Brevet FR2690985A1 — publié le 19931112

DISPOSITIF D'ECHANGE DE TEMPERATURE L'invention concerne un dispositif d'échange de température pour ajuster la température d'un liquide et, en particulier, pour refroidir le sang afin de provoquer la paralysie du coeur (cardioplégie) durant les opérations de chirurgie coronaire. L'invention va être décrite dans son application au refroidissement du sang pour provoquer la cardioplégie durant les opérations de chirurgie coronaire. Cependant on comprendra que cet exemple particulier est donné à titre d'illustration et ne saurait limiter la portée de l'invention. Lors des opérations de chirurgie cardiaque vasculaire et des opérations de chirurgie cardiaque valvulaire, il est nécessaire d'arrêter l'activité du coeur. Ce résultat est généralement obtenu en infusant au patient un mélange de son propre sang avec une solution hypothermique de potassium afin de provoquer la cardioplégie (paralysie cardiaque). Le mélange hypothermique peut être infusé dans le sens direct, directement dans les ostia coronaires ou, dans le sens rétrograde, dans l'oreillette droite ou le sinus coronaire, selon les besoins chirurgicaux. Le liquide hypothermique est généralement refroidi dans un dispositif d'échange de température qui peut comprendre un dispositif spécifique de réchauffage ou de refroidissement, ou un bain d'eau glacée. II existe deux types de dispositif d'échange de température pour cardioplégie généralement disponibles sur le marché. Le premier type comprend un bain d'eau refroidi ou réchauffé dans lequel un élément d'échange de température est plongé. Dans le second type, un dispositif de réchauffage ou refroidissement fait circuler un liquide dont la température est régulée, tel que de l'eau, autour d'un élément d'échange de température dans lequel passe le sang. Les dispositifs disponibles actuellement présentent des inconvénients. Par exemple, le manque d'efficacité thermique de certains d'entre eux peut avoir pour conséquence une température trop élevée du myocarde causant une ischémie durant la période d'administration du liquide de cardioplégie, laquelle peut provoquer un endommagement du tissu cardiaque. Un autre inconvénient des dispositifs connus est qu'ils ne permettent pas toujours une régulation précise de la température, en particulier dans les dispositifs comprenant des zones de stagnation pour le liquide de refroidissement, c'est-à-dire les dispositifs où l'échange de température n'est pas uniforme. Un autre problème lié aux dispositifs connus est qu'ils ne sont généralement pas compacts, et qu'ils sont souvent difficiles à mettre en oeuvre et à utiliser. En outre, certains dispositifs ont un circuit pour le sang dont il est difficile d'éliminer les bulles d air et où il est difficile de maintenir un écoulement non turbulent. Cela peut se révéler très dangereux car les bulles d'air introduites dans le système circulatoire du patient peuvent causer des accidents graves. Par ailleurs, un écoulement turbulent du sang dans le dispositif de refroidissement peut endommager les cellules sanguines. Un but de l'invention est de réaliser un dispositif d'échange de température qui garantisse un excellent refroidissement. Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif d'échange de température pour le sang qui permette une régulation précise de la température et élimine substantiellement la possibilité d'une stagnation du liquide de refroidissement dans le dispositif. Un autre but de Invention est de réaliser un dispositif d'échange de température qui soit compact, qui soit commercialement viable, et dont le circuit pour le liquide à refroidir soit configuré de façon que les bulles d'air puissent en être éliminées et que le liquide y circulant ne soit pas soumis à un écoulement turbulent. D'autres buts et avantages de l'invention vont être exposés dans la description qui suit ou seront aisément déduits de cette description, ou encore pourront être compris par la pratique de l'invention. Les buts de l'invention sont atteints grâce à un dispositif d'échange de température comprenant un conteneur ayant une première chambre et une seconde chambre séparées par une cloison et un orifice d'entrée et un orifice de sortie pour un premier fluide ouvrant respectivement dans l'une et l'autre des deux chambres. Un tube formant des circonvolutions est disposé dans la seconde chambre pour faire circuler un second fluide au contact du premier fluide. Des moyens de canalisation de fluide sont prévus entre la première et la seconde chambre pour permettre un écoulement du premier fluide entre la première chambre et la seconde chambre, ces moyens de canalisation de fluide comprenant des moyens pour répartir uniformément le fluide de refroidissement sur le tube. II doit être compris que la description générale qui précède ainsi que la description détaillée qui suit sont données à titre d'exemple pour expliquer l'invention mais n'en limite pas la portée. On se reportera aux dessins annexés sur lesquels: - la Figure 1 est une vue en perspective explosée d'un dispositif d'échange de température selon l'invention. - la Figure 2 est une vue en coupe transversale du dispositif d'échange de température représenté sur la Figure 1. - la Figure 3 est une vue de dessus du serpentin d'échange de température représenté sur la Figure 1; et - la Figure 4 est une vue de dessus du conteneur représenté sur la Figure 1. Le mode de réalisation de l'invention représenté sur les dessins va maintenant être décrit en détail. Les mêmes chiffres de référence sont utilisés sur les différentes figures pour indiquer les mêmes éléments ou des éléments similaires. Le dispositif d'échange de température 10 comprend un conteneur ayant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure. Ce conteneur est constitué d'un récipient 12 et d'un couvercle 14 qui est scellé à l'extrémité supérieure du conteneur. Le bord supérieur du récipient 12 comprend une rainure 16 qui est remplie d'un adhésif tel qu'une colle dont la prise est provoquée par une exposition aux rayons ultraviolets. Le couvercle 14 comprend un bord inférieur 18 qui est prévu pour s'engager dans la nervure 16 du récipient 12. Lorsque le couvercle 14 est disposé sur le récipient 12 et que la colle dans la rainure 16 est prise, la colle, la nervure 16 et le bord 18 forment un joint étanche entre le couvercle 14 et le récipient 12. De préférence, le couvercle 14 et le récipient 12 sont faits d'un matériau transparent tel que du polycarbonate. En outre, le récipient 12 peut être fabriqué d'une pièce avec un piège à bulles 20, et le couvercle 14 peut être formé d'une pièce avec un couvercle 22 pour le piège à bulles 20. La rainure 16 s'étend alors le long du bord supérieur du piège à bulles 20 et coopère avec le bord inférieur du couvercle 22, comme cela a été décrit plus haut à propos du récipient 12 et du couvercle 14. Le récipient 12 peut aussi comporter une douille 24 destinée à recevoir une cheville de support sur laquelle le conteneur peut être monté pour maintenir le conteneur à niveau durant l'utilisation. La douille 24 est une cavité qui s'étend à partir du fond du récipient 12, au niveau duquel elle débouche. Conformément à l'invention, le conteneur comprend une première et une deuxième chambres 28, 30 qui sont séparées par une cloison 32. Dans le mode de réalisation représenté, la première chambre 28 est disposée autour de l'axe central du récipient 12 et la deuxième chambre 30 est disposée à la périphérie du récipient 12. La cloison 32 s'étend à partir du fond 26 du récipient 12. De préférence, la cloison 32 est tubulaire et elle est formée d'une pièce avec le récipient I 12. De préférence aussi, la cloison tubulaire 32 a une section droite sensiblement circulaire. Conformément à l'invention, un tube formant des circonvolutions est disposé dans la deuxième chambre, ce tube servant à canaliser le liquide à refroidir. Dans le mode de réalisation représenté, le tube comprend un tube d'acier inoxydable 34 ayant une surface intérieure lisse, conformé pour entourer la cloison 32 de plusieurs circonvolutions. De préférence, le tube d'acier inoxydable 34 forme un serpentin à double hélice, comme cela est représenté sur la Figure 3. Cette configuration permet de loger une longueur relativement importante de tube dans un conteneur relativement compact. Par exemple, on a constaté que l'invention fonctionne bien avec un tube ayant un diamètre de environ 0,63 cm (1/4 de pouce) et une longueur de environ 203 cm (80 pouces), enroulé dans un conteneur ayant un diamètre de environ 8,9 cm (3 pouces 1/2) et une hauteur de environ 5,7 cm (2 pouces 1/4). Dans cet exemple, le tube a un volume de environ 66 cc, tandis que le volume du conteneur est de environ 300 cc. Le tube 34 comprend une extrémité d'entrée 36 et une extrémité de sortie 38. L'extrémité d'entrée 36 passe entre deux flasques semi-cylindriques 40 et 42 qui s'étendent respectivement à partir du récipient 12 et du couvercle 14. Réunis, les flasques 40 et 42 forment un manchon cylindrique autour d'une portion du tube 34. Ils comportent chacun une rainure intérieure semi-circulaire 44, 46 respectivement, qui coopèrent pour délimiter un espace annulaire autour du tube 34. Lorsque le couvercle 14 et le récipient 12 sont assemblés par collage, l'espace annulaire formé entre les flasques 40 et 42 est rempli de colle, de sorte que le tube 34 est assujetti aux flasques 40 et 42 de manière étanche. De façon similaire, I'extrémité de sortie 38 du tube 34 s'étend entre une région du bord du récipient 12 et du couvercle 14 qui jouxte le piège à bulles 20. L'orifice de l'extrémité de sortie 38 communique avec l'intérieur du piège à bulles 20. Deux rainures semi-circulaires 48 et 50 sont disposées à proximité l'une de l'autre autour de l'extrémité de sortie du serpentin 34, I'une sur le récipient 12 et l'autre sur le piège à bulles 20. Le récipient 12 et le piège à bulles 20 sont disjoints entre les rainures semi-circulaires 48 et 50, à l'exception d'une entretoise 51. Les rainures semi-circulaires 48 et 50 sont donc séparées par un vide 49. Les rainures 48 et 50 ont une structure similaire à celle de la rainure 46 et chacune coopère avec une rainure correspondante ménagée dans les couvercles 14 et 22 pour délimiter deux espaces annulaires, qui une fois remplis de colle, constituent deux joints annulaires. Cette paire de joints prévient les fuites au niveau de l'extrémité de sortie 38 du serpentin 34 et entre le dispositif d'échange de température 10 et le piège à bulles 20. La séparation des deux joints par le vide 49 est prévue pour éliminer tout risque de contamination, dans le piège à bulles 20, du liquide à refroidir par le liquide de refroidissement provenant du récipient 12. Pour le cas improbable où il se produirait une fuite au niveau du joint correspondant à la rainure 48, le liquide de refroidissement s'écoulerait par le vide 49 et ne pénétrerait donc pas dans le piège à bulles 20. Dans l'usage auquel il est préférentiellement destiné, le dispositif d'échange de température selon l'invention sert à refroidir un mélange hypothermique de sang et d'anticoagulant. Le liquide hypothermique est introduit dans le serpentin 34 par l'extrémité d'entrée 36 située à proximité de la partie haute du dispositif d'échange de température 10. Le liquide hypothermique circule dans une première hélice 52 du serpentin, à partir du niveau du couvercle 14 jusqu'au fond 26 du récipient 12. Ensuite, il circule dans une seconde hélice 54 du serpentin située à l'intérieur de la première hélice 52, à partir du fond du récipient 12 jusqu'au niveau du couvercle 14. Il s'écoule enfin de l'extrémité de sortie 38 du serpentin 34 dans la partie supérieure du piège à bulles 34. Le piège à bulles 20 fonctionne de façon classique pour éliminer les bulles d'air du liquide refroidi. De façon plus détaillée, lorsque le liquide s'écoule dans le piège à bulles 20, les bulles d'air remontent à la surface du liquide et s'échappent par un évent 56 situé au point haut du couvercle 22 du piège à bulles 20. Un orifice de sortie 58 est situé au fond du piège à bulles 20. Un filtre cylindrique 60 comprenant un tamis ayant des pores de environ 120 microns s'étend à l'intérieur du piège à bulles 20 à partir de l'orifice de sortie 58. Le filtre 60 fonctionne d'une façon classique pour retenir toute particule qui aurait pu être introduite dans le liquide à refroidir. Pour finir, on notera que la circulation du liquide dans le serpentin à double hélice 34 du haut vers le bas et puis du bas vers le haut en combinaison avec la surface lisse des parois intérieures du serpentin permet d'éliminer l'air du serpentin lors du remplissage initial et d'empêcher l'accumulation d'éventuelles bulles ou microbulles d'air provenant du liquide à refroidir. La circulation du liquide à l'intérieur du serpentin empêche la formation de remous ainsi que tout éclaboussement générateur de bulles d'air qui pourraient être infusées au patient. En outre, par contraste avec d'autres systèmes d'écoulement, un système comprenant des circonvolutions facilite la séparation de bulles d'air contenues dans le sang. Bien que le matériau utilisé de façon préférentielle pour fabriquer le serpentin 34 soit de l'acier inoxydable, d'autres matériaux peuvent être utilisés tel que du PVC. L'acier inoxydable est préféré parce que la chaleur est transmise plus efficacement au travers du métal qu'au travers du plastique. De la sorte, lorsque le liquide de refroidissement entre en contact du serpentin 34 comme cela sera expliqué plus loin, le liquide hypothermique est plus rapidement refroidi lorsqu'un serpentin de métal est utilisé. Conformément à l'invention, des moyens d'alimentation en fluide de refroidissement sont connectés à la première chambre 28. Dans le mode de réalisation représenté, les moyens d'alimentation en liquide de refroidissement comprennent un embout 62 connecté au fond 26 du récipient 12. L'embout 62 constitue une entrée pour le liquide de refroidissement tel que de l'eau froide. De préférence, L'embout 62 comprend une portion tubulaire, tel qu'un connecteur Hansen, s'étendant à partir du fond 26 du récipient 12 pour être connecté à un tube d'un circuit de refroidissement (non représenté). Conformément à l'invention, il est aussi prévu des moyens de canalisation de liquide s'étendant entre la première et la seconde chambres 28, 30 pour permettre au liquide de refroidissement de s'écouler de la première dans la seconde chambre, ces moyens de canalisation comprenant des moyens pour répartir uniformément le liquide de refroidissement sur le serpentin. Dans le mode de réalisation représenté, les moyens de canalisation comprennent un espace 65 entre le bord supérieur 64 de la cloison 32 et le sommet 66 du couvercle 14. Grâce à l'espace 65, lorsque le liquide de refroidissement a rempli la première chambre 28, il s'écoule par dessus le bord supérieur 64 de la cloison 32 pour pénétrer dans la seconde chambre 30. Le bord supérieur 64 de la cloison 32 forme un anneau d'écoulement permettant une répartition uniforme du liquide de refroidissement sur le serpentin 34. De façon plus détaillée, le dispositif d'échange de chaleur 10 étant maintenu avec l'axe central du récipient 12 vertical, lorsque le liquide de refroidissement déborde de la chambre 28, il s'écoule uniformément au-dessus du bord supérieur 64 de la cloison 32 puis sur le serpentin 34. Comme cela est représenté sur la Figure 2, I'écoulement du liquide de refroidissement se produit selon un schéma de distribution en forme de parapluie. En d'autres termes, le liquide de refroidissement pénètre dans le récipient 12 par le fond de la première chambre 28, monte dans cette première chambre en direction du couvercle 14, puis déborde dans la deuxième chambre 30 et s'écoule vers le bas en direction du fond de la deuxième chambre 30. De préférence, l'enroulement intérieur 54 du serpentin à double hélice 34 est espacé de la cloison 32, de sorte que le liquide de refroidissement peut s'écouler sur la face extérieure comme sur la face intérieure du serpentin. Le serpentin 34 est maintenu dans une position prédéterminée par rapport à la cloison 32 par une série de taquets de positionnement 55, 57, 59 et 61 qui s'étendent à partir du couvercle 14. Les moyens pour répartir uniformément le liquide de refroidissement peuvent aussi comporter la forme bombée le couvercle 14 grâce à laquelle le liquide de refroidissement est dirigé au-dessus du serpentin 34. Lorsque le liquide de refroidissement est introduit dans le récipient 12 par l'embout 62 à un débit important, le liquide de refroidissement est dirigé avec force contre le couvercle 14 ce qui créé une pression à l'intérieur du dispositif d'échange de température 10. La forme bombée du couvercle 14 contribue à répartir rapidement le liquide de refroidissement sur le serpentin 34 selon un schéma de distribution en forme de parapluie comme cela est illustré sur la Figure 2. Conformément à l'invention, la seconde chambre 30 comprend des moyens pour évacuer le liquide de refroidissement. Dans le mode de réalisation représenté, les moyens d'évacuation comprennent un embout de sortie 68 connecté au fond 26 de la seconde chambre 30. L'embout de sortie 68 est similaire à l'embout d'entrée 62 et il est destiné à être connecté à un tube d'un circuit de refroidissement (non représenté). Après que le liquide de refroidissement s'est écoulé sur le serpentin 64, il se rassemble au fond 26 du récipient 12 et il est évacué par l'embout de sortie 68. Le fonctionnement de l'invention va maintenant être décrit. Après que le dispositif d'échange de température représenté sur la Figure 1 a été rincé et initialement rempli, il est connecté à un circuit de circulation extracorporelle de sang. De façon plus détaillée, l'extrémité d'entrée 36 du serpentin 34 est connectée à un tube d'alimentation pour recevoir le sang d'un patient subissant une opération, et l'orifice de sortie 58 du piège à bulles 20 est connecté à un tube de retour permettant de réinfuser le sang au patient. Dans des conditions d'utilisation normales, le débit de sang est compris entre 50 et 500 ml/minute. Le circuit comprend également une entrée pour l'introduction d'un anticoagulant tel que du potassium. De préférence l'entrée pour l'anticoagulant est située en amont du dispositif d'échange de température 10. Si le potassium introduit dans le sang est sous une forme cristallolde, il peut être judicieux aussi de placer un dispositif de mélange dans le circuit pour garantir un mélange uniforme du potassium avec le sang. L'embout d'entrée 62 de liquide de refroidissement est connecté à une source de liquide de refroidissement, et l'embout de sortie 68 de liquide de refroidissement est également connecté au circuit de refroidissement pour permettre l'évacuation du liquide de refroidissement à partir du dispositif d'échange de température 10. Tandis que le mélange hypothermique de sang et de potassium s 'écoule à l'intérieur du serpentin en double hélice 34, le liquide de refroidissement remplissant la première chambre 28 déborde au-dessus du bord supérieur annulaire 64 de la cloison 32 et s'écoule uniformément sur le serpentin 34 selon un schéma de distribution en forme de parapluie. En outre, la colonne de liquide de refroidissement dans la première chambre 28 est poussée contre le couvercle 14. Le couvercle 14, grâce à sa forme bombée, contribue aussi à répartir le liquide de refroidissement selon un schéma de distribution en forme de parapluie sur le serpentin 34. De préférence, le liquide de refroidissement circule dans le dispositif d'échange de température 10 à des débits compris entre 50 et 500 ml/minute. Après que le liquide de refroidissement s'est écoulé sur le serpentin 34 et s'est rassemblé au fond 26 du récipient 12, il est évacué du récipient 12 par l'embout de sortie 68. L'écoulement du liquide de refroidissement sur le serpentin 34 refroidit le liquide hypothermique circulant dans le serpentin 34 de façon qu'il atteigne une température capable de provoquer la cardioplégie du patient subissant une opération. Le liquide hypothermique s'écoule ensuite dans le piège à bulles 20 par l'extrémité de sortie 38 du serpentin 34. Ce mélange de sang et de potassium refroidi est débarrassé de ses bulles d'air dans le piège à bulles 20, et il est retourné au patient par l'orifice de sortie 58 du piège à bulles 20. La structure du dispositif d'échange de température 10 selon l'invention permet un refroidissement uniforme du sang car il ne comporte pas de zones de stagnation pour le liquide de refroidissement. Grâce à l'invention, le liquide de refroidissement entre et sort du dispositif d'échange de température 10 rapidement et y circule d'une façon efficace, de sorte que la température à l'intérieur du dispositif d'échange de température 10 est constante en tout point. Comme le volume total du liquide de refroidissement dans le récipient 12 est remplacé constamment, il est possible de modifier rapidement la température du liquide hypothermique en ajustant la température et le débit du liquide de refroidissement s'écoulant dans le circuit du liquide de refroidissement. Par ailleurs, le bord supérieur annulaire 64 de la cloison 62 garantit que toutes les parties du serpentin 34 sont constamment exposées au liquide de refroidissement qui vient d'entrer dans le dispositif de sorte que le refroidissement est uniforme en tout point du dispositif d'échange de température 10. Les spécialistes du domaine apprécieront que de nombreuses modifications et variantes peuvent être apportées à la présente invention. Par exemple, le serpentin 34 pourrait être placé dans la chambre centrale et le schéma de distribution en forme de parapluie pourrait être inversé, le liquide s'écoulant de la chambre extérieure vers la chambre intérieure. Le liquide de refroidissement pourrait être remplacé par un autre type de fluide, tel qu'un gaz. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échange de température (10) comprenant: - un conteneur (12, 14) ayant une première chambre (28) et une seconde chambre (30) séparées par une cloison (32) et un orifice d'entrée (62) et un orifice de sortie (68) pour un premier fluide, ces orifices (62, 68) ouvrant respectivement dans l'une et l'autre des deux chambres (28, 30); - un tube (34) formant des circonvolutions, disposé dans la seconde chambre (30), pour faire circuler un second fluide au contact du premier fluide; - des moyens de canalisation de fluide (65) s'étendant entre la première et la seconde chambre (28, 30) pour permettre un écoulement du premier fluide de la première chambre (28) dans la seconde chambre (30), caractérisé en ce que les moyens de canalisation de fluide comportent des moyens (64, 14) pour répartir uniformément le fluide de refroidissement sur le tube (34). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour répartir uniformément le fluide de refroidissement comportent un bord supérieur (64) de la cloison (32). 3. Dispositif selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens pour répartir uniformément le fluide de refroidissement comportent une paroi bombée (14) disposée au-dessus des chambres (28, 30). 4. Dispositif selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens (64, 14) pour répartir uniformément le premier fluide sur le tube (34) sont agencés pour créer un schéma de distribution de fluide en forme de parapluie. 5. Dispositif selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un piège à bulles (20) connecté au conteneur (12, 14) et en ce que une extrémité de sortie (38) du tube (34) est connectée au piège à bulles (20). 6. Dispositif selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le conteneur comprend un récipient (12) et un couvercle (14) fermant le récipient (12) à sa partie supérieure de façon étanche. 7. Dispositif selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première chambre (28) est disposée autour d'un axe central du conteneur (12, 14), et en ce que la seconde chambre (30) est disposée autour de la première chambre (28). 8. Dispositif selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la cloison (32) a une forme tubulaire. 9. Dispositif selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le tube est un serpentin (34) à deux hélices concentriques (52, 54). 10. Dispositif selon une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la cloison (32) s'étend à partir du fond du récipient (12) jusqu'à proximité du couvercle (14), un espace (65) subsistant entre le bord supérieur (64) de la cloison (32) et le couvercle (14). 11. Dispositif selon une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le tube (34) formant des circonvolutions comporte une extrémité d'entrée (36) et une extrémité de sortie (38) qui sont situées au niveau de la partie supérieure du conteneur (12, 14). 12. Dispositif selon une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée (62) pour le premier fluide ouvre dans le fond de la première chambre (28) et l'orifice de sortie (68) pour le premier fluide ouvre dans le fond de la seconde chambre (30). 13. Dispositif selon une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le tube (34) est un tube d'acier inoxydable ayant une surface intérieure lisse. 14. Dispositif selon une des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que le piège à bulles (20) est moulé d'une pièce avec au moins une portion du récipient (12). 15. Dispositif selon une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour refroidir un liquide hypothermique destiné à provoquer une paralysie du coeur, le premier fluide étant un fluide de refroidissement et le second fluide étant le liquide hypothermique.