Brevet FR2607009A1 — publié le 19880527

Cette invention concerne un échangeur de gaz du type à fibres creuses, communément appelé poumon artificiel ou oxygé- nateur, possédant un échangeur de chaleur intégré et perfectionné. Dans la chirurgie à coeur ouvert, on fait circuler une partie du sang du patient par un circuit extracorporel en vue de l'échânge de gaz au moyen d'un poumon artificiel ou oxygénateur. Dans ce circuit, le sang perd habituellement de la chaleur et doit être porté de nouveau à la température corporelle du patient au moyen d'un échangeur de chaleur. Cet échangeur peut être utilisé aussi pour refroidir le sang en circulation lorsqu'on désire une température corporelle inférieure à la normale. Les poumons artificiels du type à fibres creuses, comme ceux décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 376 095, comportent une partie oxygénation constituée de tubules formés de fibres creuses et une partie échange thermique possédant des tubes alignés côte à côte. On connaît également des oxygénateurs de sang avec un échangeur de chaleur intégré qui comporte un tube avec une nervure hélicoldale, sensiblement continue et d'un seul tenant avec le tube, nervure qui s'étend tout au long du tube et définit un trajet hélicoldal sensiblement continu pour un fluide. Le tube est placé dans une chambre raccordée au circuit sanguin extracorporel. Un exemple typique de ces appareils est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 138 464. L'oxygénateur commercialisé par American Bentley, une filiale de American Hospital Supply Corporation of Irvine, Californie, sous la désignation "BOS-CM Series", comporte une partie oxygénation constituée d'un oxygénateur du type à fibres creuses et une partie échange thermique dans laquelle un conduit d'échange thermique de section circulaire est enroulé en hélice autour d'un noyau intérieur, le conduit et le noyau étant entourés par un corps dans lequel est formée une rainure hélicoldale complémentaire à l'hélice formée par le conduit d'échange thermique. Ce conduit porte des nervures annulaires concentriques pour augmenter la surface du tube d'échange thermique exposée au sang en circulation. Les nervues annulaires créent une aire de surface - en contact avec le sang qui est d'environ 4 cm par cm de longueur du tube. Les oxygénateurs mentionnés de Bentley combinent certains avantages de l'échangeur de chaleur du brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 138 464 avec l'oxygénateur selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 376 095, cités tous deux dans ce qui précède. Cependant, le volume d'amorçage dynamique de l'échangeur de chaleur de L'oxygénateur de Bentley est relativement important en raison du grand espace gaspillé entre le conduit d'échange thermique, le noyau et le corps formant l'enveloppe extérieure. L'un des buts de l'invention est de réduire le volume d'amorçage de la partie échange de chaleur d'un oxygénateur dont la membrane est formée par des fibres creuses et dans lequel est intégré un échangeur de chaleur. L'appareil selon l'invention est un oxygénateur avec une partie échange gazeux et une partie échange thermique. La partie échange gazeux est constituée de fibres creuses et micro- poreuses qui sont enrobées aux deux bouts par une masse dite d'empotage. Après durcissement, cette masse est coupée, de manière à ouvrir les bouts des fibres pour la circulation du sang. Le faisceau de fibres est contenu de préférence dans un corps transparent. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 376 095 montre les détails d'un oxygénateur à fibres creuses qui pourrait constituer un exemple adéquat pour la réalisation de la section oxygénation de l'appareil selon l'invention. La partie échange thermique comprend un corps définissant une chambre d'échange thermique lorsqu'il est relié à la partie échange gazeux. Le corps possède une forme générale conique et son extrémité ayant le plus grand diamètre est attachée à la partie échange gazeux. Une pièce conique formant noyau, possédant des extrémités fermées étanches, est disposée dans ce corps conique. Un tube pourvu d'un revêtement, de préférence en aluminium anodisé, portant des cannelures ou des nervures parallèles, est enroulé en hélice autour du noyau fermé à l'intérieur du corps. La paroi interne du corps et la paroi externe du noyau portent une rainure hélicoidale complémentaire à l'hélice conique définie par le tube ou conduit. La demanderesse a découvert que le volume d'amorçage de l'échangeur de chaleur peut être diminué en utilisant un tube nervuré et aplati, doté de méplats opposés qui correspondent à la forme des rainures ménagées dans la paroi interne du corps et dans la paroi externe du noyau. L'application des méplats du tube contre les fonds plats correspondants des rainures du corps et du noyau, permet un ajustement nettement plus intime et plus uniforme. Avec une telle construction, le volume d'amorçage dynamique est réduit d'un tiers environ compa- rativement à celui nécessaire avec un tube d'échange thermique nervuré mais de section droite circulaire. De plus, l'épaisseur du flux sanguin est diminuée, ce qui augmente l'efficacité de l'échangeur de chaleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation préféré mais nullement limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective et partiel- lement en coupe d'un oxygénateur avec un échangeur de chaleur intégré, réalisé selon l'invention; - la figure 2 est une coupe axiale à plus grande échelle de l'échangeur ou partie échange thermique de l'oxygénateur de la figure I; et - la figure 3 est un détail à plus grande échelle du conduit d'échange thermique, du noyau et du corps de l'échangeur de chaleur de l'appareil de figure 1. Lorsqu'on se réfère aux figures 1 et 2, l'oxygénateur du type à fibres creuses représenté, construit selon l'invention et comportant une partie échange thermique enfermée, est constitué essentiellement d'une partie échange gazeux 10 à fibres creuses et d'une partie échange thermique 20 qui sont reliées l'une à l'autre par un écrou à collet 30. La partie échange gazeux 10 possède une enveloppe formée par un corps principal tubulaire 34 qui est fabriqué de préférence d'une matière plastique transparente et qui peut comporter, si désiré, des nervures internes. Comme représenté, le corps 34 est muni d'une entrée de gaz 36 et d'une sortie de gaz 38. Un faisceau de fibres creuses séparées 40 est disposé parallèlement à l'axe longitudinal du corps 34 à l'intérieur de celui-ci. Les bouts des fibres creuses 40 sont ouverts et sont maintenus, de façon étanche au liquide, dans des cloisons 42, 44. Ces cloisons sont formées par déversement d'un agent polymère d'empotage ou d'encapsulage dans chacune des extrémités du corps. Après que ce produit en forme de résine a enrobé les bouts des fibres 40 et s'est durci, il est coupé pour exposer les bouts ouverts des fibres creuses 40, après quoi les cloisons 42, 44 sont terminées. La fabrication des fibres creuses et l'enrobage de leurs bouts sont décrits, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 376 095 déjà cité. Les détails de la construction interne de l'unité d'oxygénation du sang ne font pas partie de l'invention. L'extrémité supérieure de la partie oxygénation 10 comporte une tête 46 qui définit une sortie de sang 48, un orifice de prise de température 50 et un orifice d'échantil- lonnage 52. Un joint torique 54, de préférence en élastomère relativement souple, est disposé entre la tête 46 et le corps principal 34 pour former un joint étanche au fluide. Un écrou à collet 56 est vissé par-dessus la tête 46 sur un filetage complé- mentaire 58 du corps principal 34. Le sang sortant des fibres creuses 40 pénètre dans un espace 60, défini entre la cloison 42 et la tête 46, et quitte ensuite l'appareil par un tube 48. La partie échange thermique 20 comporte un corps 70 de forme générale conique, qui est réalisé de préférence d'une matière plastique transparente afin de permettre le contrôle visuel du sang à l'intérieur. Un joint torique 72 assure l'étan- chéité au liquide entre l'intérieur du corps 70 de l'échangeur de chaleur et l'unité d'oxygénation 10. Comme le montre la figure 1, un écrou à collet 30 en plastique est vissé sur le corps 70 pour réunir la partie échange gazeux et la partie échange thermique de l'oxygénateur. Le corps 70 porte un orifice d'entrée de sang 74 pour l'introduction de sang veineux dans la partie échange thermique 20. Un orifice de prise de température 76 pénètre horizontalement et tout à fait en bas dans le corps 70 afin de réduire autant que possible tout espace mort. Le corps 70 porte, en outre, une entrée 78 et une sortie 80 pour l'introduction et la sortie d'eau ou d'un autre fluide d'échange thermique pour l'échangeur. Un noyau d'échangeur, fabriqué d'un matériau biocom- patible adéquat, d'acrylonitrile-butadiène-styrène ou de polypro- pylene par exemple, est disposé dans le corps 70. Ce noyau possède une forme conique et il est de préférence de couleur blanche pour former contraste avec le sang qui se trouvera dans la partie échange thermique. Le noyau 90 est de préférence creux et fermé à chaque extrémité. Le conduit d'échange thermique 100 est formé d'un tube de faible épaisseur de paroi, fabriqué d'un métal de haute conductibilité thermique. Comme on peut le voir sur la figure 1, Le conduit 100 est doté, sur toute sa longueur, de cannelures ou de nervures parallèles 102. Tout le conduit est convenablement revêtu pour qu'il soit biocompatible avec le sang humain. On peut se procurer du tube cannelé ou nervuré, anodisé, convenant à cette application, auprès de Turbotech Products, Inc. de Windsor, Connecticut. Le conduit d'aluminium fourni par cette firme pour le mode de réalisation de l'invention décrit ici avait une section droite initialement circulaire et un diamètre d'environ 18,5 mm. Le conduit d'échange thermique 100 est pourvu de deux surfaces aplaties opposées ou méplats 104 et 106, voir les figures 2 et 3. Le conduit peut être fabriqué avec de tels méplats, mais il est possible aussi de le mettre sous cette forme en partant d'un tube de section circulaire. Pour la réalisation du conduit à partir d'un tube d'aluminium d'un diamètre de 18,5 mm, ce tube a été aplati jusqu'à l'obtention d'une distance de 13,7 + 0,4 mm entre les méplats 104 et 106 opposés. La demanderesse a constaté qu'un tube rond ayant le diamètre indiqué cidessus ne pouvait pas être aplati au-delà de 12,7 mm environ entre les méplats si l'on veut éviter la formation de fissures dans l'aluminium. Bien entendu, si les méplats sont formés au départ, la distance entre eux peut être réduite davantage. De manière générale, si X est le diamètre du tube rond, la distance entre les méplats opposés formés ensuite doit être comprise entre environ 0,72 X et 0,76 X. Ensuite, le conduit 100 est transformé en une hélice conique sur laquelle le méplat 104 est dirigé vers l'extérieur et le méplat opposé 106 est dirigé vers l'intérieur du c8ne. La génératrice des méplats forme de préférence un angle de 2 degrés, 52 minutes avec l'axe de l'hélice. Le corps 70 possède une paroi interne 110 dans laquelle est ménagée une rainure hélicoîdale 112 qui est également conique et est complémentaire à la partie externe de l'hélice formée par le conduit 100. La rainure hélicoidale 112 possède un fond plat 114 et des flancs qui forment, dans le sens de l'axe de l'hélice, des saillies 116 entre les spires successives du fond 114. Le sommet de la saillie 116 est de préférence légèrement arrondi, comme on peut le voir sur la figure 1, afin d'éviter des arêtes vives qui risqueraient d'être endommagées par le contact avec le conduit 100. La demanderesse a constaté qu'une construction utilisant un corps d'échangeur avec une rainure interne à fond plat 114, correspondant au méplat 104 du conduit 100, permet d'obtenir une unité d'échange thermique qui possède à la fois une haute efficacité quant à l'échange thermique et un faible volume d'amorçage dynamique. Du fait que le méplat 104 et le fond 114 sont relativement larges, la hauteur de la saillie 116 peut être relativement faible, ce qui est un avantage. En effet, avec des saillies 116 plus hautes, donc également plus minces, le risque de détachement de fragments de ces saillies est plus grand lorsque le conduit hélicoidal est mis en contact avec elles. Une rainure hélicoidale complémentaire à un conduit de section circulaire devrait avoir une saillie très haute, afin que l'aire de contact entre le conduit et le corps soit maximale et afin que le volume d'amorçage soit minimal. Une telle construction serait trop fragile et provoquerait la rupture de la saillie à de nombreux endroits, ce qui irait à l'encontre du but même d'une telle construction. Le noyau 90 possède une surface externe 120 pourvue aussi d'une rainure hélicoidale 122, qui est également en cône et dont la forme est complémentaire à celle du côté intérieur du conduit en hélice 100. La rainure 122 possède un fond plat 124 et une saillie 126 qui sont disposés et agencés comme décrit dans ce qui précède pour la rainure hélicoidale du corps. Le conduit hélicoidal 100 est disposé dans le corps 70 de manière que ses extrémités traversent la paroi du corps et forment l'entrée 78 et la sortie 80 pour le fluide d'échange thermique. Ensuite, le noyau conique 90 est vissé dans le conduit 100. Quand le cône atteint le fond du corps, on a obtenu un assemblage serré entre le noyau, le conduit et le corps de l'échangeur. Le méplat 104 du conduit est appliqué intimement contre le fond plat 114 de la rainure du corps 70. Les nervures 102 permettent au sang ou à un autre fluide de passer de l'une à l'autre des spires formées par ce fond plat. De façon analogue, le méplat 106 du côté intérieur du conduit 100 est appliqué intimement contre le fond plat 124 de la rainure ménagée dans le noyau 90. Par suite, le volume d'amorçage dynamique de la partie échange thermique est considé- rablement réduit comparativement à celui d'oxygénateurs connus possédant des échangeurs de chaleur. Par exemple, la partie échange thermique réalisée selon l'invention demande environ 210 cm2 de sang pour l'amorçage, tandis que la partie échange thermique de grandeur à peu près identique d'un oxygénateur Bentley BOS-CM demande environ 340 cm2 de sang pour l'amorçage. L'application de l'invention, utilisant des méplats sur le tube et des creux à fond plat correspondants, se traduit par une diminution d'environ 38 % du volume d'amorçage, avec maintien de caractéristiques d'échange thermique optimales. L'entrée et la sortie de fluide d'échange 78 et 80 sont raccordées de façon étanche aux extrémités ouvertes du conduit 100. L'entrée 78 et la sortie 80 sont de préférence réalisées pour être reliées par des raccords rapides à une arrivée et un retour d'eau. De même, l'entrée de gaz 36 et La sortie de gaz 38 sont de préférence pourvues d'un raccord rapide pour permettre le branchement facile et rapide à des tuyaux d'oxygène. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Oxygénateur du type à fibres creuses, comprenant une partie échange thermique (20) et une partie échange gazeux (10) avec un premier corps (34), un faisceau de fibres creuses (40) pour l'échange de gaz, les fibres étant séparées les unes des autres et étant disposées côte à côte dans le premier corps (34), une première et une seconde cloison (42, 44) supportant les fibres creuses à leurs portions extrêmes opposées, dans une disposition étanche au liquide et de manière que les extrémités des fibres restent ouvertes, les deux cloisons et les fibres définissant une chambre à sang et un échangeur de gaz, une entrée (36) et une sortie (38) communiquant avec cet échangeur de gaz et un premier orifice de circulation du sang (48) ménagé dans le corps (34) et communiquant avec la chambre à sang, caractérisé en ce que: a) la partie échange thermique (20) possède une corps (70) qui forme un deuxième corps de l'oxygénateur et qui communique à travers un joint étanche au fluide avec l'extrémité de la partie échange gazeux située du côté de la seconde cloison (44); b) un conduit d'échange thermique (100) est enroulé en hélice dans le deuxième corps (70) et forme une entrée (78) et une sortie (80) d'échangeur de chaleur à l'extérieur de ce corps (70); c) un noyau (90) d'échangeur de chaleur est disposé dans le deuxième corps (70), de manière que le conduit (100) entoure et soit en contact avec ce noyau (90) suivant une hélice; d) le conduit (100) porte des nervures concentriques parallèles (102) sur toute sa longueur, ces nervures entourant le conduit extérieurement et augmentant sa surface d'échange thermique, le conduit et les nervures définissant des méplats extérieur (104) et intérieur (106) qui sont sensiblement parallèles à l'axe de l'hélice formée par le conduit (100); e) le deuxième corps (70) possède une paroi interne (110) dans laquelle est formée une rainure hélicoidale (112) complé- mentaire au côté extérieur du conduit hélicoidal (100), de manière que le méplat extérieur (104) et la rainure (112) de la paroi interne du deuxième corps (70) définissent un passage étanché de faible volume à l'intérieur de ce corps, passage par lequel du sang peut passer d'une entrée de sang (74) de l'oxygénateur, prévue sur le deuxième corps (70), jusque dans ta partie échange gazeux (10); et f) le noyau (90) possède une paroi externe (120) dans Laquelle est formée une rainure hélicoidale (122) complémentaire au côté intérieur du conduit hélicoldal (100), de manière que le méplat intérieur (106) et la rainure (122) du noyau définissent un passage étanché de faible volume, par lequel du sang peut passer de l'entrée de sang (74) sur le deuxième corps (70) jusque dans la partie échange gazeux (10). 2. Oxygénateur selon la revendication 1, dont la partie échange thermique (20) sert à la régulation de la température du sang circulant dans un circuit sanguin extracorporel, les deux cloisons (42, 44) définissant une chambre d'échange gazeux avec la paroi interne du premier corps (34) et les surfaces externes des fibres creuses (40), l'entrée (36) et la sortie (38) commu- niquent avec cette chambre d'échange gazeux et constituent une entrée respectivement une sortie d'oxygène, le premier orifice de circulation du sang (48) communique avec un espace intersticiel des fibres creuses (40) situé à l'extérieur de la première cloison (42), le deuxième corps (70) de l'oxygénateur est raccordé au premier corps (34), contenant l'échangeur de gaz, de manière que les passages pour le sang, formés dans le deuxième corps (70), communiquent avec l'intérieur des fibres creuses (40), le conduit (100) est traversé par un fluide d'échange thermique, l'hélice formée par ce conduit est conique, les méplats (104, 106), obtenus par aplatissement d'un tube de section circulaire, présentent un espacement minimal qui correspond à (0,74 + 0,02) X, o X est le diamètre du tube de départ rond,.et le noyau (90) possède une forme conique qui correspond à celle du conduit (100), de sorte que ce conduit peut être enroulé de façon serrée autour du noyau (90). 3. Oxygénateur selon La revendication 2, dans lequel la paroi interne du deuxième corps (70) possède une forme conique qui correspond à celle du conduit héLicoîdal (100), de sorte que ce conduit peut être enroulé de façon serrée entre le noyau (90) et le corps (70) de l'échangeur de chaleur, de manière à réduire autant que possible le volume des passages sanguins formés entre le conduit (100) et les rainures (112, 122) ménagées dans la paroi interne du corps (70) et la paroi externe du noyau (90).