits 6 amenant l'eau à l'orifice 0 2.En tournant le boisseau de 90 , dans la position de la fig.IV,ltorifice O 2 communique avec' une jauge de verre 23 portant deux repéres.et contenant de lteau.On règle la vis 23 jusqu'S ce que la durée du passage de cette eau entre les deux repères de la jauge atteigne une valeur donnée.Celle-ci correspond à une ouverture de passage de 0 2 exactement déterminée,malgré ses faibles dimensi Un chapeau 24 reposant sur un joint protége la vis 2I, et s'oppose au passage de l'eau à travers le filetage de la vis.Le organes 9, IO,et II remplissent le role défini dans la-fig.I.'On chronomètre le temps nécessaire pour l'écoulement par 0 2 d'un volume d'eau mesu re par un vase gradué en centimétres cubes?/On obtient ainsi le volume d'air expire par minute,dans la période considérée. La valve d'aspiration 15 est représentée en coupe par la Fig.V représentant un mode d'execution de cette valve,laquelle- selon son orientation peut nécessiter l'emploi de ressorts.Un cadre très leger 25 pivote en 26.11 porte une membrane de caoutchouc 27 qui,au repos de cette valve repose sur le pourtour arrondi 28 limitant l'ouverture dtentrée de l'air. La fig. VI représente partiellement un appareil utilisable dans les hopitaux,et qui permet un controle de la respiration plus complet et de longue durée.Cet appareil comprend le masque I2 son boîtier 14 et le cylindre I6 relié à un dispositif de prélévement d' un échantillon moyen a'air expiré .Ce prélèvement s'effectue à I' aide d'une moto-pompe 29 d'un trés faible débit ,fonctionnant périodiquement pour remplir le sac de baudruche 30. Le contenu de ce sac sera ensuite analysé, de manière à déterminer par exemple, conjointe- ment avec le volume d'alr expiré, le métabolisme de base du malade. - Cette périodicité dii prélévement dtair est obtenue avec un disque isolant 3I entrainé par un moto-réducteur .Ce disque porte & sa périphérie un secteur conducteur 32 relié à la bague 33.Le courant est amené par ies balais reliés au secondaire à basse tension du transformateur 34.A chaque passage du secteur 32,la moto-pompe 29 prélève un petit échantillon d'air et ltenvote dans le sac 30* La cuve de mesure 4 construite comme celle de la fig.III,mais d'un moindre diamètre est alimentée par un réservoir 35 à laide au tube 36.Le plan de l'eau,maintenu au niveau de orifice 0 2 ,est stabilisé par une électrode 37 dont l'extrémité inférieure affleure ce niveau, et qul,par l'intermédiaire d'un relai non représenté sur la figure,ferme un circuit électrique issu du transformateur 34 aur l'électro-aimant 35'.Ce dernier agissant sur le levier 361,pivotant en 37t obture par un tampon placé à son extrémité,le petit orifice 38,et s'oppose à l'alimentation en eau de la cuve 4. Lorsque, sous 1' action de la-pression d'air transmise par le tube 39,l'eau s'écoule en 0 2 ,le plan a'eau de la cuve quitte l'électrode 37 ,et coupe e courant sur l'électro-aimant 35'.Le contre poids 40 dégage l'orifice 38 et permet une admission d'eau dans la cuve 4 et le rétablissement du niveau primitif.L'eau évacuée par 0 2 peut être mesurée par l'éprouvette gradue 41 ,mais elle est de préférence enregistrée par l'appareil qui fait l'objet de la fig.VII. Cet appareil enregistre toutes les dix minutes par exemple le volume d'air expiré émis dans cetta période de temps,sous la forme d'une série de droites parallèles ,dont la longeur est proportionnelle à ce volume.ans ce but l'eau émise par l'orifice 0 2 et provenant de la cuve 4 de la figure VI parvient dans un tube cylindrique 42 ,en passant par un organe de commande formé d'un disque 43 à la surface rodée,percée de trois orifices.Cesderniers aboutissent ; orifice 44) relié au vase 47 recevant l'eau do O 2 ; orifice 45 au tube 42 ; orifice 46 à une vidange.Sur le disque 43 repose un second disque 47 visible sur la petite vue en plan,également à surface rodée, et dans lequel est aménagée une lumiàre 48.Le disque 47 oscille autour d'un axe 49 et fait communiquer successivement à l'aide de la lumière 48 les orifices 44 et 45 pendant I 'alimentation en eau du tube 42,puis les orifices 45 et 46 pendant la vidange du tube. Ces opérations sont commandées par un electroraimant 50 et un ressort antagoniste 5I. Un interrupteur électrique rotatif avec disque isolant 31 , semblable à celui représenté par la fig.VI,fait basculer périodiquelent le disque 47,et assure la vidange du tube 42 lorsque son secteur 32 est mis sous courant. Le flotteur 52 est uni à la plume d'enregistrement par la tige 53,elle-méme unie à la tige transversale 54.Celle-ci est guidae par deux fentes 55 pratiquées selon deux génératrices opposées à la partie supérieure du tube 42.La coupe m n de ce tube montre aussi la plaque 56 fixée au flotteur.Cette disposition du flotteur assure grace à un minimum des contais ,et malgré las faibles volumes enregistrés, une grande préçision des tracés 57 inscrits sur le tambou 58.On distingue en effet 5 contraintes,dont 2 par la plaque 56, 2 au passage dans les deux fentes de la traverse 54,et I au contact de la plume et du tambour.es cinq contraintes représentent le minimum théorique applicable au déplacement d'un solide,le seul degré de liberté étant donné par la translation du flotteur. On obtient ainsi sur le tambour enregistreur une série de droites 57, qui dans la fig.VIf peuvent par exemple représenter 1' accroissement du volume d'air expiré sous l'action thérapeutique d' un médicament.Âvec un tube 42 de diamètre intérieur 20 m/m,une levée maximum de la plume de 80 mn,et six enregistrements par heure,la consommation d'eau serait de 250 cc'par heure.Toutefois une telle levée serait rarement atteinte et on pourrait prévoir pour le réservoir auxiliaire une capacité de l'ordre de trois litres. La figure VIII concerne un compteur des cycles respiratoires muni d'une signalisation automatiqe de la respiration d'un malade, et qui peut être adjoint à l'appareil représenté par les fig.VI et VII.Ce compteur comprend une cloche légère 59 oscillant autour de l'axe 60 et partiellement équilibrée par le contre-poids 6Ila .La partie inférieure de cette cloche trempe dans un bain d'huile 62 contenue dans le récipient 63 et relié ainsi que la cloche avec le secondaire 34 du transformateur.Un tube 64 relié aumasque I2 aboutit à l'intériur de la cloche et lui transmet les pressions drues aux expiration, mais ces pressions s'annulent lors des inspirations,en raison de la grande ouverture de la soupape d1inspîration.Pendant l'expiration la cloche stéléve,et le bras 65 qu'elle porte rencontre le contact supérieur 66 .Le-circuit se ferme alors sur l'électro- aimant 67 qui fait avancer d'un rang la roulette du compteur 68. Pendant l'inspiration la cloche s'abaisse incomplètement sous le faible deséquilibre du contre-poids 61j possible de freiT ner par exemple en provoquant par le déplacement de la cloche la rotation d'un disque de cuivre dans l'entrefer dtun aimant permanent de position églable.Si l'arret de la respirathon se confirme,lacloche 59 s'abaisse complétement, vient toucher le contact inférieur 69 et actionne la sonnerie 70. L'ensemble de ces dispositions permet d'exercer une surveillance continuelle sur un malade, analogue à celle réalisée en cardiologie, quoique par des moyens différents. Il est bien entendu que l'invention ne se limite pas aux dispositions' qui viennent d'être décrites,et qui peuvent être modifiées Le procédé peut être appliqué différement, et on peut par exemple, quoique dans des conditions de mesure-moins préçises,remplacer les orifices en mince paroi par d'autres éléments résistants au-passage de fluides, tels que de courts éléments cylindriques. Dans un autre exemple 11 alimentation par le récipient auxiliaire de la cuve de mesure peut être commandée par une valve actionnée par l'électrode, ou encore par la -perte de poids de la cuve. R E V E N D I C A T I O N S 10 - Un procédé de mesure de la respiration dans lequel le volume de l'air expiré est obtenu en utilisant deux orifices en mince paroi drouverturea diffé;entes,ou ltéquivalent aérodynamique de ces orifices ,le grand orifice mitant traversé par le courant d'air expiré, lequel provoquez en amont de cet orifice une pression d'air qui est transmise à la surface d'un liquide contenu dans une cuve de mesure.Cette pression oblige le liquide à traverser le petit orifice,la quantité de liquide ainsi recaeillie étant proportionnelle au volume d'air traversaut le grand orifuce dans le même temps 20 - Dans le procédé suivant la revendication I , le petit orifice est placé sur l'axe d'une cuve cylindrique ,et à l'extrémité d'un siphon aboutissant au niveau de la surface libre du liquide 30 - Dans le procédé suivant la revendication I , le réglage de la section de passage du liquide dans les orifices de petite dimension est obtenu par l'introduction axiale dans ces orifices d'une aiguille cynique , ce réglage s'effectuant en plaçant l'orifice à l'extré- mité d'un boisseau de robinet,ce dernier pouvant étre mis en communication,soit avec le liquide contenu dans la cuve de mesure,soit avec une jeuge portant deux repères et contenant un liq0iie,et en mesurant la vitesse de passage entre les deux repères 40 - Dans les examens de longue durée,effectués suivant le procédé de la revendication 10 ,la cuve de mesure est alimentée par un reservoir auxiliaire maintenant constant le niveau du liquide dans cette cuve par des moyens appropriès,notamment en utilisant une électrode affleurant la surface du liquide, et commandant des moyens d'introduction de ce liquide dans la cuve; 50 - Dans le procédé suivant la revendication 10,l'enregistrement périodique des volumes d'air expiré,par la collecte dans des temps constants du liquide émis par le petit orifice,et dirigé par une vanne automatique,soit dans un tube de mesure,soit afin d'ton vianger le contenu, cet enregistrement s'effectuant à l'aide d'un flotteur contenu dahs ce tube,et assujetti à un minimum de contraintes,sous la forme d'une série de droites de longueurs proportionnelles à ces volumes; 60 - Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce qu'il compor une vanne oscillante ,formée de deux cylindres juxtaposéssaux surface rodées ,portaht des orifices et une lumière permettant la collecte du liquide et sa vidage ,l 'oscillation de la vanne étant obtenue périodi- guement par une commande électrique et un interrupteur rotatif 70 - Procédé suivant la revendication I caractérisé en ce que lt T on effectue la prélèvement d'un échantillon moyen de l'air expiré à la sortie du grand orifice,et sans troubler ce procédé,en faisant déboucher cet orifice dans une collone verticale ,maintenue à la pression atmosphérique ,et dans laquelle puise une petite pompe,dont le fonctionnement périodique est assuré par un interrupteur rotatif ; 80 - Procédé suivant la revendication I caractérisé en ce que l'on utilis une soupape d'inspiration dont l'obturation est obtenue par le dépot sur le pourtour de l'entrée de l'air d'une membrane,tendue sur un léger cadre pivotant ,et circonstrite à cette ouverture ; 90 - Procédé selon la revendication I caractérisé en ce que lton utilise un dispositif compteur qui totalise les respirations,et informe de leur cessation, comprenant une capacité dilatable pouvant fermer sous la pre de T air expiré un premier circuit électrique actionnant un compteur l'absence confirmée des respirations,la capacité ferme un second cire. de signalisation de cette absence ; l'air inspiré demeurant sans effet sur ces circuits,grâce à des dispositions appropriées,telles qu'un freinage de la dilatation de la capacité.