Brevet FR2580339A1 — publié le 19861017

La présente invention a pour objet un convertisseur électropneumatique comprenant une pompe volumétrique entraînée par un moteur électrique. Un tel convertisseur est utilisé, par exemple, dans le domaine biomédical, pour la commande pneumatique d'un module cardiaque, ou coeur artificiel. Un coeur artificiel est composé principalement de deux ventricules, comprenant chacun un sac souple, ou sac à sang, dont la déformation pour aspirer ou refouler le sang est commandée par la déformation d'un sac à gaz, par exemple à air, ou à azote. Chacun des deux sacs à gaz, correspondant à chacun des deux ventricules, est relié périodiquement par l'intermédiaire d'un distributeur, à l'entrée et à la sortie de la pompe d'un convertisseur électropneumatique du type ci-dessus. On connait déjà de tels convertisseurs, dont le volume n'est cependant jamais inférieur à une dizaine de déci- mètres cube, ce qui rend impossible leur implantation sur un malade. Il en résulte de graves inconvénients pour le malade auquel on a implanté un module cardiaque. La présente invention vise à pallier cet inconvénient. Elle a pour objet, à cet effet, un convertisseur électro- pneumatique comprenant une pompe volumétrique, entraînée par un premier moteur électrique, caractérisé par le fait que la pompe volumétrique est une pompe à engrenages à deux roues dentées dont la première roue dentée est en- traînée par le premier moteur électrique, et il est prévu un deuxième moteur électrique pour entraîner la deuxième roue dentée. Avec le convertisseur de l'invention, l'augmentation de la vitesse de rotation qui permet de rattrapper, de fa- çon classique, la perte de puissance de la pompe liée à une diminution de ses dimensions, n'entraîne pas d'effet gyroscopique tendant à s'opposer au mouvement du conver- tisseur, ce qui serait intolérable pour le malade dans le corps duquel un tel convertisseur pourrait être implanté. Avantageusement, deux circuits électroniques de commande indépendants sont prévus, le premier moteur électrique étant relié au premier circuit électronique de commande, et le deuxième moteur électrique étant relié au deuxième circuit électronique de commande. Ainsi, en cas de défaillance d'un des deux moteurs ou diun composant électronique appartenant à l'un des deux circuits, l'autre moteur, ou l'autre circuit permet au convertisseur de l'invention de continuer à fonctionner. La sûreté du convertisseur de l'invention est donc accrue. Avantageusement encore, des moyens de calcul sont prévus, chaque circuit électronique de commande étant relié aux moyens de calcul, pour commander les moteurs afin que les dents de la première roue dentée soient toujours en contact avec les dents de la deuxième roue dentée, pour un bon entrainement du gaz par la pompe. Avantageusement, chaque moteur électrique est dimensionné pour entratner, seul et de façon permanente la pompe, il est prévu un circuit de contr8le du courant d'alimentation pour chacun des circuits électroniques de commande, des moyens de signalisation extérieure sont reliés au circuit de contr8le et des moyens d'ouverture pour ouvrir la connexion d'alimentation de chacun des circuits électro- niques de commande sont reliés au circuit de contr8le. Ainsi le convertisseur de l'invention présente une sécu- rité totale puisque, en cas de défaillance d'un des deux moteurs, ou d'un composant électronique appartenant à l'un des deux circuits, le circuit de contr8le correspon- dant peut détecter la variation de courant d'alimentation absorbé par le circuit, ce qui pourra avoir pour conse- quence la signalisation extérieure et la mise hors service du moteur ou du circuit défaillant, par l'ouverture de la connexion d'alimentation. Ainsi, le malade, ou son entourage, sont avertis d'une anomalie, et en attendant une intervention, toute consommation d'énergie par le moteur ou le circuit défaillant est évitée, le fonction- nement normal du convertisseur étant assuré par un seul circuit électronique de commande et un seul moteur, dont le dimensionnement est prévu en conséquence. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip- tion suivante de la forme de réalisation préférée du convertisseur selon l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels, - la figure 1 représente une vue en coupe partielle de la partie mécanique d'un activateur pneumatique comprenant le convertisseur électropneumatique de l'invention, et - la figure 2 représente un schéma électrique par blocs de l'activateur pneumatique de la figure 1. En référence à la figure 1, un activateur pneumatique, implanté dans le corps d'un malade, pour la commande pneu- matique d'un module cardiaque, ou coeur artificiel,(non représenté), également implanté dans le corps du malade, auquel il est réuni par un ensemble de deux tubes coaxiaux 61 et 62, comprend un convertisseur électropneumatique dont seule la pompe volumétrique 30 à engrenages, de conception classique, est représentée et deux distribu- teurs rotatifs également de conception classique, 43 et 53 reliés à deux moteurs 42 et 52, ici pas à pas. Les arbres de sortie de deux moteurs électriques 12 et 22, ici identiques et à commutation et tournant sur paliers hydrodynamiques, sont respectivement réunis aux deux roues dentées de l'engrenage de la pompe 30. La canalisation d'entrée 31, et la canalisation de sortie 32 de la pompe 30 sont reliées à une première canalisa- tion d'accès et à une deuxième canalisation d'accès, res- pectivement, de chaque distributeur rotatif 43 et 53. Une troisième canalisation d'accès du distributeur rotatif 53 est reliée au ventricule gauche du module cardiaque par un premier tube coaxial 61. Une troisième canalisation d'accès du distributeur rotatif 43 est reliée au ventricule droit du module cardiaque par un second tube coaxial 62. En référence à la figure 2, un circuit d'alimentation 70 comprend, de façon classique, un chargeur de batterie, une batterie, un convertisseur continu-continu, et un circuit d'adaptation à une batterie externe (non repré- sentés) entre des entrées extérieures au malade, dont une seule 71 a été représentée, et des sorties, dont une seule 72 a été représentée pour des raisons de simplicité. Une sortie 72 du circuit d'alimentation 70 est reliée, par un conducteur 73, aux entrées d'alimentation de moyens de calcul, en l'occurrence un microprocesseur 1 et de deux circuits électroniques de commande 41 et 51 des moteurs 42 et 52 respectivement. Le conducteur 73 est également relié à l1entrée d'alimen- tation d'un circuit électronique de commande 11, respec- tivement 21, du moteur 12, respectivement 22, par ltin- termédiaire d'un circuit de contrôle 13, respectivement 23, et d'un circuit d'ouverture 14, respectivement 24, monté en cascade avec le circuit de contrôle 13, respec- tivement 23. Les entrées des circuits électroniques de commande 11, 21, 41 et 51 sont reliées à quatre sorties 111, 121, 141 et 151 du microprocesseur 1. Des sorties de données des circuits de contrôle 13 et 23 sont reliées à deux entrées 113 et 123 du microprocesseur 1. Les entrées des circuits d'ouverture 14 et 24 sont reliées à deux sorties 114 et 124 du microprocesseur 1. Deux capteurs de pression 63 et 64, placés dans les troi- sièmes canalisations d'accès des distributeurs rotatifs 43 et 53, respectivement, reliées aux ventricules droit et gauche du module cardiaque, respectivement, sont relies à deux entrées 163 et 164 du microprocesseur 1. Un circuit 80 de signalisation,extérieure au corps du ma- lade, comprenant par exemple une diode électro-luminescente, est relié à une sortie 180 du microprocesseur 1. Les circuits électroniques de commande 11, 21, 41 et 51 sont des amplificateurs de puissance- de type classique pour la commande de moteurs électriques. 6 2580339 Le circuit de contrôle 13 comprend une résistance de faible valeur entre l'entrée reliée au conducteur 73 et la sortie reliée au circuit d'ouverture 14, et un conver- tisseur analogique-numérique pourvu d'une entrée diffé- rentielle dont -les deux bornes sont reliées aux deux bornes de la résistance et dont la sortie numérique cons- titue la sortie de données du circuit de contrôle 13. Le circuit de contr8le 23 est identique au circuit de con- trôle 13. Le circuit d'ouverture 14 comprend un fusible entre l'en- trée reliée au circuit de contrôle 13 et la sortie reliée à lentrée d'alimentation du circuit électronique de commande 11, et un thyristor dont la gâchette constitue l'entrée du circuit d'ouverture 14, son anode étant reliée à la sortie reliée à l'entrée d'alimentation du circuit électronique de commande 11, et sa cathode étant reliée à la masse. Le circuit d'ouverture 24 est identique au circuit d'ouverture 14. L'ensemble qui vient d'être décrit, dont les dimensions sont assez faibles pour être compatibles avec une implan- tation, fonctionne de la manière suivante. Le circuit d'alimentation 70 permet l'alimentation en énergie électrique de l'ensemble des circuits et des mo- teurs, grâce à l'énergie électrique qu'il a accumulée dans la batterie, ou grâce à celle qui lui est délivrée en permanence sur ses entrées 71, selon le type d'acti- vité du malade. En fonctionnement normal, le microprocesseur 1 pilote les circuits 11 et 21, et donc les moteurs 12 et 22,à grande vitesse pour obtenir une puissance pneumatique suffisante malgré la taille réduite. Le microprocesseur 1 est agencé pour que chacun fournisse environ la moitié de la puis- sance totale à fournir, compte tenu de ce qui est néces- saire au malade et des divers rendements, tout en main- tenant cependant la puissance de l'un des deux moteurs légèrement supérieure à celle de l'autre, afin que les dents des deux roues dentées soient toujours en contact les unes avec les autres, pour un bon entraînement du gaz, ici de l'air. Le couple gyroscopique est donc nul, puisque les deux moteurs tournant à grande vitesse, identiques, tournent en sens inverses. Ainsi le malade peut bouger sans qu'un couple gyroscopique ne s'oppose aux déplacements corres- pondants du convertisseur. Le microprocesseur 1 pilote également les distributeurs rotatifs 43 et 53, à l'aide des circuits de commande 41 et 51, et des moteurs 42 et 52. Grâce aux capteurs de pression 63 et 64, la commande de ces distributeurs peut être asservie, et grâce aux moteurs pas à pas 42 et 52, leur commande peut être progressive, ce qui permet de mettre en communication, progressivement, les sacs à air du ventricule droit ou du ventricule gauche du module cardiaque avec la canalisation d'entrée 31 ou de sortie 32 de la pompe 30, de façon à réaliser des phases d'aspi- ration et de refoulement proches de celles d'un coeur vivant, et ne fatigant pas prématurément les valves du coeur artificiel. Si une défaillance se produit, par exemple pour le moteur 12, ou pour un composant du circuit de commande 11, il en résulte une variation anormale du courant d'alimenta- tion qui traverse le circuit de contrôle 13. Le micro- processeur 1, qui compare en permanence les données numé- riques de sortie du circuit de contr8le 13 à un seuil supérieur et à un seuil inférieur, dont le franchissement ne se produit pas en fonctionnement normal, détecte alors la défaillance. En réponse, il envoie des signaux sur la sortie 180 et la sortie 114. Ainsi, le malade, ou son entourage, sont avertis grace au circuit 80. L'ensemble défaillant est mis hors service grâce à la destruction du fusible du circuit d'ouverture 14, consécutive à la mise en conduction du thyristor, ce qui ouvre donc la connexion d'alimenta- tion. L'ensemble défaillant ne consomme plus inutilement d'énergie électrique. Le moteur restant, en l'occurrence le moteur 22, conve- nablement dimensionné, fournit alors à l'ensemble la puis- sance nécessaire, et comme il continue à entraîner le moteur hors service, le couple gyroscopique continue à rester nul. A titre d'exemple, dans la forme de réalisation décrite, chacun des moteurs 12 et 22 peut fournir une puissance nominale de 6 W et, en fonctionnement normal, chaque moteur fournit une puissance inférieure à 3 W. Si cela est nécessaire, il est possible d'accroître la sûreté de fonctionnement de l'ensemble en prévoyant deux circuits électroniques de commande supplémentaires, ana- logues aux circuits 41 et 51, pour remplacer l'un de ceux-ci en cas de défaillance. On peut alors prévoir, pour les circuits 41 et 51, des circuits de contrôle, analogues aux circuits 13 et 23 et des circuits d'ouver- ture, analogues aux circuits 14 et 24, agencés de manière comparable, pour éviter d'alimenter inutilement le cir- cuit 41, et le circuit 51, en cas de défaillance de l'un de ces deux, ou de ces deux circuits. Il est à noter cependant que, contrairement à ce qui se passe pour le moteur 12, par exemple, il est nécessaire, si l'on veut se protéger contre une défaillance du moteur 42, de prévoir le doublement de celui-ci, car les deux distributeurs rotatifs 43 et 53 travaillent indépendamment l'un de l'autre. Au contraire, et conformément à l'inven- tion, l'utilisation de deux moteurs 12 et 22 pour la pompe a engrenages 30 permet, en mime temps, d'annuler le couple gyroscopique, et d'assurer une sécurité en cas de défail- lance sans augmentation du volume. Le circuit 80 de signalisation qui a été décrit est dispo- sé à l'extérieur du corps du malade et il comprend une diode électroluminescente. Il est également possible de prévoir un circuit de signalisation intérieur au corps du malade, pourvu par exemple d'un système de signalisation sonore comme un "buzzer". L'application du convertisseur électropneumatique de l'in- vention n'est pas limitée à celle qui vient d'être décrite, pour la commande d'un module cardiaque. Elle peut être par exemple utilisée pour toute autre application biomédicale, implantée ou non, et d'une manière générale dans toute ap- plication o il est utile de disposer d'un convertisseur électropneumatique de faible volume, sans couple gyrosco- pique, et offrant une grande sécurité de fonctionnement. Revendications 1. Convertisseur électropneumatique comprenant une pompe volumétrique (30), entraînée par un premier moteur élec- trique (12), caractérisé par le fait que la pompe volumé- trique (30) est une pompe à engrenages à deux roues den- tées dont la première roue dentée est entraînée par le premier moteur électrique (12), et il est prévu un deu- xième moteur électrique (22) pour entraîner la deuxième roue dentée. 2. Convertisseur électropneumatique selon la revendica- tion 1, dans lequel deux circuits électroniques de com- mande (11, 21) indépendants sont prévus, le premier moteur électrique (12) étant relié au premier circuit électronique de commande (11), et le deuxième moteur électrique (22) étant relié au deuxième circuit électro- nique de commande (21). 3. Convertisseur électropneumatique selon la revendica- tion 2, dans lequel des moyens de calcul (1) sont prévus, auxquels chaque circuit électronique de commande (11, 21) est relié, pour commander les moteurs afin que les dents de la première roue dentée soient toujours en contact avec les dents de la deuxième roue dentée. 4. Convertisseur électropneumatique selon l'une des reven- dications 2 et 3, dans lequel chaque moteur électrique (12i 22) est dimensionné pour entraîner, seul et de façon permanente la pompe (30), il est prévu un circuit de contr8le (13, 23) du courant d'alimentation pour chacun des circuits électroniques de commande (11, 21), des moyens de signalisation extérieure (1, 80) sont reliés au circuit de contr8le (13, 23), et des moyens d'ouverture (1, 14, 24) pour ouvrir la connexion d'alimentation de chacun des circuits électroniques de commande (11, 21) sont reliés au circuit de contrôle (13, 23) 5. Convertisseur électropneumatique selon l'une des reven- dications i à 4, dans lequel les moteurs électriques (12, 22) et la pompe volumétrique (30) tournent sur des paliers hydrodynamiques. 6. Convertisseur é!ectropne3zmatique selon l'une des reven- dications 1 à 5, dans lequel les moteurs électriques (12, 22) sont des moteurs à commutation.