Brevet FR2680975A1 — publié le 19930312

REIN ARTIFICIEL MUNI DE MOYENS POUR DOSER UNE SUBSTANCE DANS LE SANG La présente invention a pour objet un rein artificiel qui permette le dosage de substances dans le sang et qui soit en outre particulièrement adapté au traitement de personnes ayant perdu temporairement l'usage de leurs reins à la suite d'un accident ou d'une opération chirurgicale. Ces substances peuvent être, par exemple, des médicaments (antibiotiques, notamment), du glucose, ou certains électrolytes du sang (potassium, magnésium, bicarbonate, en particulier) Dans la suite, on décrira l'invention dans son application au dosage du bicarbonate, mais il va de soi que cet exemple d'utilisation, donné à titre purement illustratif, ne saurait être considéré comme limitatif. On sait que les reins, outre des fonctions d'épuration des déchets plasmatiques (urée, créatinine) et d'excrétion hydrique, jouent un rôle important dans le maintient de l'équilibre acido-basique du milieu interne, notamment en éliminant des acides faibles (phosphates, acides monosodiques) et en produisant des sels d'ammonium. Chez les personnes qui ont perdu l'usage de leurs reins, temporairement ou définitivement, ce mécanisme régulateur ne jouant plus, on constate une élévation de l'acidité du milieu intérieur (acidose), c'est-à-dire aussi une baisse du p H du sérum sanguin, qui se déplace vers 7 (le p H sanguin varie normalement dans les limites très étroites qui vont de 7,35 à 7,45). De façon classique, pour pallier la déficience du mécanisme régulateur rénal, on agit sur un autre mécanisme régulateur de l'équilibre acidobasique du milieu interne, qui est constitué par les systèmes tampons du sang, dont le principal comprend l'acide carbonique, comme acide faible, associé à son sel alcalin, le bicarbonate C'est ainsi que, pour combattre l'acidose d'une personne souffrant d'insuffisance rénale, on fait passer dans son sang une quantité dosée de bicarbonate, généralement simultanément à une séance d'épuration du sang par hémofiltration ou par hémodialyse. Lors d'un traitement par hémofiltration, o le sang est épuré par ultrafiltration d'eau plasmatique au travers d'une membrane semi- perméable avec transfert convectif simultané de déchets plasmatiques, l'apport en bicarbonate se fait par perfusion d'une solution de bicarbonate de sodium. Lors d'un traitement par hémodialyse, o le sang est épuré par transfert diffusif de déchets plasmatiques au travers d'une membrane semi- perméable dont la face non baignée par le sang est irriguée par un flux de liquide de dialyse, l'apport en bicarbonate peut se faire de deux façons, selon que le liquide de dialyse contient du bicarbonate ou qu'il en est dépourvu. Dans le premier cas, l'apport au sang de bicarbonate se fait par diffusion au travers de la membrane semi-perméable, du liquide de dialyse vers le sang, la concentration en bicarbonate dans le liquide de dialyse étant ajustée en conséquence. Dans le second cas, comme lors du traitement par hémofiltration, une solution de bicarbonate de sodium est perfusée au patient en quantité suffisante pour compenser les pertes diffusives (ou convectives, en hémofiltration) qui se produisent dans l'échangeur à membrane ainsi que le déficit dont souffre le malade en état d'acidose. La concentration finale en bicarbonate du sang d'un patient soumis à l'un de ces traitements dépend de la concentration en bicarbonate de la solution de perfusion ou du liquide de dialyse, de leurs débits respectifs, et du débit du sang du patient circulant dans un circuit pour circulation extracorporelle de sang comprenant l'échangeur à membrane. Actuellement, à l'exception de la concentration de la solution de bicarbonate de sodium, qui est fixée par le fabricant, ces paramètres sont déterminés empiriquement par le médecin, à partir de mesures du p H sanguin faites régulièrement dans le cas des patients en état de choc, dont le sang est dialysé ou ultrafiltré en permanence, ou faites après une séance de traitement et avant la séance suivante, dans le cas des patients ayant définitivement perdu l'usage de leurs reins. Le but de l'invention est de réaliser un rein artificiel, qui permette de régler précisément la concentration d'une substance dans le sang d'un patient soumis à un traitement d'épuration rénale, en particulier la concentration en bicarbonate. Selon l'invention, pour atteindre ce but, on prévoit un rein artificiel comprenant: un échangeur ayant deux compartiments séparés par une membrane semi-perméable, un premier compartiment étant relié à un circuit pour circulation extracorporelle de sang, un second compartiment ayant une sortie pour l'évacuation de liquide usé, une source de solution stérile contenant une substance (A) reliée au circuit pour circulation extracorporelle de sang, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour régler le débit (QA) de la solution stérile perfusée dans le circuit pour circulation extracorporelle de sang en fonction du débit (QOUT) du liquide usé. Selon une caractéristique de l'invention, le débit (QA) de perfusion de la solution stérile et le débit (QOUT) du liquide usé sont liés par la formule QA = lAIDES X QOUT =lAI SOL Qu dans laquelle lAIDES est la concentration souhaitée en substance (A) du sang du patient et lAlSOL est la concentration de la substance (A) dans la solution stérile. Selon une autre caractéristique de l'invention, la substance (A) étant du bicarbonate, le rein artificiel comprend une source de liquide de dialyse/substitution ne contenant pas de bicarbonate reliée au circuit pour circulation extracorporelle de sang et à une entrée du second compartiment de l'échangeur, et des moyens d'occlusion pour ou bien isoler la source ou bien permettre l'écoulement du liquide de dialyse/substitution dans le circuit pour circulation extracorporelle de sang, ou bien permettre l'écoulement du liquide de dialyse/substitution dans le second compartiment de l'échangeur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le rein artificiel comprend des moyens pour faire un bilan du (ou des) liquide(s) introduit(s) dans le circuit pour circulation extracorporelle de sang et du liquide usé (ultrafiltrat et/ou liquide de dialyse usé) s'écoulant du second compartiment de l'échangeur Ces moyens pour faire le bilan des liquides peuvent comprendre une balance pour peser un réservoir constituant une source de liquide de dialyse/substitution et un réservoir pour le recueil du liquide usé, et une balance pour peser un réservoir constituant une source de solution contenant la substance (A). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre On se reportera aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma simplifié d'un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est un schéma simplifié d'un second mode de réalisation de l'invention. Le rein artificiel représenté sur la figure 1 comprend un échangeur 1 ayant deux compartiments 2, 3 séparés par une membrane semi- perméable 4 Le compartiment 2 est connecté à un circuit pour circulation extracorporelle de sang comprenant une canalisation amont 5, sur laquelle est disposée une pompe de circulation 6, et une canalisation aval 7 équipée d'un piège à bulles 8 Les canalisations 5 et 7 sont respectivement munies à leur extrémité libre d'une aiguille ou d'un connecteur pour cathéter, pour le raccordement du circuit pour circulation extracorporelle de sang au circuit vasculaire d'un patient 9. Un réservoir 10 de liquide de dialyse/substitution stérile et dépourvu de bicarbonate est relié, par l'intermédiaire d'une portion de canalisation commune 11 sur laquelle est disposée une pompe de circulation 12, à deux canalisations 13, 14 connectées respectivement au piège à bulles 8 et à une entrée du second compartiment 3 de l'échangeur 1 Des moyens d'occlusion 15, 16, tels que des clamps électromagnétiques, sont prévus respectivement sur les canalisations 13, 14 pour permettre de relier sélectivement le réservoir 10 à l'échangeur 1 ou au circuit de circulation extracorporelle. Un second réservoir 17 pour liquide usé (ultrafiltrat et/ou liquide de dialyse usé) est relié à une sortie du second compartiment 3 de l'échangeur 1, par une canalisation 18 sur laquelle est disposée une pompe d'extraction 19 de liquide usé La pompe 19 permet de créer une dépression variable dans le compartiment 3 de l'échangeur 1, c'est-à- dire aussi de faire varier la pression transmembranaire et, par conséquent, le débit d'ultrafiltration. Un troisième réservoir 20 de solution stérile de bicarbonate de sodium est relié au piège à bulles 6, par l'intermédiaire d'une canalisation 21 sur laquelle est disposée une pompe de circulation 22. Conformément à l'invention, le rein artificiel représenté sur la figure I comprend des moyens pour établir un bilan des liquides perfusés au patient 9 et des liquides usés, pour programmer éventuellement une perte de poids souhaitée par extraction d'eau plasmatique en excès par rapport au(x) liquides(s) perfusé(s), et pour établir la concentration en bicarbonate du plasma du patient à une valeur déterminée Ces moyens comprennent une première balance 23 pour peser le réservoir 10 de liquide de dialyse/substitution et le réservoir 17 de liquide usé, une seconde balance 24 pour peser le réservoir 20 de solution de bicarbonate de sodium, et une unité de commande 25 pouvant recevoir, comme signaux d'entrée, les informations fournies par les balances 23, 24, une consigne QWL de débit de perte de poids souhaité, la valeur lHCO 3 Is OL de la concentration en bicarbonate de la solution contenue dans le réservoir 20 et une consigne lHCO 3 JDES de concentration du sang en bicarbonate souhaitée L'unité de commande 25 est prévue pour piloter la pompe 19 d'extraction de liquide usé, compte tenu du débit QIN imposé à la pompe 12 de circulation du liquide de dialyse/substitution, et pour piloter la pompe 22 de perfusion de-la solution de bicarbonate compte tenu du débit QOUT de la pompe 19 d'extraction de liquide usé. Conformément à l'invention, l'asservissement du débit QHCO 3 de la pompe de perfusion 22 au débit QOUT de la pompe d'extraction 19 peut être défini, quel que soit le type de traitement auquel est soumis le patient, hémofiltration avec ou sans perfusion de liquide de substitution, hémodialyse ou hémodiafiltration, par la formule QHCO 3 = QOUT X lHCO 3 lS ( 1) Le fonctionnement du rein artificiel qui vient d'être décrit est le suivant: En mode hémofiltration sans perfusion de liquide de substitution, les clamps 15, 16 sont fermés, la pompe 12 de circulation du liquide de dialyse/substitution est à l'arrêt et les pompes 19, 22 d'extraction de filtrat sanguin et de perfusion de solution de bicarbonate tournent. L'unité de commande 25 règle en continu le débit QOUT de la pompe d'extraction 19, mesuré au moyen de la balance 23, de façon que ce débit soit égal en permanence à la somme du débit QWL de perte de poids souhaité et du débit QHCO 3 de perfusion de la solution de bicarbonate, mesuré au moyen de la balance 24 L'unité de commande 25 règle aussi en continu le débit QHCO 3 de la pompe 22 de perfusion de solution de bicarbonate, en fonction de la concentration en bicarbonate lHCO 3 lDES souhaitée du sang du patient, de la concentration lHCO 3 lSOL de la solution contenue dans le réservoir 20, et de la perte convective se produisant dans l'échangeur 1, qui est égale à QOUT X lHCO 3 IBLD, lHCO 3 lBLD étant la concentration en bicarbonate du sang du patient et la transmittance des membranes haute perméabilité utilisées en hémofiltration étant égale à 1 pour les électrolytes du sang (on rappelle que la formule générale donnant le débit massique Js d'une substance traversant une membrane en fonction du débit volumétrique Jv d'eau plasmatique est la suivante: Js =Jv x Trx Cs o Cs est la concentration de la substance dans le sang et o Tr est la transmittance de la membrane vis à vis de cette substance) L'asservissement de la pompe 22 de perfusion de bicarbonate selon la formule ( 1) donnée plus haut permet donc d'amener progressivement le sang du patient 9 à un état d'équilibre o la concentration en bicarbonate est égale à lHCO 3 lDES. En mode hémofiltration avec perfusion de liquide de substitution, le clamp 16 est fermé, le clamp 15 est ouvert et les trois pompes 12, 19, 22 tournent, le débit de la pompe 12 étant fixé par l'opérateur à une valeur constante en début de séance de traitement Le fonctionnement du rein artificiel pour ce second mode de traitement ne diffère pas de celui qui vient d'être décrit plus haut, à ceci près que, pour piloter la pompe d'extraction 19, l'unité de commande 25 prend en compte la vidange du réservoir 10, le débit QOUT imposé à la pompe 19 étant alors choisi pour que la différence entre le débit de liquide de substitution et le débit de liquide usé, mesurée par la balance 23, soit égale à la somme du débit QWL de perte de poids souhaité et du débit QHCO 3 de perfusion de solution de bicarbonate, mesuré par la balance 24 Le réglage de la pompe 22 de perfusion de solution de bicarbonate est effectué comme précédemment selon l'asservissement décrit par la formule ( 1). En mode hémodialyse, le clamp 15 est fermé, le clamp 16 est ouvert et les'trois pompes 12,19, 22 tournent L'unité de commande 25 règle en continu le débit QOUT de la pompe d'extraction 19, de façon que la différence entre le débit de liquide de dialyse et le débit de liquide usé, mesurée par la balance 23, soit égale en permanence au débit QHCO 3 de perfusion de solution de bicarbonate, mesuré par la balance 24, la consigne de débit de perte de poids étant nulle. L'unité de commande 25 règle en outre le débit QHCO 3 de perfusion de la solution de bicarbonate, en fonction de la concentration en bicarbonate lHCO 3 IDES souhaitée du sang du patient, de la concentration lHCO 3 JSOL de la solution contenue dans le réservoir 20, et de la perte diffusive dans l'échangeur 1, qui est égale à CI x lHCO 3 IBLD, lHCO 3 lBLD étant la concentration en bicarbonate du sang du patient et Cl, la clairance du rein artificiel pour le bicarbonate, la clairance étant définie, de façon générale, comme le rapport entre la quantité de substance éliminée par unité de temps et la concentration de la substance dans le sang à l'entrée de l'échangeur Pour obtenir que la concentration en bicarbonate du sang atteigne, à l'équilibre, une valeur donnée lHCO 3 IDES, il faut donc asservir le débit QH Co 3 de perfusion de la pompe 22 de solution de bicarbonate selon la formule QHCO 3 = Cl x lHCO 3 I( 2) ce qui suppose une détermination préalable de la clairance du rein artificiel, laquelle dépend du type d'échangeur utilisé (nature de la membrane, surface) ainsi que, en général, des débits du sang et du liquide de dialyse dans l'échangeur. Cependant, pour certaines valeurs de débits de sang et de liquide de dialyse, la clairance du rein pour une substance et un type d'échangeur donnés est sensiblement constante C'est le cas en particulier lorsque, d'une part, la surface de la membrane de l'échangeur est suffisamment grande part rapport au débit du sang, et que, d'autre part, le débit du sang est relativement important par rapport au débit du liquide de dialyse (rapport de l'ordre de trois, et plus) Le sang et le liquide de dialyse ont alors, au sortir de l'échangeur, la même concentration en la substance considérée, et la clairance Cl est égale au débit de sortie du liquide usé, QOUT En d'autres termes, dans ces conditions de fonctionnement particulières, l'asservissement de la pompe 22 de perfusion de solution de bicarbonate est défini par la formule ( 1) Or, ces conditions sont applicables au traitement par dialyse continue des patients en état de choc dont l'épuration doit se faire à un taux modéré pour pouvoir être supportée par des organismes affaiblis. Le rein artificiel selon l'invention présente donc un intérêt particulier pour le traitement des patients ayant perdu l'usage temporaire de leurs reins, puisque, quel que soit le type de traitement auxquels ils sont soumis, ce rein artificiel permet, par la commande d'une seule pompe selon une formule d'asservissement unique, d'agir simplement sur leur équilibre acido-basique. Ce rein peut aussi fonctionner en mode hémodiafiltration, dans lequel la position des clamps et le fonctionnement des pompes sont les mêmes que ceux qui sont adoptés en mode hémodialyse, à ceci près que la pompe 19 est pilotée pour provoquer une ultrafiltration dans le rein conformément à une consigne de débit de perte de poids donnée. Le rein artificiel représenté sur la figure 2 se différencie de celui qui vient d'être décrit en ce que son circuit pour circulation extracorporelle de sang comprend une seconde pompe 26 disposée en aval de l'échangeur 1, pour permettre de faire varier la pression transmembranaire dans l'échangeur 1 et, par suite, le débit d'eau plasmatique ultrafiltrée (cest-à-dire QOUT en hémofiltration) Par ailleurs, les réservoirs 10, 17 de liquide de dialyse/substitution et de liquide usé sont pesés par des balances indépendantes 27, 26 et la canalisation 16 reliant le compartiment 3 de l'échangeur 1 au réservoir de liquide usé 17 est dépourvue de pompe. En outre, une vanne trois voies 29, à laquelle sont raccordées les canalisations 1 1, 13 et 14, permet soit de relier le réservoir 10 de liquide de dialyse/substitution au piège à bulles 8, soit de relier le réservoir 10 au compartiment 3 de l'échangeur 1, soit d'isoler le réservoir 10. 1 1 Le fonctionnement de ce second mode de réalisation de rein artificiel selon l'invention ne diffère pas sensiblement de celui du précédent En mode hémofiltration sans perfusion de liquide de substitution, la pompe 12 ne tourne pas et le débit de la pompe 26 est réglé par l'unité de commande 26 pour que le débit de filtration QOUT, mesuré par la balance 28, soit égal à la somme du débit de consigne de perte de poids QWL et du débit de perfusion de la solution de bicarbonate QHCO 3 mesuré par la balance 24. En mode hémofiltration sans perfusion de liquide de substitution, la pompe 12 ne tourne pas et le débit de la pompe 26 est réglé par l'unité de commande 26 pour que le débit de filtration QOUT, mesuré par la balance 28, soit égal à la somme du débit de consigne de perte de poids QWL et du débit de perfusion de la solution de bicarbonate QHCO 3, mesuré par la balance 24. En mode hémofiltration avec perfusion de liquide de substitution, la pompe 12 tourne à un débit réglé initialement par l'opérateur et le débit de la pompe 26 est asservi par l'unité de commande 25 pour que le débit de filtration QOUT soit égal à la somme du débit de consigne de perte de poids QWL, du débit de perfusion de la solution de bicarbonate QHCO 3 et du débit QIN de perfusion du liquide de substitution, mesuré par la balance 27. En mode dialyse, les pompes 6 et 26 disposées sur le circuit sang, respectivement en amont et en aval de l'échangeur 1, tournent au même débit et la pompe 12, qui sert alors de pompe de circulation de liquide de dialyse, tourne à un débit réglé initialement par l'opérateur. En mode hémodiafiltration, l'unité de commande 25 règle le débit de la pompe 26 comme en mode hémofiltration avec perfusion de liquide de substitution. Sauf en mode hémofiltration, o elle ne tourne pas, le débit de la pompe 12 de circulation de liquide de dialyse/substitution est régulé par l'unité de commande 25 qui compare le débit souhaité mis initialement en mémoire dans cette unité et le débit mesuré au moyen de la balance 27 Quant à la pompe 22 de perfusion de bicarbonate, son débit QHCO 3 est, comme précédemment, asservi au débit de liquide usé QOUT, mesuré par la balance 28, conformément à la formule ( 1) et, le cas échéant, à la formule ( 2). L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits et elle est susceptible de variantes. En particulier, au contraire de ce qui est prévu dans les exemples de rein artificiel décrits plus haut, il est possible de prévoir que, dans les modes o du liquide de dialyse/substitution est mis en circulation par la pompe 12, ce soit le débit de la pompe 19 ( 26) commandant le débit d'ultrafiltration qui soit fixé initialement par l'opérateur et le débit de la pompe 12 qui soit asservi en fonction du bilan des liquides frais et usés, perfusés et ultrafiltrés et du débit de perte de poids souhaité. Par ailleurs, la détermination du débit des liquides nécessaire à l'asservissement de la pompe 19 ( 26) réglant le débit d'ultrafiltration et à l'asservissement de la pompe 22 de perfusion de solution de bicarbonate, pourraient se faire avec d'autres moyens de mesure que des balances, par exemple avec des débitmètres ou des moyens de mesure volumétrique. En outre, les pompes 12, 22 utilisées pour régler le débit des liquides de dialyse/substitution et de solution de bicarbonate pourraient être remplacées par des clamps électromagnétiques, les liquides s'écoulant par gravité. Enfin, comme cela a été mentionné plus haut, les moyens de dosage dont est équipé le rein artificiel selon l'invention peuvent être utilisés pour doser toutes sortes de substances dans le sang d'un patient soumis a une séance de traitement par hémofiltration, hémodialyse ou hémodiafiltration Dans le cas d'un médicament A, par exemple, le réservoir 20 contient alors un soluté stérile de ce médicament, tandis que le réservoir 10 contient un liquide de dialyse dans lequel sont présents les principaux électrolytes du sang, bicarbonate compris Le fonctionnement du rein n'est pas différent de celui qui a été décrit à propos des exemples de réalisation des figures 1 et 2, et, en particulier, l'asservissement de la pompe de perfusion 22 au débit de liquide usé se fait selon la formule ( 1), ou, le cas échéant, selon la formule ( 2). REVEND I CAT I ONS 1) Rein artificiel comprenant un échangeur ( 1) ayant deux compartiments ( 2, 3) séparés par une membrane semi-perméable ( 4), un premier compartiment ( 2) étant relié à un circuit ( 5, 7) pour circulation extracorporelle de sang, un second compartiment ( 3) ayant une sortie pour l'évacuation de liquide usé, une source ( 20) de solution stérile contenant, une substance (A) reliée au circuit pour circulation extracorporelle de sang, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 22, 25) pour régler le débit (QA) de la solution stérile perfusée dans le circuit pour circulation extracorporelle de sang en fonction du débit (QOUT) du liquide usé. 2) Rein artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit (QA) de perfusion de la solution stérile et le débit (QOUT) du liquide usé sont liés par la formule: QA = lAIDES x QOUT lAis OL dans laquelle lAIDES est la concentration souhaitée en substance (A) du sang du patient et lAISOL est la concentration de la substance (A) dans la solution stérile. 3) Rein artificiel selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la substance (A) est du bicarbonate. 4) Rein artificiel selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une source ( 10) de liquide de substitution ne contenant pas de bicarbonate reliée au circuit ( 5, 7) pour circulation extracorporelle de sang. ) Rein artificiel selon une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend une source ( 10) de liquide de dialyse ne contenant pas de bicarbonate reliée à une entrée du second compartiment ( 3) de l'échangeur ( 1). 6) Rein artificiel selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une source ( 10) de liquide de dialyse/substitution ne contenant pas de bicarbonate reliée au circuit ( 5, 7) pour circulation extracorporelle de sang et à une entrée du second compartiment ( 3) de l'échangeur ( 1), et des moyens d'occlusion ( 15, 16; 29) pour ou bien isoler la source ( 10) ou bien permettre l'écoulement du liquide de dialyse/substitution dans le circuit ( 5, 7) pour circulation extracorporelle de sang, ou bien permettre l'écoulement du liquide de dialyse/substitution dans le second compartiment ( 3) de l'échangeur ( 1). 7) Rein artificiel selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 19, 26) pour faire varier le débit d'ultrafiltration dans l'échangeur ( 1). 8) Rein artificiel selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 23, 24, 25; 24, 27, 28, 25) pour faire un bilan du (ou des) liquide(s) introduit(s) dans le circuit ( 5, 7) pour circulation extracorporelle de sang et du liquide usé (ultrafiltrat et/ou liquide de dialyse usé) s'écoulant du second compartiment ( 3) de l'échangeur ( 1). 9) Rein artificiel selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens pour faire le bilan des liquides comprennent une balance ( 23) pour peser un réservoir ( 10) constituant une source de liquide de dialyse/substitution et un réservoir ( 17) pour le recueil du liquide usé, et une balance ( 24) pour peser un réservoir ( 20) constituant une source de solution contenant la substance (A). ) Rein artificiel selon une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 25) pour commander les moyens ( 19, 26) pour faire varier le débit d'ultrafiltration en fonction du bilan des liquides et d'une consigne de débit (QWL) de perte de poids donné.