Brevet FR2829942A1 — publié le 20030328

La présente invention se rapporte à un appareil de ventilation artificielle à branche respiratoire unique, en particulier un ventilateur médical de réanimation d'urgence, équipé d'un système pour mesurer, de manière fiable et précise, le débit de gaz inspiratoire et expiratoire. Dans les respirateurs traditionnels hospitaliers possédant deux branches ou conduits respiratoires permettant de véhiculer les flux gazeux, à savoir une branche inspiratoire pour acheminer le débit inspiratoire vers les voies aériennes supérieures du patient et une branche expiratoire pour évacuer le débit expiratoire expiré par le patient, la mesure du débit de gaz se fait dans chacune des branches, le débit de gaz inspiratoire étant mesuré dans la branche inspiratoire et le débit de gaz expiratoire dans la branche expiratoire. Par ailleurs, dans les respirateurs d'urgence, il n'y a qu'une seule branche respiratoire remplissant les deux fonctions, c'est-à-dire que cette branche unique sert non seulement à amener le gaz inspiratoire jusqu'au patient mais aussi à évacuer les gaz expirés par celui-ci, cette évacuation du gaz expiratoire se faisant par l'intermédiaire d'une portion de la partie aval de cette branche respiratoire laquelle permet de convoyer les gaz expirés jusqu'à une valve de décharge de gaz reliée à l'atmosphère et permettant d'y rejeter les gaz expirés riches en CO2. Classiquement, la valve de décharge est aménagée sur la branche respiratoire, à proximité immédiate du patient, pour que les gaz expirés riches en CO2 puissent être évacués facilement et rapidement à l'atmosphère, donc sans devoir transiter sur une longue distance dans la branche respiratoire et ce, durant chaque phase expiratoire du patient. On comprend dès lors la difficulté existante à pouvoir mesurer correctement le débit expiratoire expiré par la patient puisque ce débit expiratoire n'est véhiculé dans la branche respiratoire que sur une très courte distance séparant (n'excédant pas quelques centimètres) et à proximité immédiate du patient. Dit autrement, dans les respirateurs d'urgence à une seule branche respiratoire, le flux expiratoire expiré par le patient n'est pas canalisé vers le respirateur pour y être mesuré et éventuellement analysé, mais il est rejeté directement vers l'atmosphère à travers la valve expiratoire située très près du patient. La valve expiratoire est classiquement aménagée dans le masque respiratoire ou analogue servant d'interface avec le patient ou immédiatement en amont de cette interface de manière à minimiser le trajet de gaz et surtout minimiser le volume mort entre le respirateur (machine et conduite d'alimentation du patient) et le patient pour ne pas piéger trop de gaz expirés riches en CO2 que le patient serait sinon susceptible de ré-inhaler. Actuellement, plusieurs solutions ont été proposées pour tenter de résoudre ce problème. Ainsi, il a déjà été proposé de mesurer le débit inspiratoire et expiratoire d'un ventilateur de réanimation médical d'urgence muni d'une seule branche respiratoire avec un système à fil chaud ou un système à perte de charge, à lamelle déformable ou conduit restrictif. Toutefois, ces solutions présentent des inconvénients. Ainsi, un système à fil chaud est très fragile et supporte difficilement la condensation de vapeur d'eau qui se trouve dans les gaz expirés par le patient. Par ailleurs, les systèmes à perte de charge ou à lamelle déformable créent des pertes de charges nuisibles pour la résistance inspiratoire et expiratoire du patient, sachant que les normes imposent moins de 6 cm H20 pour 60 litres. De plus, une lamelle déformable est sensible à la température et est donc difficilement auto-clavable. En outre, une telle lamelle possède de 11hystérésis. Par ailleurs, les systèmes à conduit restrictif engendrent aussi les pertes de charge qui augmentent la résistance inspiratoire et expiratoire, ce qui n'est pas favorable à une bonne ventilation du patient. De là, l'invention a pour but de trouver un système pour mesurer, de façon fiable et aisée, le débit inspiratoire et expiratoire d'un ventilateur de réanimation médicale d'urgence pouvant être intégré à la valve expiratoire ou localisée dans une position adjacente à cette valve expiratoire, c'est-à- dire pour mesurer les débit inspiratoire et expiratoire au plus près des voies aériennes supérieures du patient. L'invention porte alors sur un appareil de ventilation artificielle de patient comportant une source de gaz respiratoire permettant de délivrer un gaz respiratoire sous pression et débit, et une branche respiratoire unique permettant, durant les phases inspiratoires dudit patient, d'acheminer du gaz respiratoire de ladite source de gaz jusqu'aux voies aériennes supérieures du patient, ladite branche respiratoire comportant une valve expiratoire permettant, durant les phases inspiratoires, d'envoyer le gaz respirable vers le patient et, durant les phases expiratoires, d'évacuer à l'atmosphère les gaz expirés par le patient, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détermination du débit de gaz respiratoire durant les phases inspiratoire et expiratoire, comportant au moins un élément primaire de mesure de pression différentielle ayant deux points de prise de pression, agencés sur le trajet du gaz, permettant de déterminer la pression totale (totale) et la pression statique (Pstatique) du gaz, ces deux pressions étant acheminées à un capteur de pression différentiel, durant lesdites phases inspiratoire et expiratoire, ledit capteur de pression de différentiel étant apte à délivrer au moins un signal électrique représentatif de la différence de pression entre la pression totale (Ptotale) et la pression statique (Pstatlque). - il comporte, en outre, des moyens de pilotage comprenant au moins un calculateur coopérant avec ledit capteur de pression différentiel pour traiter le signal électrique proportionnel à la pression dynamique (Dp) qui est la différence entre Ptotale et Pstatique issue du capteur, pour en déduire ensuite les débits et les volumes inspiratoires et expiratoires - les moyens de pilotage comprenant au moins un calculateur permettent de déduire le débit du gaz, durant les phases inspiratoire et expiratoire, à partir de la variation de pression (Dp) déterminée. - les moyens de pilotage comprenant au moins un calculateur permettent de déduire le débit du gaz, durant les phases inspiratoire et expiratoire, par comparaison de la variation de pression (Dp) avec une table ou courbe de référence mémorisée ou à partir d'une formule de calcul mémorisée donnant le débit du gaz en fonction de la variation de pression (Dp). - la table ou courbe de référence ou la formule de calcul sont mémorisées par des moyens de mémorisation du calculateur des moyens de pilotage. - les points de prise de pression sont agencés sur le trajet du gaz, à proximité de l'extrémité aval de la branche respiratoire située en regard des voies aériennes supérieures du patient. - l'élément primaire symétrique et différentiel est une variante du tube de Pitot. - il est un ventilateur de réanimation d'urgence. L'invention porte aussi sur un procédé pour déterminer le débit d'un flux de gaz au sein d'un appareil de ventilation artificielle de patient comportant une source de gaz respiratoire permettant de délivrer un gaz respiratoire sous pression et débit, et une branche respiratoire unique permettant, durant les phases inspiratoires dudit patient, d'acheminer du gaz respiratoire de ladite source de gaz jusqu'aux voies aériennes supérieures du patient, ladite branche respiratoire comportant une valve expiratoire permettant, durant les phases inspiratoires, d'envoyer le gaz respirable vers le patient et, durant les phases expiratoires, d'évacuer à l'atmosphère les gaz expirés par le patient, dans lequel on procède selon les étapes de : (a) déterminer la pression totale (totale) et la pression statique (Pstatique) du gaz, durant lesdites phases inspiratoires et expiratoires, au moyen d'au moins un élément primaire de mesure de pression symétrique et différentiel ayant deux points de prise de pression, agencés sur le trajet du gaz, (b) acheminer les pression totale (Ptotale) et pression statique (Pstatique) du gaz recueillies à l'étape (a) jusqu'à un capteur de pression, (c) déterminer la différence entre les pression totale (totale) et pression statique (Pstatique) de l'étape (b) au moyen du capteur de pression, ledit capteur de pression délivrant au moins un signal électrique représentatif de la différence de pression (Dp) entre la pression totale (totale) et la pression statique (statique) re mesurées à l'étape (a) (d) fournir le signal électrique, issu du capteur, représentatif de la différence de pression entre la pression totale (Ptotale) et de pression statique (Pstatique) à un calculateur, (e) comparaison de la différence de pression (Dp) déterminée à l'étape (d) avec une table ou courbe de référence ou à partir d'une formule de calcul donnant le débit du gaz en fonction de la variation de pression (Dp), (g) déduire de l'étape (e), au moins une valeur de débit du gaz, durant les phases inspiratoires et expiratoires. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - il comporte, en outre, une étape d'affichage du débit de gaz ou de volume courant. - il comporte, en outre, une étape de mémorisation du débit de gaz. 1 - le gaz est de l'air ou de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée ci-après, faite en références au figures illustratives annexées parmi lesquelles : - les figures 1 et 2 schématisent l'architecture d'un appareil de réanimation d'urgence comportant une seule branche respiratoire, - la figure 3 schématise le principe de fonctionnement d'un élément primaire de mesure symétrique fonctionnant selon le principe du tube de Pitot, -la figure 4 schématise l'intégration de l'élément primaire de mesure symétrique de la figure 3 dans un support adjacent à une valve expiratoire d'un appareil selon la figure 1 ou 2, - les figures 5 et 6 schématisent l'intégration de l'élément primaire de mesure de la figure 3 dans la valve expiratoire représentée en phase inspiratoire (fig. 5) et en phase expiratoire (fig. 6), - la figure 7 est une courbe illustrant les relations entre le débit et la pression dynamique que génèrent les débits inspiratoire et expiratoire. La figure 1 schématise le trajet 5 du flux gazeux dans un appareil de réanimation d'urgence comportant une seule branche respiratoire, pendant une phase inspiratoire chez un patient, alors que la figure 2 schématise le trajet 6 du flux gazeux pendant une phase expiratoire. Le gaz respiratoire est généré et délivré, de manière classique, par le ventilateur 1 d'urgence, tel celui commercialisé par la société TAEMATM sous la marque OSIRISTM, puis acheminé par l'unique branche respiratoire 2 jusqu'aux voies aériennes supérieures 16 du patient de manière à alimenter les poumons 17 de ce dernier avec le gaz respiratoire. Le ventilateur 1 comporte notamment un système électropneumatique permettant de délivrer du gaz et des moyens de pilotage à calculateur permettant de ventiler et de surveiller le patient. Le gaz respiratoire peut être de l'air, de l'oxygène, de l'air enrichi en oxygène ou tout autre gaz contenant une proportion non hypoxique d'oxygène, par exemple un mélange azote/oxygène ou hélium/oxygène. La branche respiratoire 2 comprend, à son extrémité aval 2a, une valve expiratoire 3 servant à amener le gaz frais vers le patient et à évacuer les gaz expirés par le patient vers l'atmosphère. Selon l'invention, un élément primaire de mesure 7 relié à un capteur C de pression différentiel permet de mesurer les débits inspiratoire et expiratoire. Cet élément primaire 7 est aménagé dans la valve expiratoire 3 (fig. 5 et 6) ou dans le support 4 de valve (fig. 4) pour y mesurer le débit du flux inspiratoire 5 (Fig. 1) et du flux expiratoire 6 (Fig. 2). Le capteur de pression C de mesure de pression différentielle et symétrique permet de délivrer un signal pendant les phases inspiratoires et les phases expiratoires, ce signal étant une image de débit fourni peut être ensuite amplifié et traité par une chaîne de traitement de signal coopérant avec un calculateur agencé dans le ventilateur 1. L'élément primaire de mesure 7 est avantageusement un capteur ayant une conception basée sur le principe du tube de Pitot, tel que schématisé en figure 3, comportant une première prise 8 de pression permettant de mesurer la pression totale (totale) en phase inspiratoire et la pression statique (Pstatique) en phase expiratoire, et une deuxième prise 9 de pression permettant, à l'inverse, de mesurer la pression statique en phase inspiratoire et la pression totale en phase expiratoire. La pression totale et la pression statique sont donc déterminées toutes les deux par l'élément primaire de mesure 7 unique et symétrique, pendant les phases inspiratoire et expiratoire, c'est-à-dire lorsque le gaz circule dans le sens de la flèche 5 de la figure 1 ou, à l'inverse, dans le sens de la flèche 6 de la figure 2. Pendant la phase inspiratoire, la prise de la pression totale est supérieure à la prise de la pression statique. Pendant la phase expiratoire, il y a une inversion des fonctions des deux prises 8,9 de manière à permettre la détermination des pressions susmentionnées. Le capteur de pression C étant différentiel et symétrique, il peut délivrer un signal pendant la phase inspiratoire et un signal pendant la phase expiratoire, chaque signal étant traité par un calculateur du ventilateur 1. L'invention repose sur la combinaison de l'élément primaire de mesure 7 unique et symétrique au capteur C de pression différentiel et symétrique de manière à pouvoir mesurer la pression statique et la pression totale, au plus près de la bouche du patient, pendant les phases inspiratoire et expiratoire, de sorte d'en déduire ensuite le débit et le volume du flux grâce à une table de référence donnant le débit du gaz en fonction de la variation de pression (Dp), à savoir la différence entre pression totale mesurée et pression statique (Dp = Ptotale-Pstatique), ou grâce à une formule donnant le débit du gaz en fonction de la variation de pression (Dp).. Le volume du flux inspiratoire est la quantité de gaz inspiré pendant le temps inspiratoire : volume du flux inspiratoire = débit inspiratoire x temps inspiratoire. Le volume du flux expiratoire est une quantité de gaz expiré pendant le temps expiratoire : volume du flux expiratoire = débit expiré x temps expiratoire. La détermination du débit ou du volume du flux par le calculateur se fait soit par application de la formule ci-après, soit par mémorisation dans le calculateur du ventilateur 1 des points d'une courbe débit/pression telle celle donnée en figure 7. Le signal électrique délivré par l'électronique associée au capteur de pression C est directement proportionnel à la différence de pression qui elle même est proportionnelle au débit qui circule dans la valve 3. En effet, de façon générale, un fluide qui circule dans une canalisation a une pression totale qui est la composante d'une pression statique et d'une pression dynamique, la vitesse du fluide est directement liée à la pression dynamique qu'on détermine par la mesure de la pression totale et statique, soit : Pression dynamique = Pression totale-Pression statique (1) Dans le cas présent (basse pression), il n'y a pas de variation de la masse volumique en écoulement laminaire, on peut donc appliquer la formule suivante qui lie la pression dynamique à la vitesse du fluide par la formule : Pression dynamique = 0, 5. m. V2 (2) où : -la Pression dynamique est exprimée en Pascal, - m est la masse volumique en kg/m3 (pour les très basses pressions, on considère que m est constant), - V est la vitesse du fluide en m/s. De là, connaissant la variation de pression (Dp), on peut en déduire facilement le débit de gaz correspondant pendant les phases inspiratoires et expiratoires et ce, sans générer de pertes de charges importantes. La formule (1) ci-avant est valable dans les deux sens de circulation du fluide. Selon l'invention, l'élément primaire de mesure 7 est dit différentiel et symétrique car il relié au capteur de pression différentiel et symétrique C par l'intermédiaire des deux liaisons p et t, ce qui permet une mesure d'une différence de pression entre deux points (différentiel de pression) et les deux ports de prise de pression des capteurs 7, C sont symétriques car il y a deux sens de circulation du fluide selon la phase respiratoire considérée et donc les échelles de mesures sont égales et opposées. Le capteur ayant deux ports, un port est utilisé pour mesurer la pression totale et l'autre port pour la pression statique. Le capteur C permet de déterminer la différence entre ces deux pressions et délivre un signal électrique proportionnel à celle-ci. Le capteur de pression C peut être de plus ou moins 10 hPa, c'est-à- dire que son échelle de mesure est de +10 hPa dans un sens de circulation du fluide mais de-10 hPa dans l'autre sens de circulation du fluide. L'intégration de l'élément primaire de mesure 7 de pression dans la valve expiratoire 3 est schématisée sur les figures 5 et 6, montrant la valve expiratoire 3 durant une phase inspiratoire (fig. 5) et une phase expiratoire (fig. 6). Comme on le voit sur la figure 5, en phase inspiratoire, le gaz véhiculé (sens de flèche 5) par la branche respiratoire 2 jusqu'aux voies aériennes 16 du patient, traverse la valve expiratoire 3 qui est en position fermée, puisque le moyen d'obturation 22 de l'orifice de sortie 21 de gaz, par exemple un clapet ou ballonnet, vient reposer contre son siège de manière étanche, sous l'effet de la commande de valve 20, de sorte d'empêcher tout passage de gaz vers la sortie de gaz 21. Le flux de gaz n'a donc pas d'autre possibilité que d'aller alimenter le patient, en rencontrant sur son passage les prises de mesures 8,9 de l'élément primaire de mesure 7 dont le fonctionnement est basé sur le principe du tube de Pitot, faisant office de prises de pression, qui est relié au capteur de pression C de l'appareil 1. Sur la figure 5, la pression totale est mesurée du côté de la prise 8, alors que la pression statique est déterminée du côté de la prise 9. A l'inverse, en phase expiratoire, comme représenté sur la figure 6, le gaz expiré par le patient (sens de flèche 6) traverse la valve expiratoire 3 qui est en position ouverte, puisque le moyen d'obturation 22 de l'orifice de sortie 21 de gaz ne vient plus reposer contre son siège, ce qui autorise alors le passage du gaz expiré vers la sortie de gaz 21. Le flux de gaz expiré chemine donc depuis le patient vers l'orifice de sortie de gaz 21, en rencontrant sur son passage les prises de mesures 8,9 de l'élément primaire de mesure 7 faisant office de prises de pression reliés au capteur de pression C qui se trouve dans l'appareil 1. Dans ce cas, comme montré sur la figure 6, la pression totale du gaz circulant est mesurée du côté de la prise 9, alors que la pression statique est mesurée du côté de la prise 8. Par ailleurs, sur la figure 4, on a représenté l'élément primaire de mesure 7 placé sur la trajectoire des gaz inspiratoire et expiratoire est supporté par un accessoire qui peut être adjacent à la valve expiratoire. Cet élément primaire de mesure 7 permet de recueillir les deux pressions totale et statique, et de les acheminer au capteur de pression C par les liaisons p et t raccordées aux orifices a, b pour réaliser une mesure de la pression dynamique. En effet, il n'est pas obligatoire d'incorporer l'élément primaire de mesure 7 dans la valve expiratoire 3, il peut aussi être agencé dans d'autres parties du système mais en veillant à ce qu'il soit néanmoins à proximité des voies aériennes 16 du patient. REVENDICATIONS 1. Appareil de ventilation (1) artificielle de patient comportant une source de gaz respiratoire permettant de délivrer un gaz respiratoire sous pression et débit, et une branche respiratoire (2) unique permettant, durant les phases inspiratoires dudit patient, d'acheminer du gaz respiratoire de ladite source de gaz jusqu'aux voies aériennes supérieures (16) du patient, ladite branche respiratoire (2) comportant une valve expiratoire (3) permettant, durant les phases inspiratoires, d'envoyer le gaz respirable vers le patient et, durant les phases expiratoires, d'évacuer à l'atmosphère les gaz expirés par le patient, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détermination du débit de gaz respiratoire durant les phases inspiratoire et expiratoire, comportant au moins un élément primaire de mesure de pression différentielle (7) ayant deux points de prise de pression, agencés sur le trajet du gaz, permettant de déterminer la pression totale (totale) et la pression statique (Pstatique) du gaz, ces deux pressions étant acheminées à un capteur de pression différentiel (C), durant lesdites phases inspiratoire et expiratoire, ledit capteur de pression de différentiel (C) étant apte à délivrer au moins un signal électrique représentatif de la différence de pression entre la pression totale (totale) et la pression statique (Pstatique) 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens de pilotage comprenant au moins un calculateur coopérant avec ledit capteur de pression (C) différentiel pour traiter le signal électrique proportionnel à la pression dynamique (Dp) qui est la différence entre Ptotale et Pstatlque issue du capteur (C), pour en déduire ensuite les débits et les volumes inspiratoires et expiratoires 3. Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les points de prise de pression sont agencés sur le trajet du gaz, à proximité de l'extrémité aval de la branche respiratoire située en regard des voies aériennes supérieures du patient. 4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément primaire (7) symétrique et différentiel est une variante du tube de Pitot. 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est un ventilateur de réanimation d'urgence. 6. Procédé pour déterminer le débit d'un flux de gaz au sein d'un appareil de ventilation (1) artificielle de patient comportant une source de gaz respiratoire permettant de délivrer un gaz respiratoire sous pression et débit, et une branche respiratoire (2) unique permettant, durant les phases inspiratoires dudit patient, d'acheminer du gaz respiratoire de ladite source de gaz jusqu'aux voies aériennes supérieures (16) du patient, ladite branche respiratoire (2) comportant une valve expiratoire (3) permettant, durant les phases inspiratoires, d'envoyer le gaz respirable vers le patient et, durant les phases expiratoires, d'évacuer à l'atmosphère les gaz expirés par le patient, dans lequel on procède selon les étapes de : (a) déterminer la pression totale (totale) et la pression statique (Pstatique) du gaz, durant lesdites phases inspiratoires et expiratoires, au moyen d'au moins un élément primaire de mesure de pression (7) symétrique et différentiel ayant deux points de prise de pression, agencés sur le trajet du gaz, (b) acheminer les pression totale (totale) et pression statique (Pstatique) du gaz recueillies à l'étape (a) jusqu'à un capteur de pression (C), (c) déterminer la différence entre les pression totale (Ptotale) et pression statique (Pstatique) de l'étape (b) au moyen du capteur de pression (C), ledit capteur de pression (C) délivrant au moins un signal électrique représentatif de la différence de pression (Dp) entre la pression totale (Ptotaie) et la pression statique (Pstatique) re mesurées à l'étape (a) (d) fournir le signal électrique, issu du capteur (C), représentatif de la différence de pression entre la pression totale (Ptotale) et de pression statique (Pstatique) à un calculateur, (e) comparaison de la différence de pression (Dp) déterminée à l'étape (d) avec une table ou courbe de référence ou à partir d'une formule de calcul donnant le débit du gaz en fonction de la variation de pression (Dp), (g) déduire de l'étape (e), au moins une valeur de débit du gaz, durant les phases inspiratoires et expiratoires. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une étape d'affichage du débit de gaz ou de volume courant. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une étape de mémorisation du débit de gaz. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le gaz est de l'air ou de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène.