Brevet FR2941527A1 — publié le 20100730

PROCEDE DE MESURE ET BANC DE MESURE PORTABLE DE MICRO- DÉBITS DE LIQUIDE, APPLICATION A LA CARACTERISATION DE MICRO-POMPES A USAGE MEDICAL La présente invention se rapporte à un procédé de mesure de micro-débits de liquide, et un banc de mesure portable à cette fin. Ces micro-débits peuvent descendre jusqu'à environ 5x10-13 mas-1. L'application principale, mais non exclusive, se rapporte à la caractérisation de micro-pompes à usage médical, en particulier aux pompes de délivrance d'insuline, notamment en débit pédiatrique, à partir de mesures de micro-débits. Le domaine concerné est celui de la métrologie microfluidique et plus particulièrement de la microdébitmétrie. 15 Outre l'application à la caractérisation débitmétrique des micro-pompes, notamment à usage médical, et plus particulièrement des micro-pompes à insuline, d'autres systèmes peuvent bénéficier de l'analyse de micro-débits selon l'invention: laboratoires d'analyse sur puces, micro- 20 échangeurs thermiques, micro-valves, analyse de micro-écoulements à des fins de recherche fondamentale, etc. Afin de réaliser des mesures de micro-débits, il est par exemple connu du document intitulé � mise au point et validation d'un banc d'essais 25 pour la mesure de microdébits liquides �, présenté par Anduze et al in 14ème Congrès Français de Mécanique, CDROM ISBN 2-84088-040-7. Toulouse, 1999, un banc d'essai pour la mesure de microdébits de liquides dans la plage 10"13 à 10-8 mas 1. Ce document décrit une double mesure effectuée à l'amont et à l'aval du microsystème testé, qui peut être actif 3o (micropompe, microvalve,...) ou passif (microclapet, microcanal,...). Dans le cas de microsystèmes passifs, les pressions amont et aval sont réglées de façon indépendante dans une gamme allant de 0 à 0,5 MPa. Le principe de mesure est basé sur une détection de passage de bulle dans des pipettes étalons, à l'aide de capteurs optiques. Par ailleurs, le document de brevet US 6 813 944 décrit un débitmètre thermique qui consiste à exploiter les échanges thermiques au sein de l'écoulement d'un fluide forcé à traverser un capillaire. Une résistance chauffante dont la température est supérieure à celle de l'écoulement est placée dans celui-ci. Un transfert thermique donne alors lieu à un gradient de température, mesuré à l'aide de capteurs en amont et en aval de l'élément chauffant. La différence de température est alors proportionnelle au débit massique. Des débits pouvant aller jusqu'à 10"12 a"1 m s peuvent être mesurés. Cependant, les documents connus ne permettent pas de mesurer de micro-débits de pompes de type pompe à insuline tout en suivant leur fonctionnement pas à pas, afin de mettre en évidence les irrégularités de leur débit. Or, il est essentiel de réaliser des mesures de manière quasi-instantanée dans des conditions atmosphériques variables, en température et en pression. Ces micro-pompes peuvent de plus être confrontées à une surpression au niveau de l'injection du médicament et doivent alors pouvoir se mettre en position de sécurité (arrêt de la pompe) au-delà d'une certaine valeur de cette pression, afin d'éviter les problèmes d'occlusion. Il est donc important de pouvoir mesurer en temps réel les irrégularités de débit et de suivre ces caractéristiques de surpression. D'autres documents de l'état de la technique, par exemple EP 649 341, GB 2 119 927 ou US 4 932 250, qui concernent des dispositifs de mesures d'écoulement ou de micro-débits, ne décrivent pas davantage de moyens de mesure quasi-instantanée de micro-débits, mettant en évidence les irrégularités de débit. Les solutions connues nécessitent en général une longue attente pour chaque point de mesure du fait de la stabilité thermique des bancs. Pour les plus faibles débits, par exemple dans le cas d'un débit pédiatrique d'insuline, la mesure elle-même peut demander jusqu'à 150 heures. L'invention propose de fournir un procédé et un banc de mesure portable permettant de pallier aux insuffisances décrites ci-dessus. Pour ce faire, l'invention prévoit un banc couplant deux moyens de mesure complémentaires, afin de détecter un éventuel dysfonctionnement et de fournir une mesure moyenne et une mesure instantanée du débit. La mesure quasi-instantanée résulte d'un suivi par visualisation continue d'une bulle dans un micro-capillaire ; elle est compatible avec un banc de haute compacité, donc portable. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de mesure de micro-débits de liquide d'une micro-pompe dans une enceinte, consistant à réaliser au moins deux mesures complémentaires de débits, débits moyen et instantané, en suivant une micro-bulle de gaz par respectivement au moins une série de détections optiques ponctuelles et une imagerie continue, et à réaliser un ajustement de contre-pression en sortie de la micro-pompe. Selon des modes de réalisation avantageux : - la contre-pression à laquelle doit faire face la pompe est réglable ; - la contre-pression maximale à ne pas dépasser est égale à la pression d'occlusion mesurée directement en sortie de pompe - l'enceinte est régulée en température et en pression 30 atmosphérique en fonction des conditions environnementales d'utilisation.30 L'invention se rapporte également à un banc de mesure portable de micro-débits de liquide délivré par une micro-pompe, dans lequel un plot d'injection est apte à insérer automatiquement une micro-bulle de gaz, en particulier d'air, dans une micropipette calibrée, de faible volume ne dépassant pas par exemple quelques microlitres, dans laquelle circule le liquide délivré par la micro-pompe. Le déplacement de cette bulle est suivi par une série de capteurs optiques et par une caméra, une unité de traitement de données étant apte à fournir des valeurs de mesures de débits volumiques moyens et instantanés à partir des données délivrées par les to moyens optiques de détection. Selon des modes de réalisation particuliers : - la contre-pression à laquelle la pompe est soumise en utilisation est ajustée en sortie de la micro-pipette par une commande fournie par l'unité de traitement à une ouverture variable, en particulier une vanne à 15 pointeau ; - la pompe est connectée sur un plot de branchement apte à mesurer directement la pression d'occlusion par un capteur spécifique en bloquant le débit de sortie jusqu'à amener la pompe en arrêt automatique de sécurité : 20 - le plot d'injection est équipé d'un capteur de pression dédié à la mesure de la contre-pression à laquelle la pompe doit faire face, ci-après contre-pression de pompe ; - le banc est disposé dans une enceinte étanche et isolée thermiquement, comportant des moyens de contrôle en température et 25 pression ; - le moyen de contrôle en température est un module à effet Peltier, disposé dans l'enceinte, et qui est apte à réguler la température ; - la micropipette est en verre ; - le gaz formant la micro-bulle est constitué d'air. L'invention se rapporte à la caractérisation de micro-pompes et en particulier à la caractérisation de micro-pompes à insuline, dans des 5 10 conditions de pression et/ou de température variables, l'enceinte pouvant être dépressurisée. La présente invention présente les avantages suivants : - le suivi personnalisé du fonctionnement pas à pas de chaque micro-pompe permet de détecter les irrégularités de fonctionnement de la micro-pompe de manière quasi-instantanée ; - les mesures de débits moyens sont effectuées sur une période pouvant s'étendre jusqu'à une journée ou plus ; - la pompe peut être testée dans des conditions de température contrôlée ; - la pompe peut être testée et son fonctionnement analysé dans des conditions de température et/ou de pression atmosphérique variable, par exemple dans un environnement froid ou pour simuler son utilisation dans un 15 aéronef ; - le plot d'insertion automatique permet de programmer et de réaliser de façon automatique une campagne de mesures complète, en particulier dans différentes conditions de température ; - l'analyse d'une micro-pompe dans différentes configurations 20 de fonctionnement peut ainsi être totalement automatisée ; - l'utilisation d'une micropipette et d'un suivi optique de la bulle ne génère pas de perte de charge non désirée et ne perturbe pas le fonctionnement de la micro-pompe testée ; - aucun étalonnage en fonction du fluide n'est nécessaire, les 25 mesures de débit volumique étant directes ; - la fiabilité des mesures et leur précision sont optimisées par le couplage de deux moyens de mesures complémentaires, la sécurité étant ainsi assurée dans le cas d'usage médical ; - le caractère portable du banc d'essai, rendu possible par les 3o conditions de mise en oeuvre de moyens adaptés aux valeurs très faibles de débits à mesurer, permet une utilisation hors laboratoire spécialisé. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, relative à des exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés qui représentent, respectivement : - la figure 1, le schéma d'un exemple de banc de mesure conforme à l'invention ; - la figure 2, la vue en coupe d'un exemple de plot d'injection de la micro-bulle et de mesure de la contre-pression du banc selon la figure 1; et - la figure 3, un exemple de système de mesure optique à to capteurs et caméra de visualisation. Pour des questions de clarté, les schémas annexés ne comportent pas les circuits d'alimentation électrique ni leur aménagement qui sont dans le champ de compétence de l'homme du métier. 15 En référence à la figure 1, un banc de mesure 10 selon l'invention est disposé dans une enceinte. Cette enceinte se présente sous la forme d'un caisson 20, isolé thermiquement par le biais de parois doublées de matière isolante. Ce caisson est clos, rendant également l'enceinte étanche. 20 Le contrôle et la régulation de la température se font par l'intermédiaire d'un module à effet Peltier 22 en liaison avec un capteur de température 24 placés dans l'enceinte 20. La température est homogénéisée au sein de l'enceinte par un ou plusieurs petits ventilateurs. La valeur de la 25 température est contrôlée automatiquement par une boucle de régulation. Un manomètre 26 permet de mesurer la pression dans l'enceinte. La pression désirée est ajustée par une pompe à vide 28. Dans l'enceinte, la micro-pompe à insuline 30 testée dans 30 l'exemple illustré est montée sur le banc de mesure 10 à une extrémité d'un conduit 12 relié à son autre extrémité à une micro-pipette 120, de diamètre intérieur environ égal à 60 um. En sortie de la micro-pipette, le liquide est récupéré dans un réservoir 16 après son passage dans le circuit formant le banc 10. Un capteur 106 de mesure de la pression d'occlusion de pompe est connecté à un embout 102 d'extrémité d'un plot de branchement 100 qui comporte, à son autre extrémité, un embout de branchement universel 104 de pompe, connecté à la micro-pompe 30. De la micro-pompe 30 au réservoir de récupération 16, le banc ~0 10 reçoit différents composants qui se succèdent successivement à travers : - un plot d'injection et de mesure 110 sur lequel sont montés un capteur de pression miniaturisé 112, pour la mesure de pression et le réglage ultérieur de la contre-pression, et un système d'injection automatique de bulle 114 comportant une électrovanne 116 et une pompe à air 118 ; 15 - la micro-pipette en verre 120 située dans un système de mesure optique de débit 122, composé de capteurs optiques 124a et 124b, d'une caméra 126 ayant une zone de visualisation 128 qui intercepte une partie significative de la micro-pipette 120 ; un mécanisme de restriction variable 130 en sortie de la 20 micro-pipette 120 pour régler la valeur de la contre-pression, le réservoir 16 étant monté en sortie du mécanisme 130. Le banc comporte également une unité de traitement des données 129 qui gère les données fournies par les capteurs et la caméra, fournit des signaux de commande et transmet des informations utiles à 25 l'utilisateur, comme cela apparaîtra plus loin. Le système d'injection automatique 114 comporte l'électrovanne 116 et comme pompe à air 118 une pompe de type pompe d'aquarium. L'actionnement de l'électrovanne 116 est déclenché automatiquement par le passage de la bulle précédente devant le capteur 3o optique 124b placé en sortie de la micro-pipette 120, dans le cas d'une série de mesures consécutives. Le plot d'injection et de mesure 110 est plus particulièrement présenté en regard de la figure 2. Ce plot 110 est réalisé de manière à pouvoir connecter tout type de conduit de micro-pompe, en particulier une micro-pompe à insuline, par son entrée Al. Le micro-capteur de pression est connecté à l'orifice A2. La sortie S1 permet de connecter la micropipette en verre. L'orifice A3 est destiné à relier le système d'injection 114, l'écoulement principal de liquide X'X se faisant de Al vers SI. Ce plot est conçu de façon à contenir un volume de fluide minimal, de l'ordre de 1,5 ul. La pompe à air exerce une pression légèrement supérieure à io celle de la conduite principale Al-SI, afin de réaliser l'insertion d'une bulle 119 (figure 3) dans l'écoulement du liquide. La durée d'ouverture de l'électrovanne 116 est réglée de façon à générer une bulle de dimension adaptée à la micro-pipette. 15 En référence au système de mesure de débit illustré en figure 3, la mesure de débit est alors réalisée par deux voies : - la détection du passage de la bulle par deux capteurs optiques 124a et 124b, disposés en entrée et en sortie de la micro-pipette 120, dans le sens d'écoulement X'X du fluide ; 20 - le suivi continu du déplacement de la bulle 119 par analyse d'une séquence d'images acquise par la caméra 126 dans la zone de visualisation 128. La caméra 126 est, dans l'exemple illustré, une webcaméra dite � webcam � à capteurs CMOS. 25 En fonctionnement, la régulation thermique de l'enceinte est effectuée sur une plage de 10 à 50°C par le module Peltier, le réglage en température étant commandé sur une interface utilisateur qui affiche la température obtenue dans l'enceinte. La première injection automatique de bulles 119 est déclenchée 30 lorsque la micro-pipette est remplie de liquide. Un réglage de la durée d'ouverture de l'électrovanne permet d'adapter la taille de la bulle en fonction des caractéristiques de l'électrovanne 116 et de la pompe à air 118, et 3o également du débit de la micro-pompe et de la contre-pression, de manière à obtenir une détection optique et une visualisation fiable pour les mesures de débit dans le système optique 122. Ainsi, dans le système optique de l'exemple de réalisation, la durée d'écoulement entre les détections d'une bulle par les capteurs optiques 124a et 124b est relevée par l'unité de traitement de données 129, de manière à calculer un débit moyen sur environ 5 il. La caméra 126 permet une acquisition vidéo instantanée du déplacement de la bulle par analyse des données image par image. ~o Le réglage de la contre-pression en sortie de la micro-pipette 120 est effectué par un orifice 130 réglable en ouverture, formé par une micro-vanne à pointeau dans l'exemple. La pression fournie par la pompe est mesurée par le capteur 112 avant injection de la bulle et transmise à l'unité de traitement 129, qui émet un signal de commande à la micro-vanne 130, 15 commandée électriquement dans l'exemple de réalisation. La micro-vanne règle alors la pression, dite contre-pression, que doit vaincre l'écoulement de liquide en sortie de la pompe testée. La valeur maximale de contre-pression ne dépasse pas la valeur de pression d'occlusion mesurée en sortie de pompe par le capteur 106 et transmise à l'unité de traitement 129. 20 La pression d'occlusion est mesurée par le capteur 106 du plot 100 en bloquant le débit de sortie jusqu'à amener la pompe en arrêt automatique de sécurité. Les valeurs de débits moyens et instantanés calculés par l'unité 25 de traitement permettent de détecter tout dysfonctionnement de la pompe au regard des valeurs attendues. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Il est ainsi possible de prévoir plus de deux capteurs optiques ou de prévoir une bulle de gaz autre que de l'air, par exemple d'azote pour éviter tout échange chimique. Par ailleurs, l'application de l'invention peut être étendue à tout type de pompe à tester qui est susceptible de fournir des micro-débits dans des conditions particulières. En outre, le caisson qui définit l'enceinte peut être réalisé sous forme d'une valise de manière à faciliter le transport du banc optique. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure de micro-débits de liquide d'une micro-pompe (30) dans une enceinte (20), caractérisé en ce qu'au moins deux mesures complémentaires de débits, débits moyens et instantanés, sont effectuées en suivant une micro-bulle (119) de gaz par, respectivement, au moins une série de détections optiques ponctuelles et une imagerie continue. 2. Procédé de mesure de micro-débits selon la revendication 1, ~o comportant un ajustement de contre-pression en sortie des mesures optiques de débit et une détection de pression d'occlusion que la contre-pression ne peut dépasser. 3. Procédé de mesure de micro-débits selon la revendication 15 précédente, dans lequel la pression d'occlusion est mesurée directement en sortie de pompe. 4. Procédé de mesure de micro-débits selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'enceinte (30) est régulée en 20 température et pression en fonction des conditions environnementales d'utilisation. 5. Banc de mesure portable (10) de micro-débits de liquide délivré par une micro-pompe (30), caractérisé en ce qu'il comporte un plot 25 d'injection (110) apte à insérer automatiquement une micro-bulle (119) de gaz dans une micropipette calibrée (120), dans laquelle circule le liquide délivré par la micro-pompe (30), et en ce que le déplacement de cette bulle (119) est suivi par une série de capteurs optiques (124a, 124b) et par une caméra (126), une unité de traitement de données (129) étant apte à fournir 3o des valeurs de mesures de débits volumiques moyens et instantanés à partir des données délivrées par les moyens optiques de détection (124a, 124b, 126). 6. Banc de mesure portable selon la revendication précédente, dans lequel la pompe est connectée sur un plot de branchement (100) apte à mesurer directement la pression d'occlusion par un capteur spécifique (106) en bloquant le débit de sortie jusqu'à ce que la pompe (30) s'arrête automatiquement en position de sécurité. 7. Banc de mesure portable selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le plot d'injection (110) est équipé d'un capteur de pression (112) io dédié à la mesure de la contre-pression de la pompe (30). 8. Banc de mesure portable selon l'une quelconque des revendication 5 à 7, dans lequel la contre-pression à laquelle la pompe (30) est soumise en utilisation est ajustée en sortie de la micro-pipette (120) par 15 une commande fournie par l'unité de traitement (129) à une ouverture variable (130). 9. Banc de mesure portable selon la revendication précédente, dans lequel l'ouverture variable est une micro-vanne à pointeau 20 (130). 10. Banc de mesure portable selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le banc (10) est disposé dans une enceinte (20) étanche et isolée thermiquement, comportant des moyens 25 de contrôle (22, 24) en température et pression. 11. Banc de mesure portable selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, dans lequel le moyen de contrôle en température est un module à effet Peltier disposé dans l'enceinte qui permet de réguler la 3o température. 12. Banc de mesure portable selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, dans lequel la micropipette est en verre. 13. Banc de mesure portable selon l'une quelconque des 5 revendications 5 à 12, dans lequel le gaz formant la micro-bulle est constitué d'air. 14. Application du banc de mesure portable selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, à la caractérisation de micro-pompes par des mesures de micro-débits selon l'une quelconque des revendications 10 1 à 4. 15. Application selon la revendication précédente à la caractérisation de micro-pompes à insuline, dans des conditions de pression et/ou de température variables et régulées par l'enceinte (20). 15