Brevet FR2858236A1 — publié le 20050204

_, . , 2858236 DISPOSITIF ET PROCEDE DE FOURNITURE DE GAZ RESPIRATOIRE EN PRESSION OU EN VOLUME La présente invention concerne un dispositif et un procédé de fourniture de gaz respiratoire. Les dispositifs de fourniture de gaz respiratoire sont utilisés notamment dans les traitements d'affections respiratoires de patients adultes ou d'enfants. De tels dispositifs sont aptes à fournir une quantité d'air, additionnée éventuellement d'oxygène, soit sous forme d'un volume respirable quantifié soit sous la forme d'une première pression déterminée dite pression d'inspiration et une seconde pression déterminée dite pression d'expiration. Le document WO 00/24447 concerne un dispositif de fourniture de gaz respiratoire pourvu d'un compresseur délivrant un débit de gaz sous pression à un patient au travers d'un accumulateur/silencieux aval et d'une vanne de régulation de débit. Selon ce document le surplus de gaz non nécessaire est renvoyé à un filtre/accumulateur amont au travers d'une vanne bipasse afin de 15 limiter les pertes de gaz respiratoire. Le document FR 2 663 547 A1 pour sa part concerne un appareil de fourniture en continu de surpression de gaz respiratoire, cet appareil utilisant une turbine haute vitesse fournissant un gaz sous une pression déterminée constante régulée par une prise de mesure de pression au niveau du masque 20 respiratoire du patient. Cet appareil est passif en ce que la pression est maintenue en continu, les phases d'expiration étant possibles grâce à une fuite calibrée au niveau du masque respiratoire du patient. Le document FR 2 822 384 A1 au nom de la demanderesse concerne un ventilateur pulmonaire mixte pourvu d'un générateur de flux, de moyens de 25 circulation permettant de réinjecter le flux en amont du générateur lors d'une phase d'expiration d'un patient, les moyens de circulation comprenant notamment une vanne de régulation comportant deux clapets actionnés par le même actionneur permettant plusieurs modes de régulation et une optimisation des flux en fonction des phases d'inspiration et d'expiration. Selon ce document, la vitesse de rotation du générateur est maintenue constante, la pression dans le circuit patient étant contrôlée par les deux clapets qui permettent un retour de flux au générateur notamment lors des phases d'expiration. Il reste que les circuits et systèmes nécessaires pour fournir et réguler des niveaux de pression et/ou quantités volumiques de gaz respiratoire sont complexes et onéreux, la commande des clapets et vannes étant délicate. La présente invention vise à proposer un dispositif de fourniture de gaz respiratoire perfectionné en ce que son fonctionnement utilise un 10 asservissement de la turbine pour les phases inspiratoire et expiratoire et n'utilise pas de système de retour de gaz vers l'amont de la turbine, simplifiant ainsi le système, tout en permettant un fonctionnement avec circuit étanche au niveau du masque respiratoire ou du dispositif d'intubation du patient lors des phases d'inspiration et fuite lors des phases d'expirations. Pour ce faire la présente invention concerne un dispositif de fourniture de gaz respiratoire à un patient selon des cycles respiratoires, comportant un générateur de flux gazeux, un circuit d'amenée du flux gazeux vers un masque respiratoire ou dispositif d'intubation du patient, des moyens de mesure de pression et/ou de mesure de débit du flux gazeux, des moyens de calcul de 20 paramètres de pression et/ou de débit et des moyens de commande de vitesse de rotation du générateur, dispositif pour lequel les moyens de mesure agissent sur les moyens de commande de vitesse au travers des moyens de calcul afin d'asservir la vitesse de rotation de la turbine en fonction des phases d'inspiration et d'expiration en fonction de signaux de pression patient et/ou 25 signaux de débit inspiré. Les moyens de mesure de pression peuvent notamment comprendre un capteur de pression patient et/ou un capteur de pression valve d'expiration. Les moyens de mesure de débit peuvent notamment comporter un capteur de débit inspiré disposé à proximité de la sortie du générateur. Les moyens de mesure de débit peuvent comporter un capteur de débit expiré au niveau d'un circuit de retour patient. Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif peut comporter un organe passif de génération d'une perte de charge dans le circuit d'amenée. Cet organe passif peut notamment être un clapet anti-retour éventuellement 35 associé à un clapet passif d'admission d'air extérieur en aval du clapet antiretour sur le circuit d'amenée. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le dispositif comporte un circuit d'expiration pourvu d'une valve d'expiration et une électrovanne proportionnelle de pilotage de ladite valve d'expiration par application d'une contre pression. L'invention concerne en outre un procédé de fourniture d'un gaz respiratoire selon des cycles respiratoires comportant des phases d'inspiration 5 et d'expiration selon lequel lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de calcul agissent sur lesdits moyens de commande de vitesse afin d'asservir la vitesse de rotation de la turbine en fonction de consignes de pression et/ou de volume, de la détection de phases d'inspiration et d'expiration, de signaux de pression patient et/ou signaux de débit inspiré, la fourniture du gaz respiratoire 10 se faisant en pression ou en volume. Le procédé peut avantageusement comporter des phases de montée en pression avec pentes de montée en pression réalisées par une accélération de la turbine. Plus particulièrement, la transition entre une phase d'inspiration et une 15 phase d'expiration peut être réalisée par une décélération contrôlée de la turbine. Le procédé peut comporter, lors de phases d'expiration, un pilotage d'une valve d'expiration en organe de régulation de pression du premier circuit, au travers d'une électrovanne proportionnelle partie d'un deuxième circuit, la 20 valve étant partie d'un troisième circuit relié au masque ou au dispositif d'intubation. Avantageusement, les moyens de calcul et les moyens de commande de vitesse de rotation du générateur peuvent adapter la vitesse de la turbine en fonction d'un seuil de pression expiratoire au delà d'une fuite régulée par la 25 valve d'expiration afin de créer un débit de rinçage du premier circuit. Plus particulièrement, lors de phases d'insufflation correspondant aux phases d'inspiration, une valve d'expiration, partie d'un troisième circuit relié au masque ou au dispositif d'intubation peut être pilotée en suiveur de pression au travers d'une électrovanne proportionnelle et d'un deuxième 30 circuit. En mode de réalisation particulier, le procédé peut comporter une mesure de débit expiré et une mesure de débit inspiré. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif 35 de l'invention en référence avec la figure 1 qui représente une vue schématique d'un dispositif de fourniture de gaz respiratoire selon l'invention. Le dispositif 1 de fourniture de gaz respiratoire ou dispositif de ventilation selon la figure 1 comporte un générateur 2 de flux gazeux muni d'une turbine 2a à faible inertie et vitesse de consigne élevée. Ce générateur de flux gazeux est disposé dans une enceinte 20, précédé d'un filtre 21 pour l'entrée de l'air ambiant, de moyens d'insonorisation amont 22 et aval 23. La turbine 2a est par exemple une turbine avec vitesse de rotation maximale de l'ordre de 50 000 tours/min, apte à fournir une pression de 70 mbar au dessus de l'ambiante et un débit de l'ordre de 200 I/min. Le générateur de flux d'air, comporte ainsi une micro-turbine à faible inertie, entraînée par un moteur électrique, pilotée par un calculateur ou moyens de calcul 9 de façon à fournir une large gamme de débits et de pressions. En sortie de l'enceinte 20, le générateur est relié à un premier circuit 3 dit circuit d'amenée du flux gazeux vers un masque respiratoire 4 ou un dispositif d'intubation (non-représenté) du patient. Le générateur est commandé par des moyens 10 de commande sous la forme d'une carte électronique de commande reliée à une alimentation 24 et à 15 des moyens de calcul 9 sous forme d'une carte électronique à microprocesseur pourvue d'un logiciel de pilotage et reliée à une interface 25 de commande avec écran et clavier. Afin de piloter le fonctionnement du dispositif et de le faire fonctionner, les moyens de calcul sont reliés à des moyens 5, 6, 7, 8 de mesure de 20 pression et/ou de mesure de débit du flux gazeux sous forme de capteurs. Le capteur 6 est un capteur de pression relié à un premier circuit 3 circuit d'amenée du gaz au masque 4 ou dispositif d'intubation du patient. Selon l'exemple le capteur 6 est disposé dans l'appareil 1 et relié au masque 4 ou au dispositif d'intubation au travers d'un tube 6a. Le capteur 5 est un capteur de pression relié à un deuxième circuit 16 comportant une électrovanne proportionnelle 15 dont le fonctionnement sera décrit ultérieurement. Le capteur 7 est un capteur de débit inspiré disposé sur le premier circuit, au niveau d'un lamineur 26 régulant le flux de gaz sortant du 30 générateur. Un capteur 8 de débit expiré, au niveau du troisième circuit 11 dit de retour patient complète les moyens de mesure. Les moyens 9 de calcul commandent les organes tels que le générateur et l'électrovanne 15 proportionnelle en fonction de consignes entrées sur 35 I'interface 25 en fonction de programmes de ventilation et en fonction des paramètres de pression et/ou de débit issus des capteurs. Selon l'invention, les moyens de mesure 5, 6, 7, 8, les moyens 9 de calcul et les moyens 10 de commande de vitesse coopèrent en premier lieu pour asservir la vitesse de rotation de la turbine 2a en fonction des phases d'inspiration et d'expiration et en fonction de signaux de pression patient et/ou signaux de débit inspiré. De façon à réguler le flux en sortie du générateur, le dispositif selon la figure 1 comprend un organe 12 passif de génération d'une perte de charge 5 dans le circuit d'amenée sous la forme d'un clapet 12 anti- retour monté dans le premier circuit 3. Grâce à cet organe, la pression côté générateur est toujours légèrement supérieure à la pression dans le circuit 3 d'amenée côté masque ou dispositif d'intubation ce qui permet entre autre une meilleure régulation du fonctionnement du dispositif. En aval de ce clapet 12 anti-retour, le circuit 3 comporte un clapet 13 passif d'admission d'air extérieur. Ce clapet permet de limiter les efforts d'inspirations du patient en respiration spontanée au travers de la machine lorsque celle-ci n'est pas en fonctionnement. Côté masque 4 ou dispositif d'intubation,après le circuit 3 d'amené du 15 gaz, se trouve un troisième circuit 1 1 dit circuit d'expiration. Ce circuit d'expiration comporte une valve 14 d'expiration à membrane permettant de libérer un passage soit directement à l'extérieur soit au travers d'une tubulure 1 1la vers un lamineur 27 et une sortie d'air 28. Sur la valve 14 se raccorde le deuxième circuit 16 pourvu de 20 l'électrovanne 15 proportionnelle de type à trois voies. Cette électrovanne 15 reçoit sur une première voie une sortie de pression du générateur, comporte une deuxième voie à vide et est reliée par sa troisième voie à la valve 1 4. L'électrovanne permet de piloter la valve 14 en appliquant une contre pression qui ferme la valve ou limite son ouverture tant que la pression 25 d'expiration reste supérieure à la pression du deuxième circuit 16. Pour libérer la valve 14, l'électrovanne est pilotée de telle sorte que la pression du générateur soit bloquée, la deuxième voie à l'air libre étant mise en communication avec la troisième voie. Ainsi un dispositif d'expiration piloté est construit autour de la valve 14 30 d'expiration pilotée par l'électrovanne 15 reliée au générateur de flux, cette électrovanne 15 permettant d'envoyer une partie du flux généré vers la valve d'expiration de façon à s'opposer à son ouverture. L'électrovanne 15 proportionnelle est pilotée par des moyens de commande couplés aux moyens 9 de calcul et selon l'exemple disposés sur la 35 carte recevant les moyens de calcul 9. Ce dispositif permet ainsi en fonction du pilotage de la vitesse de la turbine 2a et du pilotage de la valve d'expiration au travers de l'électrovanne de fournir plusieurs modes de fonctionnement et notamment des modes de fonctionnement volumétriques. En effet plusieurs modes de fonctionnement sont recherchés et notamment des modes de fonctionnement à consignes de pression d'inspiration et d'expiration ou des modes pour lesquels un volume d'air dit volume cible est déterminé ou des modes mixtes. Le fonctionnement de l'appareil est basé sur un système de pilotage 5 auto-adaptatif en boucle fermée de la vitesse du générateur de flux. A ce générateur de flux est associé un dispositif d'expiration piloté, ce, sans organe de régulation du flux principal supplémentaire. Notamment la détection d'une pente de montée en pression peut être traduite par un niveau d'accélération de la turbine 2a et la détection de la 10 transition entre la phase d'inspiration et la phase d'expiration peut être traduite par une décélération de la turbine 2a. Ce pilotage est réalisé à partir de signaux de pression ou de débit inspiré et selon des lois de pilotage, basées sur des coefficients proportionnels et intégraux, qui diffèrent suivant les modes de ventilation, les réglages de 15 pression et ou débit et en particulier les phases du cycle respiratoire. Le fonctionnement du dispositif et les procédés de ventilation associés seront expliqués par exemple dans le cas d'un mode pour lequel une pression d'inspiration Pi, une pression d'expiration Pe ainsi qu'une forme d'obtention de la pression d'inspiration sur la base d'un temps de montée en pression sont 20 fixés. Le temps d'insufflation est ici dépendant d'un niveau de déclenchement d'expiration réglé sur la base de la mesure d'un chute de débit mesurée au niveau du capteur 7 d'inspiration, après l'obtention d'un débit maximum d'insufflation disponible pour le patient. Un paramètre de limite pour le temps d'insufflation est le seuil minimum 25 correspondant à la pente de pression mesurée un autre paramètre est un seuil maximum de sécurité pour le temps d'insufflation qui correspond au dernier temps inspiratoire réalisé ou au plus à 3s. D'autres paramètres de sécurité peuvent être pris en compte tel qu'une fréquence de sécurité. Selon ce mode, I'objectif de la phase d'insufflation est l'établissement 30 d'un niveau de pression Pi avec un temps de montée variable et un temps de maintien dépendant du comportement du débit associé. L'objectif de la phase d'expiration est le maintien d'un niveau de pression Pe jusqu'au début de la phase d'inspiration suivante mais aussi de rincer suffisamment le circuit afin d'évacuer les gaz expirés résiduels. Pour réaliser les cycles d'inspiration, les phases de montée en pression avec pentes de montée en pression sont réalisées par une accélération de la turbine 2a. La pression est contrôlée au niveau du capteur 6 de pression d'inspiration. Pendant la phase d'insufflation correspondant à la phase d'inspiration, les moyens de calcul pilotent la valve 14 d'expiration, partie du troisième circuit 11 relié au masque 4 ou au dispositif d'intubation, au travers de l'électrovanne 15 proportionnelle et du deuxième circuit 16, en suiveur de pression. La transition entre une phase d'inspiration et une phase d'expiration est réalisée elle par une décélération contrôlée de la turbine 2a et la valve 14 d'expiration, partie du troisième circuit 11 relié au masque 4 ou au dispositif d'intubation, est pilotée, au travers de l'électrovanne 15 proportionnelle et du 10 deuxième circuit 16, en organe de régulation de pression du premier circuit 3. Pendant la phase d'expiration, les moyens de calcul et les moyens de commande de vitesse de rotation du générateur adaptent la vitesse de la turbine 2a en fonction d'un seuil de pression expiratoire au delà d'une fuite régulée par la valve 14 d'expiration afin de créer le débit de rinçage du premier 15 circuit. Le système de clapet 12 anti-retour et de clapet 13 de respiration spontanée permet d'équilibrer la pression de rinçage qui est maintenue suffisamment faible pour limiter le phénomène de frein expiratoire sans être annulée pour éviter tout échauffement de la turbine 2a. Dans le cas d'une ventilation pour laquelle un volume courant ainsi qu'une fréquence et un rapport de cyclage sont fixés, I'objectif de la phase d'insufflation est la distribution d'un volume courant Vt avec une forme de débit convenu et durant un temps fixé par les niveaux de fréquence et le rapport de cyclage réglés au travers de l'interface 25. Dans ce cas, pendant l'insufflation, le circuit patient comportant le circuit 3, le masque 4 ou dispositif d'intubation est maintenu étanche, aux fuites parasites près par la fermeture de la valve 14 commandée par l'électrovanne 15. Il en résulte une montée en pression du circuit 3 et du système pulmonaire patient dépendant des caractéristiques du patient. En cas 30 de dépassement d'objectif de pression maximale mesurée à l'aide du capteur de pression 6, il est possible de faire chuter la pression dans le circuit 16 de commande de la valve 14 par une commande de l'électrovanne 15 et de passer immédiatement en phase d'expiration. Dans le cas d'un mode à volume cible, I'opérateur entre par les moyens 35 d'interface une consigne de volume cible dans les moyens de calcul 9 qui, en fonction de ce paramètre et d'autres paramètres entrés par l'interface tels que fréquence de cycle minimale et/ou de sécurité, rapport de cyclage, seuil de pression haute, vont ajuster en permanence la pression d'insufflation entre un seuil de pression de base et un seuil de pression maximal afin de maintenir le volume courant inspiré par le patient au plus proche d'un volume cible prédéfini soit par exemple entre le volume cible Vt cible et Vt Cible + 20%. Selon ce mode à volume cible, il est particulièrement nécessaire d'être à même d'ajuster précisément la pression par pas de pression entre les cycles 5 Par exemple pour une pression de consigne de l'ordre de 20 mbar, les pas entre cycles sont définis entre 0,5 mbar et 2 mbar de façon à réagir immédiatement à la détection d'un déséquilibre sans avoir une réaction forte nuisible au confort du patient. Cet ajustement de pression est fait selon l'invention sans dispositif 10 régulateur en sortie du générateur mais en pilotant la vitesse de la turbine 2a du générateur 2 en fonction des mesures de pression du capteur 6 de pression patient et en faisant fonctionner le circuit d'expiration comportant la vanne d'expiration 14 en suiveur au travers de l'électrovanne 15 proportionnelle dans laquelle, dans cette configuration, le générateur de flux est relié au deuxième 15 circuit, le clapet 12 anti-retour du premier circuit 3 permettant de conserver une pression légèrement supérieure dans le deuxième circuit par rapport au premier circuit. Ainsi le dispositif permet de fournir un gaz respiratoire selon des cycles respiratoires comportant des phases d'inspiration et d'expiration, les moyens 20 de mesure 5, 6, 7, 8 et les moyens 9 de calcul agissant sur les moyens 10 de commande de vitesse afin d'asservir la vitesse de rotation de la turbine 2a en fonction de consignes de pression et/ou de volume, de la détection de phases d'inspiration et d'expiration, de signaux de pression patient et/ou signaux de débit inspiré. Avec le dispositif de l'invention la valve 14 d'expiration est pilotée en suiveur de pression lors de la phase d'inspiration et en organe de régulation durant la phase d'expiration. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de ventiler un patient en pression ou en volume avec un circuit patient doté d'un dispositif d'expiration 30 piloté et une simple commande de vitesse de turbine. ,, A 2858236 z;. REVENDICATIONS 1 - Dispositif (1) de fourniture de gaz respiratoire à un patient selon des cycles respiratoires, comportant un générateur (2) de flux gazeux muni d'une turbine (2a) à faible inertie et vitesse de consigne élevée, un premier 5 circuit (3) dit circuit d'amenée du flux gazeux vers un masque respiratoire (4) ou un moyen d'intubation du patient, des moyens (5, 6, 7, 8) de mesure de pression et/ou de mesure de débit du flux gazeux, des moyens (9) de calcul de paramètres de pression et/ou de débit et des moyens (10) de commande de vitesse de rotation du générateur, caractérisé en ce qu'il comporte un système 10 de pilotage de la vitesse du générateur comprenant les moyens de mesure (5, 6, 7, 8), les moyens (9) de calcul et les moyens (10) de commande de vitesse, lesdits moyens coopérant pour asservir la vitesse de rotation de la turbine (2a) en fonction des phases d'inspiration et d'expiration et en fonction de signaux de pression patient et/ou signaux de débit inspiré. 15 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de mesure de pression comprennent un capteur (6) de pression patient et/ou un capteur (7) de pression valve d'expiration. 3- Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens de mesure de débit comportent un capteur (7) de débit inspiré disposé 20 à proximité de la sortie du générateur (2). 4- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un organe (12) passif de génération d'une perte de charge dans le circuit d'amenée. - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que cet organe 25 (12) passif est un clapet anti-retour éventuellement associé à un clapet (13) passif d'admission d'air extérieur en aval du clapet anti-retour sur le circuit (3) d'amenée. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième circuit (16) comportant une 30 électrovanne (15) proportionnelle, de pilotage d'une valve (14) d'expiration partie d'un troisième circuit (11) par application d'une contre pression sur cette valve (14), des moyens de commande de ladite électrovanne (15) proportionnelle étant couplés aux moyens (9) de calcul. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes 35 caractérisé en ce que les moyens de mesure de débit comportent un capteur (8) de débit expiré au niveau d'un troisième circuit (1 1) dit de retour patient. 8- Procédé de pilotage en boucle fermée d'un générateur de flux gazeux d'un dispositif de fourniture d'un gaz respiratoire selon des cycles respiratoires comportant des phases d'inspiration et d'expiration au moyen d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes 5 caractérisé en ce que les moyens de mesure (5, 6, 7, 8) et les moyens (9) de calcul agissent sur les moyens (10) de commande de vitesse afin d'asservir la vitesse de rotation de la turbine (2a) en fonction de consignes de pression et/ou de volume, de la détection de phases d'inspiration et d'expiration, de signaux de pression patient et/ou signaux de débit inspiré, la fourniture du gaz 10 respiratoire se faisant en pression et/ou en volume. 9- Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comporte des phases de montée en pression avec pentes de montée en pression réalisées par une accélération de la turbine (2a). 10- Procédé selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que la 15 transition entre une phase d'inspiration et une phase d'expiration est réalisée par une décélération contrôlée de la turbine (2a). 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que lors de phases d'expiration, une valve (14) d'expiration, partie d'un troisième circuit (11) relié au masque (4) ou au dispositif 20 d'intubation, est pilotée, au travers d'une électrovanne (15) proportionnelle et d'un deuxième circuit (16), en organe de régulation de pression du premier circuit (3). 1 2 - Procédé selon la revendication 1 1 caractérisé en ce que les moyens de calcul et les moyens de commande de vitesse de rotation du générateur 25 adaptent la vitesse de la turbine (2a) en fonction d'un seuil de pression expiratoire au delà d'une fuite régulée par la valve (14) d'expiration afin de créer un débit de rinçage du premier circuit. 13- Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que lors de phases d'insufflation correspondant aux phases 30 d'inspiration, une valve (14) d'expiration, partie d'un troisième circuit (1 1) relié au masque (4) ou au dispositif d'intubation, est pilotée, au travers d'une électrovanne (15) proportionnelle et d'un deuxième circuit (16), en suiveur de pression. 14 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 35 caractérisé en ce qu'il comporte une mesure de débit expiré et une mesure de débit inspiré.