Brevet FR2435242A1 — publié le 19800404

La présente invention a pour objet des spiromètres enregistreurs à cloche mobile équilibrée. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des appareils de mesure médicaux,notamment des spirographes. On connaît les appareils appelés spiromètres enregistreurs ou spirographes qui sont des instruments de mesure utilisés pour mesurer la capacité respiratoire des poumons. Les spiromètres enregistreurs connus comportent une cloche mobile ou un soufflet déformable qui délimitent une capacité,de volume variable, dans laquelle on fait souffler le patient. La cloche ou le soufflet se déplacent verticalement et portent un stylet qui enregistre le graphique donnant les variations de volume en fonction du temps sur un cylindre qui tourne autour d'un axe vertical. Les spiromètres enregistreurs connus présentent plusieurs inconvénients Du fait que le stylet se déplace verticalement le long d'un cylindre à génératrices verticales, il est nécessaire que le stylet soit appuyé contre le cylindre avec une pression suffisante pour qu'il écrive. Ceci crée des frottements qui freinent les déplacements de la cuve ou du soufflet et, de ce fait, les variations rapides sont amorties. De plus l'inscription des fronts montants ou descendants à grande vitesse se fait mal. Les spiromètres à cloche mobile comportent une capacité en forme de cloche qui flotte dans un bain de liquide et le poids apparent de la cloche varie en fonction de la hauteur d'immersion. Il en résulte que la pression du gaz contenu dans la cuve varie en cours de mesure ce qui fausse légèrement celle-ci. Un autre inconvénient des spiromètres comportant un cylindre d'enregistrement, du type kimographe, réside dans le fait que, pendant l'enre- gistrement, une partie du graphique est située derrière le cylindre et le praticien qui effectue l'enregistrement ne peut pas voir cette partie du graphique. L'objectif de la présente#invention est de perfectionner les spi romètres à cloche mobile,notamment en procurant des spiromètres à cloche équilibrée et des spiromètres qui permettent d'enregistrer sur une table traçante horizontale ou légèrement inclinée. De façon connue les spiromètres selon l'invention comportent une cloche mobile qui flotte dans un liquide avec lequel elle délimite une capacité de volume variable dans laquelle respire un patient. Un spiromètre selon l'invention comporte deux poulies montées sur un même axe, un ressort dont une extrémité est accrochée à un point fixe et dont l'autre extrémité est attachée à un fil qui exerce un couple sur l'une des poulies et la cloche mobile est suspendue à un fil qui est enroulé sur la périphérie de la deuxième poulie et l'une au moins des deux poulies présente la forme d'une came de rayon variable dont le profil est tel que le couple que le poids apparent de la cloche exerce sur les deux poulies soit constamment égal et opposé au couple dû à la force exercée par le ressort. De préférence, l'une des poulies a un rayon constant et l'autre poulie présente la forme d'une came en portion de spirale. Un spiromètre selon l'invention comporte en outre une table tra çante horizontale ou légèrement inclinée et le fil de suspension de ladite cloche porte un stylet qui enregistre les déplacements de la cloche sur ladite table trançante. L'invention a pour résultat un nouveau spiromètre enregistreur dont la cloche mobile est équilibrée automatiquement dans toutes ses positions ce qui permet d'effectuer des mesures desvolumes expirés ou inspirés à pression constante égale à la pression atmosphérique. De plus, comme la cloche mobile est équilibrée par un ressort ayant une inertie plus faible qu'un contrepoids, les spiromètres selon l'invention ont de meilleures caractéristiques dynamiques que les spiromètres dont la cloche est équilibrée par un contrepoids et ils permettent d'enregistrer des variations de volume plus rapides. Un autre avantage des spiromètres selon l'invention, équipés d'une table traçante, réside dans le fait que l'enregistrement du signal n'est plus celui d'un déplacement vertical de la cloche mobile et on peut donc utiliser des stylets dont le frottement sur la bande d'enregistrement est plus faible, ce qui contribue à améliorer les caractéristiques dynamiques de l'appareil. L'enregistrement sur une table traçante comportant des bandes d'enregistrement ayant une longueur de 30cm permet d'enregistrer à vitesse normale trois cycles respiratoires successifs, ce qui permet d'obtenir une spirographie complète permettant de mesurer la capacité vitale avec ses sous ensembles, volume expiratoire de réserve, volume inspiratoire de réserve et volume courant. De plus la totalité de l'enregistrement est visible en permanence ce qui permet au praticien d'effectuer des comparaisons et des calculs rapides pendant l'enregistrement alors qu'avec les spiromètres comportant un enregistrement sur un cylindre à axe vertical, la partie de l'enregistrement qui se trouve derrière le cylindre est masquée. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un spiromètre selon l'invention. -La figure 1 est une vue en élévation d'un spiromètre selon l'invention. 'invention. - La figure 2 est une vue latérale selon Il Il de la figure 1. - La figure 3 est une représentation schématique. - La figure 4 est une vue du profil de la came d'un spiromètre selon l'invention agrandie 2,5 fois. - Les figures 5 à 8 sont des schémas géométriques expliquant comment on peut calculer point par point le profil#e la came. Les figures 1 et 2 représentent un spiromètre qui comporte une cloche 1, renversée au-dessus d'une cuve 2 contenant un liquide dans lequel flotte la cloche 1. L'appareil comporte un embout buccal 3 relié par un tube flexible 4 à l'intérieur de la cloche 1 de-sorte qu'un patient peut expirer et inspirer l'air contenu dans la cloche. La cloche 1 monte lorsque le patient expire et elle descend lorsqu'il inspire. Dans les spiromètres connus le poids apparent de la cloche est équilibré par un contrepoids mais l'équilibre nta lieu que pour une seule position de la cloche, par exemple celle où la cloche est en position basse. Lorsque le patient expire,la cloche monte, son poids aparent- augmente et elle n'est plus équilibrée par le eontreplds.Il en résulte que la pression de l'air à l'intérieur de la cloche doit augmenter pour équilibrer le poids apparent de la cloche et les mesures de volume ne sont plus des mesures a pression constante. Afin de remédier à cet inconvénient, on équilibre le poids apparent de la cloche non plus au moyen d'un contrepoids constant mais au moyen d'un ressort dont la force varie proportionnellement à l'allongement. De plus, un ressort présente l'avantage d'avoir une faible inertie. La cloche 1 est suspendue à un fil 5 passant sur plusieurs poulies de renvoi 6 portées par un support 7. L'autre extrémité du fil 5 est accrochée à la périphérie d'une poulie 8 qui est montée sur un arbre 9 qui pivote dans des roulements 10 portés par le support 7. Une came 11 est montée sur l'arbre 9. Sur la péripéhrie de cette came est enroulé un fil 12 dont l'autre extrémi- té est fixée sur la périphérie d'un secteur circulaire 13. Le secteur 13 est monté sur un arbre 14 qui est monté pivotant dans des roulements 15 portés par le support 7. L'arbre 14 porte une poulie 16 sur la périphérie de laquelle s'enroule un fil 17 qui est fixé à une extrémité d'un ressort 18 dont la deuxième extrémité est accrochée à un point fixe 19, porte par le support 7. Le secteur 13 sert uniquement à démultiplier l'action du ressort sur la came 11. Le -fil 12 est enroulé sur la came 12 dafis un sens tel que le couple exerce par la force du ressort, lorsque celui-ci s' allonge, soit de sens opposé au couple exercé par le poids apparent de la cloche 5 sur la poulie 8. le plus, le profil de la came il est tel que les deux couples soient constamment égaux et de sens opposé de sorte que le poids apparent de la cuve 1est constamment équilibré par la traction du ressort. Lorsque le patient expire dans la cloche 1, celle-ci se soulève et son poids apparent augmente. La poulie 8 et la came 11 tournent en sens inverse des aiguilles d'une montre. Le fil 12 se déroule de la came 11.Le secteur 13 et la poulie 16 tournent dans le sens des aiguilles d'une montre et le fil 17 se déroule de sorte que la tension du ressort décroît. On voit donc que lorsque le poids apparent de la cuve augmente, la tension du ressort décroît et inversement lorsque le poids apparent de la cuve dimininue, la tension du ressort croît. Il faut donc compenser ces variations de sens inverse en agissant sur les bras de levier pour égaliser les valeurs absolues des couples. C'est ltobjet de la came 11. Bien entendu, on peut également enrouler le fil 5 sur une came et le fil 17 sur une poulie de rayon constant A comme le représente la figure 3. On pourrait également monter deux cames aux deux extrémités de l'arbre 9. En se référant à la figure 3, soit P le poids apparent de la cloche 1 pour une position h quelconque de celle-ci, à laquelle correspond une position angulaire o de l'arbre 9. On choisit comme origine des angles e le rayon de la came qui correspond à la position supérieure de la cloche 1, c'est-à-dire celle où le poids apparent Pi de la cloche 1 est maximum et où le rayon r est le plus faible. Le profil de la came est défini par une loi de variation de r en fonction de e soit r (o). Soit F la tension du ressort correspondant à la position angulaire e de la poulie 16, soit k le coefficient de raideur du ressort et EQ = Q - Qo l'allongement du ressort à partir de sa position de repos correspondant à une longueur Qo, l'allongement AQ est égal à la longueur de l'arc circulaire d'ouverture 0.Soit A# = AG, Po le poids apparent minimum de la cloche 1 lorsque celle-ci est en position basse et c la course totale de la cloche 1 .Pour toutes les positions de la cloche mobile, les couples qui s'exercent sur l'arbre 9 doivent être équilibrés. On choisit comme sens positif des couples le sens des aiguilles d'une montre. Donc : F. A = - P. r d'où P = - F A r or F = k (Q-Qo) = k A e P = Pi - (Pl-Po) h et c ds étant la longueur d'un arc élémentaire de la périphérie de la came qu'on assimile à un arc de eerele de rayon r et d'ouverture de, donc En dérivant~ cette équation, on obtient l'équation différentielle (Pl-Po) r = - k A2 (r - rut0) r2 (Pl-Po) r3 + k A2 r - k A2 r'#e = 0 dont la solution donne l'équation du profil de la came 11. Le calcul qui précède est un calcul approché qui assimile la came à une succession d'arcs de cercle et qui ne tient pas compte de l'angle a que fait le fil 5 avec la verticale. La figure 4 représente le profil de la came 1 qui est une solution de l'équation différentielle. Il s'agit d'une came en forme de spirale dont le rayon croit avec l1angle 0. Un spiromètre selon l'invention est équipé d'une table traçante 20, comportant deux rouleaux 21a et 21b. Le fil 5 porte un stylet d'enregistrement 22 qui inscrit sur le pa#pier mobile de la table les courbes 23 d'enregistrement des volumes inspirés et expirés. La table traçante 20 est horizontale ou lé- gèrement inclinée de telle sorte que l'on peut utiliser des stylets à feutre ou à bille qui exercent sur le papier d'enregistrement un frottement relativement faible. On a représenté sur la figure 2 un capteur potentiométrique 24 qui est montE sur l'arbre 9 portant la came 11. Ce capteur délivre un signal électrique qui peut être enregistré sur un enregistreur électrique, Les figures 5 à 8 sont des schémas géométriques qui montrent un moyen de construction point par point du profil de la came 11. On retrouve sur ces figures la poulie 8, de rayon constant RP et la came il montées sur l'arbre 9 ainsi que le stylet 22 porté par le fil 5. Soit c la course totale du stylet 22 qui correspond à la course totale de la cloche 1. Soit fl et f2 les poids apparents minimum et maximum de la cloche 1 lorsque celle-ci est dans les positions extrêmes basse et haute et soit fr le poids résiduel de la cloche, Soit FRi la force initiale de traction du ressort qui équilibre le poids apparent minimum fl lorsque la cloche est en position basse. Soit k le coefficient de raideur du ressort, s le rayon du secteur 13 et p le rayon de la poulie 16. Le coefficient de démultiplication de la force du ressort est égal s Le déplacement angulaire total ~ de la came 11, exprimé en degrés, lorsque la cloche parcourt la course c est a = 3600 x c La force initiale appliquée sur la came est F1 = FRi x P s. Les figures 6 et 7 représentent les positions de la came 11 qui correspondent respectivement à la position basse et haute de la cloche 1 Le calcul point par point du rayon Rcn de la came correspondant à un point M' s'effectue à partir du point M précédent en accroissant l'angle ss d'une valeur c assez faible pour obtenir une bonne précision, par exemple c = 10. L'angle a qui apparaît sur la figure 6 détermine la position angulaire du point où le fil 12 est tangent à la came. Cet angle a varie légèrement avec la rotation de la came mais en pratique, on peut le considérer comme sensiblement constant sans introduire une grande erreur d'équilibrage. La figure 8 représente, à plus grande échelle, une portion de came 11 comportant deux points M et M' séparés par un écart #angulaire c et permet d'expliquer comment on calcule le rayon de la came Rc n correspondant au point M' à partir du rayon Rc n-1 correspondant au point M. Pour le calcul de chaque point M', on doit connaître sa position angulaire ss qui est la somme des écarts c depuis l'origine. On doit également connaître la somme des longueurs correspondant au développement de la came (Q1) ajoutée à la somme des élongations Q2 Somme Q1 + somme Q2 = Ln. La valeur de Rcn-1 x sin a calculée au point M précédent. Le poids apparent à équilibrer fn. La force de tension disponible Fn. On a fn = (f2 - f1 +fur). ~ Fn = F1 - (Ln-1.k) fn d'où Rcn = Fn x RP/cos a. On calcule ensuite Ln qui est la longueur totale de la spirale augmentée de la somme des élongations Q2 entre l'origine et le point n. Ln = Ln-1 + Qln + Q2. Qln = RCn x On assimile la portion de spirale à une circonférence. #2n = (RCn x sin a) - (Rcn-1 x sin a). Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs du spiromètre qui vient d'être décrit à titre d'exemple pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions. REVENDICATIONS 1 - Spiromètre enregistreur comportant une cloche mobile qui flotte dans un liquide avec lequel elle délimite une capacité de volume variable dans laquelle respire un patient, caractérisé en ce qu'il comporte deux pou lies montées sur un même axe, ladite cloche étant suspendue à la périphé rie de la première poulie par un fil vertical, qu'il comporte un ressort dont une extrémité est accrochée à un-point fixe et dont l'autre extré mité est attachée à un fil qui s'enroule sur la périphérie de la deuxiè me poulie et que l'une au moins des deux poulies présente la forme d'une came de rayon variable, de telle sorte que le couple que le poids appa rent de la cloche exerce sur les deux poulies soit constamment égal et opposé au couple dû à la force exercée par le ressort. 2 - Spiromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des deux poulies a un rayon constant et l'autre poulie a la forme d'une came en spirale dont le rayon croît avec l'angle. 3 - Spiromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rayon r de ladite came varie en fonction de l'angle e suivant une fonction r(O) qui est une solution de l'équation différentielle (P1-Po) r3(5) + k A2 r(e) - k A2 r' (e). 0= O avec P1 = poids apparent de la cloche en position haute. Po poids apparent de la cloche en position basse. A = rayon de la poulie solidaire de la came et k = coefficient de raideur du ressort. 4 - Spirosètreselonla revendication 2, caractérisé en ce que ladite came présente un profil homothétique de celui représenté sur la figure 4. 5 - Spiromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une table traçante horizontale ou légèrement incli née et le fil de suspension de ladite cloche porte un stylet qui enre gistre les déplacements de la cloche sur ladite table traçante. 6 - Spiromètre selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur potentiométrique qui est monté sur l'axe de l'une des poulies sur lesquelles-passe le fil de suspension de ladi te cloche.