Brevet FR2360063A1 — publié le 19780224

La mesure du débit ventilatoire de patients souffrant de difficultés respiratoires est extrêmemezrt importante. Chacun des nombreux procédés actuels de mesure de ce débit présente des défauts importants. Le procédé le plus couramment utilisé pour la mesure de ce débit ventilatoire consiste à mettre en oeuvre un pneumotachographeàrésistance dont le plus connu est l'appareil de Fleisch. le pneumotachographe à résistance utilise le principe de la mesure d'une différence de pression résultant d'un écoulement d'air à travers une résistance placée dans un tube. Avant la mise en oeuvre du pneumotachographe, cette résistance était constituée par un simple orifice.Cependant, l'écoulement dans cet orifice avait tendance à etre-turbulent plutôt que laminaire. Dans le cas d'un écoulement turbulent, la résistance augmente avec le débit et la mesure de la pression différentielle ne constitue pas une représentation linéaire du débit réel. Cependant, lorsque lrécoulement est laminaire, la résistance reste presque constante sur une grande plage de débits. Afin de maintenir à l'état laminaire I1 écoulement traversant la résistance, le pneumotachographe de Fleîsch comprend essentiellement de nombreux petits tubes parallèles qui non seulement opposent la résistance à lrécoulement mais rendent laminaire cet écoulement afin d'éliminer les effets des turbulences. En mesurant la pression régnant de chaque coté des petits tubes parallèles, il est possible de déterminer le débit. L'écoulement étant laminaire, la résistance qui s'y oppose est constante sur une grande plage et la mesure de la pression différentielle constitue une représentation linéaire du débit réel du gaz. Bien que le pneumotachographe à résistance soit très avantageux -du point de vue théorique, il présente de graves inconvénients parmi lesquels un encombrement et un poids importants et le risque important d'obturation des petits tubes par du mucus ou l'humidité de l'air de ventilation. Il est possible d'éviter l'obturation par l'humidite en chauffant le dispositif. Cependant, les problèmes soulevés par le mucus et 12encombre- ment et le poids sont importants et constituent un inconvénient certain de l'utilisation du pneumotachographe. D'autres dispositifs ont été mis en oeuvre pour mesurer le débit ventilatoire par la bouche au cours d'essais de la fonction pulmonaire. les dispositifs mis en oeuvre pour ces ess#ais à court terme présentent fréquemment un espace mort important et, de plus, ils sont souvent instables lorsque de l'eau est présente dans le circuit. D'autres essais de mesure du débit ventilatoire ont été effectués à l'aide de débitmètres à ultrasons, de débitmètres à fil métallique chaud, de compteurs de tourbillons, etc. Cha cun de ces appareils présente ses propres inconvénients. l'invention concerne une tête de détection pouvant autre introduite dans un tube d'écoulement gazeux afin dextre parcourue longitudinalement par cet écoulement. La tête comporte une membrane qui présente un orifice unique au bord supérieur duquel un clapet unique est articulé. Ce clapet tend à être ramené élastiquement en position de fermeture. lorsque le courant de gaz passant dans le tube et la tête de détection augmente, le clapet s'ouvre afin de diminuer la résistance opposée par l'orifice. Cette diminution de résistance, provoquée par l'ouverture du clapet, compense l'augmentation de résistance due à l'accroissement de l'écoulement turbulent. L'invention concerne donc un débitmètre à gaz perfectionné, présentant un orifice dont la dimension augmente avec le débit d'écoulement du gaz, de manière que la résistance globale opposée à cet écoulement soit maintenue constante lors d'un accroissement de l'écoulement turbulent. l'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une coupe axiale de la tête de détection de débit d?écoulement gazeux à orifice variable selon l'invention; la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1 montrant le clapet de la membrane à orifice; la figure 3 est une représentation graphique montrant le débit d'écoulement de pointe en fonction du volume mesuré par le débitmètre, ce graphique permettant de comparer le résultat obtenu avec la tête de détection d'écoulement selon l'inven- tion et celui obtenu avec un dispositif antérieur et connu;; la figuré 4 est une représentation graphique du débit réel en fonction du temps, mesuré à laide d'un débitmètre linéaire dans le cas d'une courbe, et à Laide de-la tête de détection d'écoulement selon l'invention pour l'autre courbe; et la figure 5 est une représentation graphique montrant le débit réel en fonction du temps, mesuré à l'aide d1un débitmètre linéaire pour une courbe, et à l'aide d'une tête de détection d'écoulement classique et connue pour l'autre courbe. les figures représentent la tette Il de détection selon l'invention, montée dans un conduit 13 à l'intérieur duquel un gaz peut s'écouler horizontalement dans le sens indiqué par les flèches 15, dans l'orientation de la figure 1. La tête peut comporter des éléments 17 et 18 d'entrée et de sortie présentant des orifices 19 et 20 et comportant des rebords 21 et 23 permettant de fixer ces éléments l'un à l'autre. Une membrane 25 à orifice est maintenue entre les rebords 21 et 23 à l'aide de vis 27 ou autres. Comme représenté sur la figure 2, la membrane 25 présente un orifice 29 dans lequel est logé un clapet 31. la membrane peut avantageusement etre réalisée en matière élastique ou en caoutchouc, d'une seule pièce avec le clapet 31 auquel elle est reliée par une partie élastique 33 dlarticulation. Il est cependant possible d'utiliser d'autres moyens de fermeture élastique du clapet 31 sans sortir du cadre de l'invention. Comme représenté en particulier sur la figure 2, ltori- fice 29 présente une forme telle que, dans le cas d'un faible écoulement de gaz, il ne s'ouvre que légèrement afin d'opposer une résistance relativement élevée. lorsque le débit de-gaz augmente, le clapet est repoussé davantage vers l'extérieur, comme représenté sur la figure 1, de manière que la dimension de l'orifice augmente et que la résistance opposée par cet orifice diminue. Par conséquent, alors que l'écoulement dans l'orifice est turbulent et tend normalement à augmenter la résistance opposée par cet orifice lorsque le débit augmente, cet accroissement de résistance est compensé par-une diminution produite par l'orifice variable.La résistance résultante opposée par l'orifice est donc constante, de sorte que la relation entre le débit d'écoulement du gaz et la pression différentielle mesurée à travers cette résistance est linéaire et que le débit d'écoulement peut être lu directement sur un manomètre différentiel. Afin de permettre une telle lecture du débit dgécoule- ment de gaz, des conduits 35 et 37 de pression sont reliés à la tête li et, par des tubes 41 et43, représentés schématiquement en partie, à un manomètre différentiel 39. Comme représenté sur la figure 1, les conduits 35 et 37 de pression et l'articulation élastique 33 du clapet 31 sont situés à la partie supérieure de la tête de détection. Inversement, la pointe de l'orifice est située à la partie inférieure de la tête. Dans une telle forme de réalisation, des gouttelettes d'eau ou meme de la vapeur d'eau peuvent passer à la partie inférieure de l'orifice, à proximité de la pointe 45 du clapet, sans provoquer de variations importantes de 12 étalonnage du débitmètre. De plus, il apparalt que dans le cas où le clapet 31 fléchit sous l'effet d'un débit d'écoulement élevé dans la tête, il s'applique sur 11 orifice du conduit aval de pression (à savoir le conduit représenté en 37 sur la figure 1) afin de le protéger contre les tourbillons résultant de l'écoulement turbulent dans l'orifice. Cette protection du conduit aval contre de tels tourbillons non seulement supprime une source importante de bruits présents dans les signaux de pression lus par la tête, mais évite également un effet de tube de Pitot dissymétrique résultant d'une protection directe du tube de pression. Dans une forme de réalSsation selon l'invention donnant d'excellents résultats, la membrane 25 est réalisée en caoutchouc très élastique, de qualité médicale, à faible hystérésis, du type "Silastic", de manière à avoir une épaisseur de 0,9 mm. Comme représenté sur la figure 2, la largeur du clapet, mesurée entre les angles 47 et 49, est de 1,5 cm, alors que la hauteur mesurée entre la pointe 45 et l'articulation 33 délimitée entre les angles 51 et 53 est aussi égale à 1,5 cm. La largeur de l'articulation est de 0,6 cm et la hauteur mesurée entre cette articulation et la partie la plus large du clapet, correspondant à la ligne passant par les angles 47 et 49, est de 0,6 cm. La largeur de la fente délimitée entre le clapet 31 et l'orifice 29 est de 0,7 mm. Comme représenté sur la figure 1, le diamètre des orifices 19 et 20 est de 1,1 cm, csest-à-díre légèrement inférieur à toute dimension du clapet 31. Lors de l'utilisation de la tete de détection d'écoulement décrite et représentée et de dispositifs antérieurs de ce type, il est apparu qu'un seul clapet articulé permet d'obtenir des lectures de pression présentant beaucoup moins de bruits que celles résultant de l'utilisation de deux ou plus de ces clapets#. le seul clapet de la tete selon l'invention est choisi de manière à être légèrement plus grand que les orifices dten- trée et de sortie afin quten cas de rupture au bout d'une longue période d'utilisation, il soit retenu dans la tête et ne pénètre pas dans les poumons du patient. De plus, le clapet 31 présente# sa plus grande largeur en un point qui n'est pas situé au centre des sa surface totale.Ainsi, dans le cas où le clapet se brise au niveau de son articulation et se coince dans le tube de sortie, il peut tourner comme une girouette de manière que son plan se place dans la direction de ltécoulement d'air. le canal d'écoulement d'air ntest donc pas obturé. La figure 3 permet de comparer le fonctionnement de la tête de détection de pression selon l'invention à celui d'un dispositif antérieur et connu. Ce dispositif antérieur est du type comportant plusieurs clapets en forme de doigts, présentant différentes longueurs de manière que chaque clapet oppose une résistance à l'écoulement différente de celle opposée par les autres clapets. Pour l'obtention des courbes de la figure 3, une pompe à piston d'une cylindrée de 0,7 litre est actionnée à différentes vitesses de manière à refouler à un débit de pointe variant entre 0,5 et 2 litres par seconde. Le volume est mesuré par intégration des signaux de débit provenant des têtes de détect#ion de pression considérées.La courbe 55 montre le fonctionnement de la tete antérieure et il apparat que les mesures perdent sensiblement de la linéarité aux débits supérieurs à 1 litre par seconde. La courbe 57, qui montre le fonctionnement de la tette selon l'invention, présente très nettement une meilleure linéarité que la courbe 55. Sur cette figure, les débits d'écoulement de pointe sont indiqués en litres par seconde en abscisse, alors que le volume est indiqué en millilitres en ordonnée. les figures 4 et 5 montrent les résultats d'autres comparaisons effectuées entre ces deux dispositifs. Dans chacune de ces figures, une courbe correspondant à la tête de détection considérée est superposée à une courbe obtenue à l'aide d'un débitmètre normalisé de référence pour la mesure du débit d'écoulement d'air produit par une pompe à piston commandée à un débit sinusoïdal de pointe de 1 litre par seconde. les courbes sont tracées par un enregistreur à plusieurs canaux du type "Electronics for Medicine DR-8", utilisant un transducteur de pression différentielle à jauge de contrainte sans limites du type "Statham P5-0,2D-3501,. Le transducteur normalisé de référence de débit est un transducteur de débit à pression différentielle et écoulement laminaire du type "Fleisch N01", commercialisé par la firme Dynasciences (Division of Whittaker Corp.), et relié à une jauge analogue du type "Statham". Comme représenté en particulier sur la figure 4, la courbe 59 est produite par le débitmètre normalisé de référence et la courbe 61 correspond à celle du débitmètre selon l'invention. la courbe 63 de la figure 5 correspond au dispositif normalisé de référence et la courbe 65 correspond au dispositif de l'art antérieur. Une comparaison des courbes des figures 4 et 5 montre que,lorsque le débit approche d'un litre par seconde, le dispositif antérieur perd de sa stabilité alors que le dispositif selon l'invention suit étroitement la courbe du dispositif normalisé de référence. Il aEparalt donc que la tete de détection de débit d'écoulement de gaz à orifice variable selon l'invention permet de mesurer un débit d'écoulement de gaz en utilisant la pression différentielle apparaissant à travers une résistance. Cette tête produit des courbes conformes-au fonctionnement du pneumotachographe à résistance. La tête de détection selon l1#i:ven- tion élimine cependant les difficultés résultant de l'utilisation des petits tubes du pneumotachographe à résistance. De plus, elle peut être réalisée de manière à etre sensiblement plus petite, plus légère et moins conteuse que les têtes dedétection de l'art antérieur, et il n'est pas nécessaire de la chauffer.Du fait~que la tête selon l#invention présente un seul orifice au lieu d'un certain nombre de petits tubes comme c'est le cas du pneumotachographe à résistance, elle est sensiblement protégée contre les obturations dues à l'eau ou au mucus. La tête selon l'invention est donc petite et très légère et fonctioime de manière stable sur une grande plage de débits d'écoulement drain et de températures. Elle est presque insensible aux variations d'étalonnage résultant d'une obturation par liteau, le mucus ou des particules, et elle peut être réalisée suffisamment à bon marché pour pouvoir être mise au rebut après usage. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la tête de détection décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Texte de détection de l'écoulement d'un gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte un bottier qui présente des orifices d'entrée et de sortie du gaz, une membrane disposée transversalement à l'intérieur du bottier, entre les orifices d'entrée et de sortie, réalisée en matière élastique et comprenant une partie partiellement découpée qui présente un orifice et un clapet réalisé d'une seule pièce avec cette membrane sur laquelle il est articulé de manière à occuper sensiblement la totalité de l'orifice, des cotés de ce clapet convergeant de manière que la partie la plus étroite dudit clapet soit la partie la plus éloignée de l'articulation dudit clapet avec la membrane, afin que l'écoulement du gaz dans le bottier fasse varier la dimension de llorifice, des éléments étant disposés de chaque côté de la membrane afin de détecter la pression régnant de part et d'autre de ladite membrane. 2. Tête selon la revendication 1 caractérisée en ce que la membrane comporte des côtés supérieur et inférieur, l'articulation étant située à la partie supérieure de la membrane et la partie la plus étroite du clapet étant située à la partie inférieure, de manière que le fluide puisse passer dans l'orifice sans affecter l'articulation. 3. Texte selon la revendication 2, caractérisée en ce que les éléments de détection de pression de part et d'autre de la membrane comprennent des tubes disposés de chaque coté de la membrane, le tube situé sur le côté de sortie étant proche de la partie supérieure de la membrane, de manière que le clapet puisse s'appliquer au-dessus de ce tube et le protéger contre les tourbillons résultant d'un écoulement de gaz à débit élevé. 4. TAete selon la revendication 2, caractérisée en ce que la membrane ne comporte qu'un seul clapet. 5. Tête selon la revendication 1, caractérisée en ce que le clapet est large à sa base et étroit à son sommet, l'élasticité de l'articulation et la foraine annulaire du clapet étant déterminées 17une par rapport à l'autre de maniere que la résistance à l'écoulement dans 11 orifice soit constante sur une grande plage de débits.