Brevet FR2800288A1 — publié le 20010504

L'invention concerne un procédé et dispositif pour simuler la respiration humaine. Il est connu de simuler les phases d'inspiration et d'expiration de la respiration par des machines comportant un faux poumon dont le fonctionnement est déterminé par le déplacement d'un organe actionné par un moteur électrique, par exemple un piston ou un soufflet, qui, suivant un profil de débit tel un mouvement sinusoïdal, inspire puis expire un mélange gazeux contenant de l'oxygène, par exemple de l'air extérieur ou un gaz provenant d'un système respiratoire à évaluer. Un premier but de l'invention est de fournir un procédé et un dispositif avantageux pour actionner cet organe. Selon l'invention, on commande le déplacement de l'organe mobile par un moteur électrique pas à pas et on commande la fréquence et la durée des pas du moteur par des sons émanant d'une sortie audio d'un ordinateur et dont la fréquence et la durée sont programmées. Un dispositif conforme à l'invention pour mettre en oeuvre ce procédé comprend - des moyens pour créer un mélange gazeux contenant de l'oxygène, - un organe mobile dont le déplacement fait varier le volume d'un faux poumon et fait circuler ce mélange en imitant les phases du mouvement respiratoire, - un moteur électrique pas à pas pour imposer un mouvement programmé à cet organe, - un ordinateur présentant une sortie audio reliée au circuit de commande dudit moteur pour envoyer au moteur des impulsions de commande de fréquence et de durée programmées. Pour que cette simulation soit conforme à la physiologie humaine, les gaz expirés doivent s'être appauvris en oxygène et enrichis en dioxyde de carbone et s'être saturés en humidité sous une température voisine de 37 C. Le rapport du débit d'oxygène consommé et de celui de gaz carbonique produit doit rester proche de 1, tandis que le débit d'oxygène varie, suivant le métabolisme simulé, entre 0,6 et 5 litres/minute. Pour l'enrichissement en C02 il est connu d'injecter directement dans la machine de simulation un débit calibré de ce gaz afin qu'il se mélange aux gaz inspirés. L'appauvrissement en 02 pose par contre un problème plus délicat. Diverses méthodes ont été imaginées pour obtenir ce résultat telle que brûler un hydrocarbure pour consommer l'oxygène et produire du C02. Mais pour qu'une telle combustion soit acceptable, il faut que le C02 produit corresponde exactement à celui rejeté par notre métabolisme. Or si des hydrocarbures tels C6 H12 ou C3 H6 s'en approchent, le rapport 02/C02 obtenu, égal à 1, ne correspond pas toujours à celui, légèrement inférieur, de la respiration. Un apport complémentaire de C02 sera alors nécessaire. De plus, si la combustion n'est pas complète, du CO sera produit en place du C02. Un autre but de la présente invention est d'éviter ces difficultés. On y parvient selon l'invention, par un procédé dans lequel, pour créer une diminution d'oxygène et pour créer du gaz carbonique dans un flux gazeux contenant de l'oxygène de façon à simuler la consommation d'une partie de l'oxygène et sa transformation en gaz carbonique qui résulteraient de l'action de la respiration humaine sur le flux gazeux, on crée la diminution d'oxygène uniquement par la combustion catalytique d'une partie de l'oxygène en vapeur d'eau après apport au flux d'un débit contrôlé d'hydrogène et on crée la génération de gaz carbonique uniquement par apport au flux d'un débit contrôlé de gaz carbonique. Dans des modes de réalisation avantageux, le procédé de l'invention présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - on utilise l'ordinateur précité pour commander des injections de gaz carbonique dans le mélange gazeux durant les phases d'inspiration, - on utilise le même ordinateur pour commander des injections d'hydrogène dans le mélange gazeux durant les phases d'expiration et on effectue la combustion de cet hydrogène dans le mélange pour consommer une partie de l'oxygène du mélange, - on injecte des débits constants d'hydrogène et de gaz carbonique et on règle les durées de ces injections à partir d'une fraction du nombre de sons émis durant chaque phase respiratoire concernée, - on utilise le même ordinateur pour effectuer simultanément des mesures sur le mélange gazeux, - on crée le flux gazeux au moyen d'un soufflet ou d'un piston agissant dans une chambre munie d'une entrée d'aspiration et d'une sortie de refoulement. On décrira ci-après un exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, en référence à la figure unique du dessin joint qui représente schématiquement ce dispositif. On a supposé dans cet exemple que ce dispositif est destiné à permettre l'évaluation d'un appareil respiratoire. La figure montre donc - une chambre (1) ou faux poumon contenant un soufflet (2) et munie d'une entrée d'aspiration (3) et d'une sortie de refoulement (4), - un moteur pas à pas (5) pour actionner le soufflet (2), - un conduit d'alimentation (6) relié à l'entrée de la chambre, - un conduit d'évacuation (7) relié à la sortie de la chambre, - un pot catalytique (8) dont l'entrée (8a) est relié au conduit d'évacuation (7) et dont la sortie (8b) est reliée à un appareil respiratoire (9) à évaluer, également relié au conduit d'alimentation (6). Par exemple, cet appareil comporte une entrée/sortie commandé par un clapet de façon en soi connu en sorte que ce soit la demande inspiratoire simulée par le fonctionnement du soufflet qui commande l'entrée et la sortie des gaz dans cet appareil. - des moyens schématisés par un réservoir d'hydrogène (10) et un conduit (11) pour introduire un débit d'hydrogène dans le conduit d'évacuation (7). - des moyens schématisés par un réservoir de gaz carbonique (12) et une canalisation (13) pour introduire un débit de gaz carbonique dans le conduit d'alimentation (6) . - un ordinateur (14) ayant une sortie audio (14a) par une ligne (15) reliée au circuit de commande de moteur pas à pas (5), ayant des sorties d'ordre (16 ; 17) reliées à des vannes (ou similaires) qui déterminent les débits respectives de l'hydrogène et du gaz carbonique, et ayant une entrée de réception (18) pour recevoir et afficher sur l'écran de l'ordinateur les indications d'un appareil de mesure qui détecte les caractéristiques de fonctionnement de l'appareil à évaluer (9). Le choix de commande du moteur permet à l'ordinateur de ne pas suspendre l'exécution du programme durant les sons émis, car ces sons bénéficient de la propriété des musiques de fond qui utilisent le canal 2 de l'horloge de l'ordinateur. Des mesures et commandes peuvent alors s'effectuer en temps réel durant l'émission de ces sons. C'est ainsi, par exemple, que le programme informatique, pour réaliser un mouvement respiratoire sinusoïdal cyclique, peut décomposer ce mouvement en un nombre de tranches de durée identiques mais de débits variables suivant une loi sinusoïdale. Pour que le moteur d'entraînement du soufflet de la machine effectue ce mouvement, l'ordinateur doit émettre par la sortie audio une succession de notes de même durée mais de fréquence évolutive suivant la loi sinusoïdale car la vitesse du moteur est directement liée à la fréquence du son qui le pilote. Durant l'émission de chaque note, le programme pourra exécuter des ordres tels que ceux d'injection et sens de rotation du moteur, effectuer des mesures, calculer la fréquence de la note à suivre et afficher les résultats à l'écran. En service, le dispositif élimine l'oxygène par la combustion catalytique d'un débit d'hydrogène, tandis que l'apport de C02, suivant le rapport 02/C02 souhaité, est assuré totalement par l'injection directe de ce gaz dans le circuit respiratoire. Le pot catalytique brûle, sans flamme, une quantité calibrée d'hydrogène alors injectée durant cette phase expirée et en amont dudit pot catalytique, tandis que du C02 est injecté en proportion dans le conduit inspiratoire afin qu'il se mélange d'une manière homogène dans la machine. Le résidu de la combustion est alors uniquement de la vapeur d'eau qui participe à l'humidification des gaz expirés. La chaleur dégagée par la réaction assure le maintient à 37 C des gaz expirés. L'invention n'est pas limitée à cet exemple de réalisation. EXEMPLE Supposons que l'on veuille produire un mouvement respiratoire sinusoïdal de fréquence 20c/minute et de débit en pic de 2001/min. Soit Fm la fréquence des pas moteur nécessaire pour obtenir ce débit maximal. Les n sons qui piloteront le moteur devront alors avoir une fréquence F et une durée dt telles que F = Fm.sin (360 x no/n) no étant le N d'ordre du son émis Dt = 60/20/n si n=60 dt=1/20s soit 50 ms Et F = Fm.sin (6no) A partir de ces conditions initiales, le logiciel va effectuer la routine répétitive suivante 1) Pour no évoluant de 0 à 360, par pas de 60 , 2) Définir un son de fréquence F=Fm sin (6no) et de durée 50ms (ordre en langage basic tel que sound (F,dt) ), 3) Ordonner le sens de rotation moteur suivant le signe algébrique de F et émettre le son par le port audio, 4) Durant un temps inférieur à 50ms, effectuer les mesures, analyses, ordres et représentation des résultats nécessaires, 5) Incrémenter no et commander la boucle. Dans la mesure où le poste 4 s'effectue en moins de 50 ms, le son suivant ne sera émis qu'au terme de celui en cours. Cette particularité, obtenue en rendant nul le tampon de mémoire son, sera exploitée pour temporiser, sans perturber le déroulement du programme, les temps d'injection des gaz C02 et H2 alors définis en nombre de sons émis durant les périodes au cours desquelles ils devront être injectés avec des débits calibrés et constants. Les avantages qu'offre l'invention sont manifestes, sachant qu'un seul ordinateur ne peut pas simultanément émettre, par son port RS 232, un signal de fréquence variable, effectuer plusieurs mesures, contrôler des durées, émettre des ordres et effectuer des analyses et représentations graphiques, tout cela en continu et en temps réel. Une qualité recherchée pour un simulateur est de pouvoir effectuer des mouvements respiratoires copiés sur la vraie respiration humaine et si possible, en temps réel : par exemple, la machine connectée à un appareil à évaluer se situe dans un environnement agressif tel une chambre hypobare, hyperbare ou simplement polluée. Le manipulateur à l'extérieur de la chambre et devant l'écran de l'ordinateur souhaite que la machine copie sa propre respiration tout en renvoyant en temps réel les résultats des diverses mesures et analyses. La présente invention le permet en substituant à la fréquence F, calculée au poste 2 de l'exemple précédent, une fréquence directement fournie par un anémomètre à hélice placé au débouché d'un masque porté par le manipulateur. La mesure de cette fréquence est alors lue par l'ordinateur durant la phase 4. Il s'ensuit un décalage de seulement 50 ms entre la respiration du manipulateur et celle reproduite par la machine. L'invention n'est pas limitée à cet exemple de réalisation. REVENDICATIONS 1. Procédé pour simuler les phases d'inspiration et d'expiration de la respiration humaine dans lequel on fait passer un mélange gazeux contenant de l'oxygène dans un faux poumon dont le fonctionnement est déterminé par le déplacement d'un organe actionné par un moteur électrique, caractérisé en ce qu'on utilise un moteur pas à pas et en ce qu'on commande la fréquence et la durée des pas du moteur par des sons émanant d'une sortie audio d'un ordinateur et dont la fréquence et la durée sont programmées. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on utilise le même ordinateur pour commander des injections de gaz carbonique dans le mélange gazeux durant les phases d'inspiration. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on utilise le même ordinateur pour commander des injections d'hydrogène dans le mélange gazeux durant les phases d'expiration et dans lequel on effectue la combustion de cet hydrogène dans le mélange pour consommer une partie de l'oxygène du mélange. 4. Procédé selon les revendications 3 et 4 dans lequel on injecte des débits constants d'hydrogène et de gaz carbonique et on règle les durées de ces injections à partir d'une fraction du nombre de sons émis durant chaque phase respiratoire concernée 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel on utilise le même ordinateur pour effectuer simultanément des mesures sur le mélange- gazeux. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 5, qui comprend - des moyens pour créer un mélange gazeux contenant de l'oxygène et le faire passer dans un faux poumon (1), - un organe mobile (2) dont le mouvement est apte à faire fonctionner le faux poumon en imitant les phases du mouvement respiratoire, - un moteur électrique pas à pas (5) pour imposer un mouvement programmé à cet organe, - un ordinateur (14) présentant une sortie audio (14a) reliée au circuit de commande dudit moteur pour envoyer au moteur des impulsions de commande de fréquence et de durée programmées. 7. Dispositif selon la revendication 6 et qui comporte des moyens (12, 13, 17) pour injecter périodiquement des débits constants de gaz carbonique dans le mélange gazeux pendant des durées contrôlées par ledit ordinateur. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7 et qui comporte des moyens (10, 11, 16) pour injecter périodiquement des débits constants d'hydrogène dans le mélange gazeux pendant des durées contrôlées par ledit ordinateur et des moyens (8) pour réaliser la combinaison de l'hydrogène et d'une partie de l'oxygène du mélange par combustion catalytique.