Brevet FR2830454A1 — publié le 20030411

L'invention porte sur un appareil médical d'assistance respiratoire équipé d'un mélangeur alimenté en oxygène par une ligne d'oxygène équipée d'une vanne proportionnelle pilotée et un procédé de régulation associé. Lorsqu'un patient hospitalisé présente une déficience respiratoire, celui-ci est habituellement placé sous respiration assistée par machine. Dans le cadre de cette assistance respiratoire, on administre aux voies aériennes du patient un gaz contenant une quantité non hypoxique d'oxygène, tel de l'air ou de l'air enrichi en oxygène. Dans certains cas, il est en effet souhaitable d'augmenter la teneur en oxygène du mélange gazeux à une teneur supérieure à celle de l'air de manière à faciliter les échanges gazeux pulmonaires chez ce patient. Pour réaliser le mélange riche en oxygène souhaité, il est usuel d'utiliser un mélangeur de gaz au sein duquel le mélange désiré est réalisé. Le problème qui se pose est de pouvoir obtenir des mélanges contenant de l'oxygène en proportions variables d'un patient à l'autre car la teneur spécifique en oxygène doit être adapté au cas par cas. Actuellement, il existe deux types d'appareils d'assistance respiratoire munis de mélangeurs de gaz. Certains appareils connus ont un principe de fonctionnement entièrement mécanique, comme schématisé sur la figure 1. Dans ces appareils, la concentration d'oxygène désirée est réglée par le biais d'une mollette 1 à orifices calibrés (6a à 6d), et à chaque valeur de Fi02 (teneur en oxygène souhaitée) correspond un orifice calibré donné. Les entrées d'alimentation en air 4 et en oxygène 5 sont des entrées haute pression. Le mélange air/02 à la concentration réglée est réalisé en amont (en 4) du mélangeur 2 et la vanne 3 proportionnelle permet de réguler la ventilation vers le patient (10) en faisant varier le débit du mélange sortant du mélangeur 2. Cette solution est simple, peu coûteuse et assure une Fi02 fiable et précise. De plus, aucun asservissement n'est nécessaire pour assurer le débit d'02 souhaité. Cependant, elle présente les inconvénients de nécessiter deux entrées (4,5) de gaz à haute pression (air/02) et, par ailleurs, de conduire à un débit d'02 constant géré par un orifice calibré (6a à 6d) ne dépendant que de la Fi02. En d'autres termes, cette solution n'est pas idéale car le mélange air/02 est dépendant des pressions amont des orifices, ce qui nécessite d'utiliser un équilibreur de pression performant. Il existe, par ailleurs, un autre type d'appareil dont le principe de fonctionnement repose sur un ensemble d'électrovannes 11 à 14, comme schématisé en figure 2. Dans un tel système, le débit d'oxygène varie en fonction de la Fi02 réglée et de la ventilation choisie. Le débit d'02 est envoyé au moyen d'électrovannes "tout ou rien" (11 à 14) de diamètres différents pendant une durée donnée. Le choix de l'électrovanne et de sa durée d'ouverture dépend du volume de consigne en O2 nécessaire pour chaque cycle ; ce débit dépend donc de la Fi02 réglé et des réglages de ventilation. Une fois le mélange effectué dans la capacité 15, les cycles respiratoires sont gérés par un actionneur situé en aval de la capacité. A chaque cycle, l'actionneur injecte au patient le mélange air/02 contenu dans la capacité 15 de stockage de gaz. L'avantage de ce système est qu'il permet d'insuffler au patient un mélange de 21 à quasiment 100% d'oxygène, c'est-à-dire un mélange variable et adaptable au cas par cas. Cependant, à l'inverse, un tel système est souvent cher et encombrant car nécessitant plusieurs électrovannes pour assurer une Fi02 précise quelle que soit la ventilation choisie. De plus, il nécessite la mise en place d'un tableau ou analogue mettant en relation le débit de consigne d'02 en fonction du diamètre et du temps d'ouverture des électrovannes ; ce débit d'02 dépendant de plusieurs paramètres : à savoir la Fi02 réglée et la ventilation choisie. Ce système est bruyant car les électrovannes doivent fonctionner en permanence selon des cycles. Le but de l'invention est alors de proposer un système amélioré qui permette d'envoyer un débit d'oxygène pur en amont d'une capacité de mélange de gaz afin de ventiler un patient à Fi02 constante et réglable de 21% à environ 100% en oxygène, lequel ne présente pas les inconvénients des appareils et système analogues connus. De plus, l'invention doit permettre de contrôler précisément le débit d'oxygène quels que soient les paramètres d'entrée : réglages de la ventilation et de la Fi02. Le débit d'02 doit pouvoir être régulé en temps réel au cours du cycle respiratoire et la gestion Fi02 des cycles respiratoires doit donc pouvoir être mise en place dès ce niveau du schéma pneumatique, contrairement aux deux autres solutions présentées ci-avant dans lesquelles la gestion des cycles a lieu après la capacité. La solution de l'invention doit être peu encombrante et moins coûteuse que la solution utilisant plusieurs électrovannes "tout ou rien". De plus, la solution de l'invention doit être valable aussi bien en haute pression qu'en basse pression pour la ligne air, c'est-à-dire pour des pressions allant d'environ 2,8 à 6 bars. La solution de l'invention est alors un appareil d'assistance respiratoire comportant : - un compartiment de mélange permettant de réaliser un mélange d'un premier gaz avec de l'oxygène, - une première ligne de gaz comportant une première entrée de gaz et une première sortie de gaz, ladite première ligne de gaz étant apte à véhiculer ledit premier gaz entre ladite première entrée et ladite première sortie, ladite première sortie débouchant dans le compartiment de mélange de manière à alimenter le compartiment de mélange avec ledit premier gaz, - une deuxième ligne de gaz comportant une deuxième entrée de gaz et une deuxième sortie de gaz, ladite deuxième ligne de gaz étant apte à véhiculer l'oxygène entre ladite deuxième entrée et ladite deuxième sortie, ladite deuxième sortie débouchant dans le compartiment de mélange de manière à alimenter ledit compartiment de mélange avec de l'oxygène, caractérisé en ce que la deuxième ligne de gaz comporte : - une vanne à ouverture proportionnelle permettant de contrôler le débit d'oxygène circulant dans ladite deuxième ligne de gaz, et - un capteur de débit d'oxygène permettant de mesurer le débit d'oxygène circulant dans ladite deuxième ligne de gaz. Selon le cas, l'appareil de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - la vanne à ouverture proportionnelle est une électrovanne. - la vanne à ouverture proportionnelle est commandée par des moyens de pilotage reliés à ladite vanne. - le capteur de débit d'oxygène est relié aux moyens de pilotage. - le capteur de débit d'oxygène est agencé sur ou relié à la deuxième ligne de gaz en un site localisé entre la vanne et la deuxième sortie débouchant dans le compartiment de mélange. - il comprend, en outre, une troisième ligne de gaz comportant une troisième entrée de gaz et une troisième sortie de gaz, ladite troisième ligne de gaz étant apte à extraire du compartiment de mélange au moins une partie du mélange gazeux réalisé dans ledit compartiment de mélange grâce à une turbine et à véhiculer ce mélange gazeux entre ladite troisième entrée et ladite troisième sortie, ladite troisième entrée communiquant fluidiquement avec le compartiment de mélange. - la ligne de gaz comporte un capteur de débit de gaz relié aux moyens de pilotage. - les moyens de pilotage comprennent des moyens de comparaison de débits permettant de comparer une valeur de débit d'oxygène de consigne (Qc) à une valeur de débit d'oxygène mesurée (Qm) par le capteur de débit d'oxygène, et des moyens de correction de débit coopérant avec les moyens de comparaison de débits et avec la vanne à ouverture proportionnelle pour permettre d'ajuster ou de régler l'ouverture de passage d'oxygène dans cette vanne de manière à ajuster le débit d'oxygène alimentant le compartiment de mélange, en réponse à une comparaison d'une valeur de débit d'oxygène de consigne (Qc) à une valeur de débit d'oxygène mesurée (Qm). L'invention concerne aussi un procédé de régulation du débit d'oxygène circulant dans une canalisation d'oxygène et alimentant un compartiment de mélange où s'effectue un mélange de l'oxygène avec un premier gaz amené jusqu'au compartiment par une canalisation de gaz, dans lequel : (a) on fait circuler de l'oxygène dans une canalisation d'oxygène sur laquelle est agencée au moins une vanne à ouverture proportionnelle de manière à alimenter le compartiment de mélange avec de l'oxygène, (b) on détermine le débit d'oxygène de consigne (Qc) nécessaire pour obtenir un mélange d'oxygène et dudit premier gaz dans des proportions souhaitées, (c) on mesure le débit d'oxygène (Qm) dans la canalisation d'oxygène, en aval de la vanne à ouverture proportionnelle, (d) on compare le débit d'oxygène de consigne (Qc) et le débit d'oxygène mesuré (Qm), (e) on agit sur la vanne à ouverture proportionnelle en réponse à la comparaison de l'étape (d) de manière à ajuster l'ouverture de passage de gaz dans ladite vanne pour obtenir le mélange d'oxygène et du premier gaz dans les proportions désirées au sein du compartiment de mélange. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - le premier gaz est de l'air et en ce que le mélange air/oxygène réalisé contient de 20% à 99.9% d'oxygène. - le débit d'oxygène de consigne (Qc) est donné par la relation suivante : dans laquelle : - Fi02 est la teneur en oxygène souhaitée alimentant le compartiment de mélange (exprimée en % inférieur à 1), et - Qc total est le débit total du gaz. L'invention va être mieux comprise grâce aux explications données ci- après en références aux figures annexées. Le schéma de principe de fonctionnement d'un appareil selon l'invention est représenté sur la figure 3 ci-jointe. On y voit un appareil d'assistance respiratoire conforme à l'invention avec son compartiment de mélange 20 faisant office de capacité de mélange et d'homogénéisation pour réaliser, dans ce cas, un mélange d'air avec de l'oxygène provenant par exemple d'une canalisation d'oxygène d'un réseau hospitalier ou d'une bouteille de conditionnement d'oxygène. Dans le cadre de l'invention, on utilisera le terme oxygène pour désigner non seulement de l'oxygène pur mais aussi un mélange gazeux riche en oxygène, c'est-à-dire contenant typiquement plus de 70% d'oxygène en volume, de préférence plus de 90% d'oxygène. L'air servant au mélange peut, quant à lui, soit provenir également d'une canalisation d'air purifié d'un réseau hospitalier, soit être directement prélevé à l'atmosphère ; toutefois, dans ce dernier cas, il est recommandé de le soumettre préalablement à un traitement pour le purifier, par exemple une filtration des poussières et des microorganismes qui peuvent s'y trouver. L'air est véhiculé par une première ligne 21 de gaz comportant une première entrée de gaz 21a par laquelle entre l'air dans la ligne 21 et une première sortie de gaz 21 b via laquelle l'air alimente le compartiment 20 de mélange. Par ailleurs, une deuxième ligne 22 de gaz permet de véhiculer l'oxygène de manière à alimenter le compartiment 20 de mélange avec ce gaz. L'oxygène venant du réseau hospitalier est introduit dans cette ligne 22 par une deuxième entrée de gaz 22a et en est extrait par une deuxième sortie de gaz 22b qui débouche dans le compartiment 20 de mélange. Les première et deuxième lignes 21,22 de gaz sont donc en communication fluidique avec le compartiment de mélange 20, encore appelé mélangeur. Selon l'invention, la deuxième ligne 22 de gaz comporte une vanne 23 à ouverture proportionnelle, préférentiellement une électrovanne, permettant de contrôler le débit d'oxygène circulant dans la deuxième ligne 22 de gaz et un capteur de débit 24 d'oxygène permettant de mesurer le débit d'oxygène circulant dans cette deuxième ligne 22. Plus précisément, l'électrovanne proportionnelle 23 adapte sa section de passage en fonction de la tension de commande. La vanne 23 à ouverture proportionnelle est commandée par des moyens de pilotage 25 reliés à ladite vanne 23 par un moyen de connexion adapté 23', par exemple un câble électrique. De manière analogue, le capteur de débit 24 d'oxygène est relié aux moyens de pilotage 25, par un moyen de connexion 24'adapté, par exemple un câble électrique. Préférentiellement, pour assurer une détermination fiable du débit d'oxygène, le capteur de débit 24 d'oxygène est agencé sur ou relié à la deuxième ligne 22 de gaz en un site localisé entre la vanne 23 et la deuxième sortie 22b débouchant dans le compartiment 20 de mélange. En outre, une troisième ligne 28 de gaz comportant une troisième entrée de gaz 28a et une troisième sortie de gaz 28b, une turbine 33 permet d'extraire du compartiment de mélange 20 au moins une partie du mélange gazeux d'air et d'oxygène en proportions désirées réalisé dans celui-ci et à véhiculer ce mélange gazeux entre les troisième entrée 28a et sortie 28b, ladite troisième entrée 28b étant en communication fluidique avec le compartiment 20 de mélange de manière à permettre l'entrée du mélange air/oxygène dans cette ligne 28. La ligne 28 alimente ensuite le générateur de cycle respiratoires par l'intermédiaire de la turbine 33. Par ailleurs, la ligne 28 de gaz comporte elle aussi un capteur de débit mélange 27 relié, par une liaison adaptée 27', aux moyens de pilotage 25. L'ensemble du système de l'invention est contrôlé et commandé par des moyens de pilotage (25) comprenant un calculateur ou un microprocesseur. En fait, selon l'invention, pour permettre d'obtenir le mélange gazeux souhaité (avec de 20% à env. 100% d'oxygène), on contrôle le débit d'oxygène alimentant le compartiment de mélange 20 au moyen de la vanne proportionnelle 23 et du capteur de débit 24. H s'agit donc d'un asservissement en débit de la vanne 23 réalisée en boucle fermée, comme montré en Figure 4. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, l'apport d'air est effectué à basse pression. Le mélange a lieu dans la capacité 20 en amont du générateur des cycles respiratoires situé en aval de la ligne 28. Le débit de consigne est calculé en fonction de la Fi02 réglée et du débit total demandé par le patient en basse pression ligne 28. Ainsi, le mélange air/02 est réalisé dans la capacité 20 en temps réel suivant le débit total demandé par le patient et la Fi02. Les cycles respiratoires sont gérés en aval par un actionneur type turbine qui puise dans la capacité 20 pour insuffler le volume courant ou la pression réglée au patient. Le principe de l'asservissement de la commande de la vanne 23 proportionnelle a été schématisé sur la figure 4. Un débit de consigne Qc d'oxygène est déterminé ou calculé par les moyens de pilotage 25 à partir de la valeur de Fi2 O2 souhaitée et du débit total mesuré sur la ligne 28 de mélange à basse pression, en amont du compartiment 20 de mélange, cette détermination de Qc étant réalisée en utilisant la formule ci-après : Ce débit de consigne Qc est alors comparé (Qc-Qm) au débit d'02 mesuré Qm et le résultat de cette comparaison (en 32) est envoyé vers un correcteur 30 rétroagissant sur la vanne 23 pour moduler ou ajuster l'ouverture de cette vanne 23 dont le débit d'oxygène envoyé vers le compartiment 20. Le système s'autorégule grâce à une boule 31 de mesure de débit mesurant, en permanence ou régulièrement le débit Qm et envoyant le résultat de cette mesure vers le comparateur 32 de débits. REVENDICATIONS 1. Appareil d'assistance respiratoire comportant : - un compartiment de mélange (20) permettant de réaliser un mélange d'un premier gaz avec de l'oxygène, - une première ligne (21) de gaz comportant une première entrée de gaz (21a) et une première sortie de gaz (21b), ladite première ligne (21) de gaz étant apte à véhiculer ledit premier gaz entre ladite première entrée (21a) et ladite première sortie (21b), ladite première sortie (21b) débouchant dans le compartiment (20) de mélange de manière à alimenter le compartiment (20) de mélange avec ledit premier gaz, - une deuxième ligne (22) de gaz comportant une deuxième entrée de gaz (22a) et une deuxième sortie de gaz (22b), ladite deuxième ligne (22) de gaz étant apte à véhiculer l'oxygène entre ladite deuxième entrée (22a) et ladite deuxième sortie (22b), ladite deuxième sortie (22b) débouchant dans le compartiment (20) de mélange de manière à alimenter ledit compartiment (20) de mélange avec de l'oxygène, caractérisé en ce que la deuxième ligne (22) de gaz comporte : - une vanne (23) à ouverture proportionnelle permettant de contrôler le débit d'oxygène circulant dans ladite deuxième ligne (22) de gaz, et - un capteur de débit (24) d'oxygène permettant de mesurer le débit d'oxygène circulant dans ladite deuxième ligne (22) de gaz. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne (23) à ouverture proportionnelle est une électrovanne. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la vanne (23) à ouverture proportionnelle est commandée par des moyens de pilotage (25) reliés (23') à ladite vanne (23). 4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur de débit (24) d'oxygène est relié (24') aux moyens de pilotage (25). 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur de débit (24) d'oxygène est agencé sur ou relié à la deuxième ligne (22) de gaz en un site localisé entre la vanne (23) et la deuxième sortie (22b) débouchant dans le compartiment (20) de mélange. 6. Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une troisième ligne (28) de gaz comportant une troisième entrée de gaz (28a) et une troisième sortie de gaz (28b), ladite troisième ligne (28) de gaz étant apte à extraire du compartiment de mélange (20) au moins une partie du mélange gazeux réalisé dans ledit compartiment de mélange (20) et à véhiculer ce mélange gazeux entre ladite troisième entrée (28a) et ladite troisième sortie (28b), ladite troisième entrée (28b) communiquant fluidiquement avec le compartiment (20) de mélange. 7. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la ligne (28) de gaz comporte un capteur de débit (27) de gaz relié (27') aux moyens de pilotage (25). 8. Appareil selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de pilotage (25) comprennent : - des moyens de comparaison de débits (32) permettant de comparer une valeur de débit d'oxygène de consigne (Qc) à une valeur de débit d'oxygène mesurée (Qm) par le capteur de débit (24) d'oxygène, - des moyens de correction de débit (30) coopérant avec les moyens de comparaison de débits (32) et avec la vanne (23) à ouverture proportionnelle pour permettre d'ajuster ou de régler l'ouverture de passage d'oxygène dans cette vanne (23) de manière à ajuster le débit d'oxygène alimentant le compartiment (20) de mélange, en réponse à une comparaison d'une valeur de débit d'oxygène de consigne (Qc) à une valeur de débit d'oxygène mesurée (Qm). 9. Procédé de régulation du débit d'oxygène circulant dans une canalisation d'oxygène (22) et alimentant un compartiment de mélange (20) où s'effectue un mélange de l'oxygène avec un premier gaz amené jusqu'au compartiment (20) par une canalisation de gaz (21), dans lequel : (a) on fait circuler de l'oxygène dans une canalisation d'oxygène (22) sur laquelle est agencée au moins une vanne à ouverture proportionnelle (23) de manière à alimenter le compartiment de mélange (20) avec de l'oxygène, (b) on détermine le débit d'oxygène de consigne (Qc) nécessaire pour obtenir un mélange d'oxygène et dudit premier gaz dans des proportions souhaitées, (c) on mesure le débit d'oxygène (Qm) dans la canalisation d'oxygène (22), en aval de la vanne à ouverture proportionnelle (23), (d) on compare le débit d'oxygène de consigne (Qc) et le débit d'oxygène mesuré (Qm), (e) on agit sur la vanne à ouverture proportionnelle (23) en réponse à la comparaison de l'étape (d) de manière à ajuster l'ouverture de passage de gaz dans ladite vanne (23) pour obtenir le mélange d'oxygène et du premier gaz dans les proportions désirées au sein du compartiment (20) de mélange. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier gaz est de l'air et en ce que le mélange air/oxygène réalisé contient de 20% à 99.9% d'oxygène.