Brevet FR2413930A1 — publié le 19790803

La présente invention concerne un procédé et un appareil d'agitation contrôlée d'un fluide, destinés a favoriser les processus de transport ou d'échange, par exemple de transport de matière ou d'échange de chaleur. Les processus impliquant une interaction entre un fluide et une surface ont tendance a faire apparaître dans le fluide un gradient dont les caractéristiques sont défavorables a l'interaction considérée. Ainsi, lorsqu'un fluide est au contact d'une membrane semi-perméable qui transmet sélectivement certaines substances du fluide, la concentration de celles-ci est plus faible proximité de la membrane qu' distance de celle-ci, si bien que l'interaction, a savoir le transport de matière a travers la membrane, est réduite.De même, dans un processus d'échange de chaleur, le fluide le plus proche de la surface d'échange se refroidit ou s'échauffe plus que le fluide disposé plus loin de la surface si bien qu'il apparaît un gradient qui tend à s'opposer au processus considéré. Habituellement une agitation du fluide permet la suppression ou au moins la réduction de ces gradients défavorables à l'interaction considérée. Cependant, une telle agitation fait apparaître dans le fluide traité des contraintes de-cisaillement, et certains fluides sont particulièrement sensible à ces contraintes si bien que celles-ci doivent être réduites au minimum Ainsi, de nombreux traitements médicaux nécessitent la circulation extracorporelle du sang des patients. Au cours d'une hémodialyse par exemple, des phénomènes de transport sont mis en jeu ; dans cet exemple, le sang et une solution de dialyse circulent de part et d'autre d'une membrane qui permet le passage de certaines substances qui doivent être extraites du sang. De même, dans un oxygénateur, le sang circule d'un côté d'une membrane et reçoit de l'oxygène qui a traversé cette dernière. Dans toutes ces applications, il est essentiel que le sang ne subisse pas de contraintes de cisaillement ou de gradients de vitesse tels que certains de ses constituants puissent être détériorés. En outre, il est important que le traitement dure aussi peu que possible. Bien que la capacité de transfert de matière d'une membrane puisse être très élevée, les conditions hydrodynamiques réduisent le rendement d'échange entre le sang placé d'un côté de la membrane et un fluide placé de l'autre côté, si bien que, en l'absence d'un renouvellement suffisant, l'appareillage utilisé doit avoir de grandes dimensions et doit fonctionner pendant très longtemps. Au voisinage d'une membrane, il se forme du côté le plus pauvre en substance a échanger une zone qui s'enrichit au cours de l'échange et, du côté le plus riche, une zone qui s'appauvrit si bien que les différences de concentrations diminuent de part et d'autre de la membrane et le transfert se trouve réduit par les gradients qui s'établissent dans le fluide. Il est donc essentiel que ces zones dans lesquelles existent des gradients de concentration, ne puissent pas se former ; les fluides doivent être homogénéisés par des écoulements secondaires sans cependant qu'un fluide sensible tel que le sang puisse être détérioré. On connaît déjà des dispositifs destinés a homogénéiser les fluides par formation d'écoulements secondaires. Ainsi, certains appareils comprennent des structures en nids d'abeilles placées au voisinage de la surface d'échange. D'autres appareils provoquent la formation d'écoulements turbulents qui assurent un brassage efficace des fluides mais soumettent les particules a des contraintes importantes pouvant provoquer leur destruction (lyse des globules rouges dans le cas d'un épurateur ou d'un oxygénateur sanguin). Les phénomènes observés au cours d'un échange de chaleur sont analogues, un gradient de température remplaçant alors le gradient de concentration de l'application précitée. Le problème peut aussi être résolu par formation d'écoulements secondaires dans la mesure ou ceux-ci ne risquent pas de détériorer le fluide. L'invention concerne un procédé et un appareil d'agitation contrôlée permettant une formation très efficace d'écou- lements secondaires sans détérioration du fluide qui peut être sensible aux contraintes appliquées. Ainsi, l'invention permet soit la réduction de la durée d'un traitement, par exemple l'hémodialyse, par application au fluide de contraintes de cisaillement de valeurs analogues à celles qui sont appliquées dans les appareils connus, soit la réduction des contraintes appliquées au fluide, au cours d'un traitement de durée analogue à celle #on utilise avec les appareils connus. Plus précisément, l'invention concerne un procédé d'agitation contrôlée d'un fluide à proximité d'une surface d'un organe élastique ; ce procédé comprend la mise en contact du fluide avec la surface d'un organe élastique, et l'appîica tion au fluide, directement ou non, d'ondes de pression d'amplitude et de fréquence réglées, si bien que la surface de l'organe élastique se déplace sous l'action de ces ondes et provoque une agitation locale du fluide. L'amplitude, la fréquence et la direction de propagation des ondes et les caractéristiques de l'organe élastique sont choisies en fonction des proprietés du fluide afin que les contraintes de cisaillement appliquées au fluide ne dépassent pas une valeur prédéterminée. Les ondes de pression peuvent être appliquées directement au fluide à traiter, ou à un second fluide qui n'est pas au contact du premier fluide mais qui est au contact d'une seconde surface de l'organe élastique ; ce dernier transmet le déplacement de sa seconde surface à la première surface. Le procédé peut être par exemple appliqué à un traitement de dialyse et dans ce cas, l'organe élastique est une membrane semi-perméable permettant la migration de substances vers le fluide ou en provenance du fluide. Le fluide traité peut être le sang et dans ce cas, l'amplitude et la fréquence des ondes de pression sont réglées afin que la lyse des globules rouges soit évitée. A cet ifet, une fréquence de 0,1 à 20 Hz convient pour les ondes de pression, leur amplitude pouvant être comprise entre 0,1 et 20 mm au niveau de la membrane. Les ondes de pression peuvent être amorties afin qu'elles ne puissent pas former des ondes stationnaires. Cet amortissement peut être obtenu par circulation d'un fluide. Par exemple, dans le cas d'une hémodialyse, les ondes de pression sont appliquées à une solution saline placée d'un côté de la membrane élastique et elles sont transmises par cette dernière au sang placé de l'autre côté de la membrane ;- le sang est ainsi agité mais il est aussi pompé si bien que le circuit de circulation sanguine ne nécessite aucune autre pompe. L'invention concerne aussi un appareil d'agitation contrôlée d'un fluide, selon le procédé précité, comprenant au moins une membrane élastique destinée à être au contact d'un fluide, et un générateur destiné à créer des ondes de pression dont l'amplitude et la fréquence sont telles que des parties au moins de la surface de la membrane se déplacent et provoquent ainsi une agitation locale du fluide, avec de faibles contraintes de cisaillement. La membrane peut être de type semi-perméable et peut être placée entre le fluide précité et un second fluide ; les déplacements de la membrane favor#isent l'échange de substances dissoutes ou en suspension par dialyse entre les deux fluides. L'appareil peut aussi comprendre un dispositif d'amortissement qui empêche l'établissement d'ondes stationnaires. Par exemple, dans le cas ot deux fluides sont placés de part et d'autre de la membrane, l'un des fluides peut être visqueux. L'un des fluides peut aussi être pompé de façon continue. Dans le cas d'une hémodialyse, il est avantageux que la solution saline soit pompée de façon continue, afin que le sang placé de l'autre côté de la membrane soit aussi pompé. Le dispositif d'amortissement peut aussi être formé par un dispositif dont la configuration ou le montage est asymétrique. La membrane est avantageusement tubulaire. Le générateur des ondes de pression peut comprendre un dispositif qui excite directement l'organe élastique ou la membrane D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une coupe schématique d'un appareil de traitement de fluide selon l'invention - la figure 2 est une coupe schématique de l'enceinte et de la membrane de l'appareil de la figure 1, illustrant le fonctionnement de l'appareil ; et - la figure 3 est une coupe, en partie sous forme de diagramme synoptique, d'un générateur d'ondes de pression d'un type utile dans l'appareil de la figure 1. La figure 1 représente de façon générale un appareil selon l'invention. Il comprend une enceinte 10 qui contient une membrane tubulaire élastique 12, maintenue de façon étanche aux extrémités de l'enceinte 10. Des canalisations 14 et 16 relient l'intérieur de l'enceinte à un générateur 18 d'ondes de pression. La figure 2 représente plus en détail et de façon schématique les phénomènes observés au cours du fonctionnement de l'appareil. Dans le cas de la figure 2, on suppose que les ondes de pression sont transmises par l'entrée 22 à l'intérieur de la membrane 12 dont la position de repos est indiquée en traits interrompus. Le courant pulsé pénètre par l'entrée 22, et quitte l'appareil par la sortie 24. On suppose dans ce cas que la membrane est semi-perméable et que le liquide pénètrant par l'entrée 22 est riche en une substance qui peut s'infiltrer à travers la membrane.On note, lors du fonctionnement de l'appareil, d'une part que les ondes de pression qui sont transmises par l'entrée 22 provoquent la circulation, à l'extérieur de la membrane 12, d'un fluide qui pénètre par les entrées 28 et s'échappe par les sorties 26, et d'autre part que ce fluide est enrichi en substances contenues par le fluide moteur transmis par l'entrée 22. Lorsque le courant transmis par l'entrée 22 n'est pas pulsé, on constate que le second fluide placé à l'extérieur de la membrane ne subit aucun pompage. Si ce fluide est alors déplacé par une pompe auxiliaire afin qu'il ait le même débit que lors du fonctionnement selon l'invention, on constate que l'absence des ondes de pression dans le fluide moteur transmis par l'entrée 22 provoque une réduction de la concentration de substances qui traversent la membrane dans le second fluide, par rapport au fonctionnement selon le procédé de l'invention. Ainsi, les ondes de pression provoquent des déplacements locaux de la membrane, en direction perpendiculaire à la surface de celle-ci comme indiqué par les flèches, et ces déplacements provoquent un brassage du fluide. Cependant, on constate que, pour les plages de fréquences et d'amplitudes utilisées, c'est-à-dire pour des fréquences de l'ordre de 0,1 à 20 Hz et des amplitudes de 0,1 à 20 mm, les contraintes sont très faibles si bien que l'augmentation du transfert des substances à travers la membrane et le pompage ne s'accompagnent pas d'une détérioration des fluides sensibles tels que le sang. L'enceinte 10 peut être formée par toute matière rigide convenable et lorsqu'elle est transparente, elle permet l'observation des phénomènes au niveau de la membrane. Bien qu'on ait décrit, en référence à la figure 2, un appareil dans lequel les ondes de pression sont appliquées au fluide qui se trouve à l'intérieur de la membrane, le même appareil peut être utilisé en sens inverse, c 'est-à-dire par application des ondes de pression au fluide qui se trouve entre l'enceinte et la membrane. Dans ce dernier cas, un seul générateur d'ondes de pression peut alimenter une enceinte contenant plusieurs membranes tubulaires disposées parallèlement ou plusieurs membranes senstlement planes disposées aussi parallèlement. Le générateur d'ondes de pression peut être de tout type convenable. Un exemple peu élaboré comprend un simple piston mobile dans un cylindre et commandé par un excitateur qui peut être un arbre à came entraîné par un moteur. Cependant, étant donné la sensibilité des fluides traités, notamment du sang, le générateur peut être avantageusement plus élaboré afin qu'il permette une optimisation des ondes de pression appliquées en fonction du résultat voulu. La figure 3 représente un tel générateur d'ondes de pression dont la forme peut être réglée à volonté. Le générateur d'ondes de pression représenté sur la figure 3 comprend essentiellement un corps 30 dans lequel peut se déplacer un piston 32 et qui contient un fluide 34. Le piston 32 ne coulisse pas dans le corps 30 mais il est maintenu par un soufflet 36 qui assure l'étanchéité. Le piston 32 comprend une tige 38 reliée à un excitateur de vibrations 40. Celui-ci reçoit un courant électrique transmis par un amplifi cateur 42 qui reçoit lui-même un signal électrique 44 dont la forme analogique correspond à la forme de l'onde de pression voulue. Un capteur 46 de déplacement et un capteur 48 de pression transmettent à l'amplificateur 42 des signaux de réaction. De cette manière, l'onde de pression obtenue à la sortie 50 du générateur a une forme correspondant avec précision à la forme de I'onde #électrique analogique transmise à l'entrée 44 de l'amplificateur 42. L'amplificateur 42 peut être un amplificateur de puissance "Prodera" A 436, et l'excitateur de vibrations peut être du type "Prodera" 20 JE 20C. Les différences de pressions de part et d'autre des membranes sont faibles, si bien que, dans les opérations de dialyse, les membranes peuvent être des types couramment utilisés pour les hémodialysoepar exemple. Dans le cas où l'appareil selon l'invention assure un pompage, il faut qu'il possède un certain amortissement. En effet, en l'absence d'amortissement, il pourrait présenter un système d'ondes stationnaires. Ces dernières ne sont pas incompatibles avec une dialyse puisque le fluide proche de la membrane est quand même brassé, mais elles ne conviennent absolument pas au pompage qui est alors nul. L'amortissement nécessaire peut être assuré soit par l'un des fluides ou les deux fluides, lorsqu ils ont une viscosité suffisante, soit par une asymétrie de configuration. Ainsi, la membrane ou l'enceinte peut avoir une section variable. Cette asymétrie peut aussi être due simplement aux propriétés viscoélastiques de la paroi de la membrane. Elle peut aussi provenir de la superposition d'un mouvement continu au mouvement périodique du fluide moteur, provoqué par les ondes de pression. Dans une variante, le générateur d'ondes de pression excite directement la membrane élastique qui applique aussi elle-même les ondes de pression au fluide. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé d'agitation contrôlée d'un fluide à proximité d'une surface d'un organe élastique, caractérisé en ce qu'il comprend la mise en contact du fluide avec la surface d'un organe élastique, l'appbcation au fluide, directement ou indirectement, d'ondes de pression d'amplitude et de fréquence réglées, si bien que la surface de l'organe élastique se déplace sous l'action des ondes de pression et provoque une agitation locale du fluide,et le réglage de l'amplitude, de la fréquence et de la direction de propagation des ondes de pression, et des caractéristiques de l'organe élastique en fonction des propriétés du fluide, déterminant dans le fluide des contraintes de cisaillement inférieures à une valeur prédéterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ondes de pression sont appliquées directement au fluide à agiter. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'application des ondes de pression à un second fluide qui n'est pas au contact du premier fluide, mais qui est au contact d'une seconde surface de l'organe élastique, celuici transmettant les déplacements de la seconde surface à la première. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 3, destiné à un traitement de dialyse, caractérisé en ce que l'organe élastique est une membrane semi-perméable, permettant la migration de substanc# vers le fluide ou en provenance de celui-ci. 5. Procédé selon la revendication 4, destiné à une hémodialyse, caractérisé en ce que l'amplitude et la fréquence des ondes de pression sont réglées à des valeurs inférieures à celles qui provoquent la lyse des globules. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce que la fréquence des ondes de pression est comprise entre 0,1 et 20 Hz, et leur amplitude est comprise entre 0,1 et 20 mm. 7. Procédé selon l'une quelconque-des revendicatons 1 à 3, destiné à assurer non seulement l'agitation d'un fluide mais aussi son pompage, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'amortissement des ondes de pression afin que celles-ci ne puissent pas former des ondes stationnaires. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'amortissement des ondes de pression est réalisé par circulation continue du fluide qui transmet les ondes de pression. 9. Procédé selon les revendications 3,4, 5 et 7 prises ensemble, destiné à une hémodialyse, caractérisé en ce que les ondes de pression sont appliquées à une solution saline placée d'un côté de la membrane élastique et sont transmises au sang placé de l'autre côté de la membrane, le sang étant agité avec des contraintes de cisaillement contrôlées et étant aussi pompé dans un circuit de circulation sanguine qui ne nécessite aucune autre pompe. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 6 à 8, destiné à assurer un échange de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition des deux fluides entre lesquels de la chaleur doit être échangée de part et d'autre d'une membrane élastique, et l'application des ondes de pression à l'un ou l'autre fluide. 11. Appareil d'agitation contrôlée d'un fluide par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une membrane élastique destinée à être au contact du fluide, et un généra- teur destiné à créer des ondes de pression dont l'amplitude et la fréquence sont telles que des parties au moins de la surface de la membrane se déplacent et provoquent ainsi une agitation locale du fluide avec de faibles contraintes de cisaillement. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que la membrane élastique est semi-perméable et elle est destinée à être placée entre le fluide à agiter et un second fluide si bien que, lorsque des ondes de pression sont appli quées à l'un des fluides, les déplacements de la membrane favorisent l'échange de substances dissoutes ou en suspension par dialyse entre les deux fluides. 13. Appareil selon l'une des revendications ll et 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'amortissement destiné à empêcher l'établissement d'ondes stationnaires. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif d'amortissement comprend un fluide visqueux, ce dernier étant soit le fluide à agiter, soit le fluide placé de l'autre côté de la membrane, soit ces deux fluides. 15. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif d'amortissement comprend un élément placé asymétriquement. 16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'élément placé asymétriquement a une section variable et appartient à l'enceinte ou à la membrane. 17. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la membrane a une forme tubulaire. 18. Appareil selon l'une quelconque des revendications ll et 13 à 17, destiné à assurer un échange de chaleur et caractérisé en ce que la membrane élastique possède unboncoefficient de transfert de chaleur. 19. Appareil selon l'une quelconque des revendications 11 à 18, caractérisé en ce que le générateur d'ondes de pression comprend un dispositif destiné à exciter directement la membrane.