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Title:
BREATHING AID APPARATUS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/051484
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a method for open-loop regulation of a breathing aid apparatus, which consists in: constituting a compression chamber (1), by dividing it into two compartments (3, 4) each connected to an intake (5, 7) of air or breathing mixture and to an outlet (6, 8) of compressed air, using an elastic floating diaphragm (2); guiding said floating diaphragm (2) by fixing its periphery to the wall of said chamber (1); fixing a field coil (14) at the centre of said floating diaphragm (2); placing said field coil (14) in an air gap (E) which is oriented in the direction deforming said floating diaphragm (2); measuring the instantaneous flow rate of air leaving through said outlet (6, 8) and powering said field coil (14) continuously calculating the instantaneous intensity and the direction of the supply current on the basis of the set pressure of compressed air, of said instantaneous flow rate and of the constants of said apparatus.

Inventors:
ROCHAT JEAN-DENIS (CH)
Application Number:
PCT/IB2001/002627
Publication Date:
July 04, 2002
Filing Date:
December 20, 2001
Export Citation:
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Assignee:
ROCHAT JEAN-DENIS (CH)
International Classes:
G01F1/00; A61M16/00; F04B45/04; F04B45/047; (IPC1-7): A61M16/00
Domestic Patent References:
WO1995031241A11995-11-23
Foreign References:
FR2733688A11996-11-08
EP0217573A21987-04-08
FR1525881A1968-05-24
FR2733688A11996-11-08
Attorney, Agent or Firm:
Savoye, Jean-paul (rue Plantamour Genève, CH)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Precede de regulation de pression en boucle ouverte d'un appareil d'assistance respiratoire, caractérisé en ce que l'on forme une enceinte de compression (1), en la divisant en deux compartiments (3,4) relies chacun à une admission (5,7) d'air ou de gaz respiratoire et à une evacuation (6,8) d'air comprime, à l'aide d'une membrane flottante élastique (2), on guide cette membrane flottante (2) en fixant sa peripherie à la paroi de ladite enceinte (1), on fixe une bobine motrice (14) au centre de ladite membrane flottante (2), on place cette bo bine motrice (14) dans un entrefer (E) que l'on oriente dans le sens de deformation de ladite membrane flottante (2), on mesure le debit instantané d'air sortant par ladite evacuation (6,8) et on alimente ladite bobine motrice (14) en calculant en continu l'intensité instantanée et le sens du courant d'alimen tation en fonction de la pression de consigne de l'air insuf fle, dudit debit instantané et des constantes dudit appareil.
2. Precede selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure ledit debit instantané en détectant en continu la variation de position axiale de ladite membrane flottante (2) en fonction du temps.
3. Appareil d'assistance respiratoire, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte de compression (1), une membrane flottante élastique (2), divisant cette enceinte de compression (1) en deux compartiments (3,4) relies chacun à une admission (5,7) d'air ou de gaz respiratoire et a une evacuation (6,8) de gaz comprime, guidée par sa peripherie fixée à la paroi de ladite enceinte (1), une bobine motrice (14) fixée au centre de ladite membrane (2), un entrefer (E) dans lequel ladite bobine motrice (14) est positionnée, cet entrefer (E) étant orienté dans le sens de deformation de ladite membrane flottante (2), des moyens (24,25) pour mesurer le debit de ladite enceinte de compression (1) et un processeur de traitement de signal nume rique (DSP) pour le calcul de l'intensité instantanée du cou.
4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite membrane (2) est associée à au moins deux elements de guidage élastiques (17,18) électriquement conducteurs pour connecter ladite bobine motrice (14) à une source d'alimenta tion commandée par ledit module de traitement de signal numeri que (DSP).
5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage et de connexion comportent au moins deux bras (17,18), en alliage CuBe, disposes symétri quement par rapport au centre de ladite membrane (2).
6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, carac terse en ce que ladite bobine motrice (14) et ledit entrefer (E) forment un moteur électrodynamique.
7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, carac terse en ce que ladite membrane flottante élastique (2) est fixée à la paroi de ladite enceinte (1) avec une protension diametrale de 3 à 8% d'allongement.
Description:
APPAREIL D'ASSISTANCE RESPIRATOIRE La présente invention se rapporte à un precede de r1- gulation de pression en boucle ouverte d'un appareil d'assis- tance respiratoire, ainsi qu'a un dispositif de compression d'un appareil de compression pour la mise en oeuvre de ce pro- cede.

Le problème rencontre avec les appareils d'assistance respiratoires qui sont appelés à fournir un debit d'air variable à pression constante est celui du temps de réponse. Il est en effet nécessaire d'arriver à produire une pression de consigne endotracheale ajustable par le médecin, qui soit inde- pendante du debit d'inspiration instantané demande par le patient, 1'expiration passant par une valve expiratoire, la valve inspiratoire étant alors fermée.

Deux types d'appareils d'assistance respiratoire existent.

Les appareils du premier type comportent une alimentation en gaz respiratoire sous pression dont le debit et la pression sont régulés par une valve de réglage à étranglement variable.

Les appareils du second type ne comportent pas d'alimentation en gaz sous pression, mais un compresseur à pression et debits variables.

Les appareil existants fonctionnent avec un feed-back de pression, ce qui oblige à un compromis entre stabilité du systeme en boucle fermée et son temps de réponse. Le temps de réponse de tels systemes est de l'ordre de 50 à 150 ms, avec le temps de réponse de la valve qui est de l'ordre de 4 à 10 ms.

Il ne serait pas possible de travailler en boucle ouverte avec un tel systeme, compte tenu des frottements qui ne constituent pas un paramètre fixe et dont la mesure serait trop complexe. Pour travailler en boucle ouverte, il est donc tout d'abord indispensable de trouver un dispositif de compression travaillant pratiquement sans frottement mécanique.

On a déjà proposé dans le FR-2733688 un appareil d'assis- tance respiratoire dont la source de gaz sous pression est un

compresseur à membrane à actionnement électromagnétique. Ce compresseur comporte un carter qui renferme deux enceintes à volumes variables comprenant un arbre de guidage qui traverse un noyau de fer doux dispose coaxialement au centre d'un aimant annulaire et qui porte à chacune de ses extrémités une plaque circulaire rigide munie d'une membrane annulaire dont la peripherie est fixée à la paroi interne du carter, délimitant ainsi à l'intérieur du carter deux enceintes dont les volumes respectifs varient en fonction des déplacement des plaques et des membranes. Chaque enceinte comporte au moins un clapet d'entrée et au moins un clapet de sortie pour contrôler 1'entrée et la sortie de l'air.

Un tel dispositif de compression ne répond pas aux exigen- ces d'un systeme fonctionnant en boucle ouverte, étant donne que l'arbre de guidage constitue une source importante de frottement.

Le but de la présente invention est de permettre d'appor- ter une solution à la regulation d'un respirateur comprenant un compresseur à membrane, de manière que son temps de réponse soit réduit pratiquement a celui de la membrane du dispositif de compression.

A cet effet, la présente invention a tout d'abord pour objet un precede de regulation en boucle ouverte d'un appareil d'assistance respiratoire, selon la revendication 1. Elle a également pour objet un appareil d'assistance respiratoire selon la revendication 3.

L'avantage de ce precede et de 1'appareil pour sa mise en #uvre vient du fait qu'en l'absence de frottement mécanique, il suffit de mesurer le debit et de connaître la pression de consigne pour calculer le courant d'alimentation instantané de la bobine motrice, les autres paramètres étant constitues par des constantes de 1'appareil d'assistance respiratoire.

Le dessin annexe illustre, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil d'assistance respiratoire pour la mise en #uvre du procédé objet de la présente invention.

La figure 1 est une vue en coupe axiale du dispositif de compression objet de la présente invention ; la figure 2 est une vue selon II-II de la figure 1 ; la figure 3 est un schema-bloc du système de regulation du respirateur.

Pour permettre la mise en ceuvre du precede de regulation selon l'invention, on realise un dispositif de compression tel qu'illustré par la figure 1 et qui comporte un carter C à l'intérieur duquel est ménagée une enceinte de compression 1 divisée en deux compartiments 3 et 4 par une membrane élastique flottante 2 en silicone dont la peripherie est fixée à la paroi de cette enceinte 1. Cette membrane flottante 2 assure 1'6tan- chiite entre les deux compartiments. Cette membrane 2 est dite flottante parce qu'elle est entièrement guidée par la fixation de sa périphérie à la paroi de 1'enceinte 1 à 1'exclusion de tout autre guidage engendrant des frottements mecaniques cons- tituant un paramètre important et essentiellement variable qui ne permet pas la regulation en boucle ouverte.

De preference, cette membrane flottante 2 est soumise a une certaine pre-tension lors de sa fixation à la paroi de 1'enceinte 1. A cet effet, on allonge diamétralement la membra- ne de 3 à 8%, de preference 4 à 5%. Cette pre-tension a pour but de limiter le battement mort de la membrane lors de l'in- version de la pression qui s'exerce sur elle.

Chaque compartiment 3,4 communique avec l'extérieur par deux ouvertures 5,6, respectivement 7,8. De preference, chaque compartiment comporte une pluralité de clapets d'entrée et de sortie. Chacune de ces ouvertures 5-8 est contrôlée par un clapet anti-retour, respectivement 9 à 12. Les deux clapets 9,10, respectivement 11,12 de chaque compartiment 3,4 fonctionnent de manière inversée l'un par rapport à l'autre, de sorte que les clapets 9 et 11 permettent à l'air d'entrer dans les compartiments respectifs 3,4, mais l'empêche de ressortir, alors que les clapets 10 et 12 permettent à l'air de sortir de ces mêmes compartiments 3,4, mais pas d'entrer.

Les ouvertures d'admission 5,7 communiquent avec l'atmos- phere, tandis que les ouvertures 6 et 8 débouchent dans un conduit de sortie 13 destine à conduire l'air sous pression dans le conduit trachéal du patient.

La membrane flottante 2, de preference de forme circu- laire, porte une bobine motrice 14 de forme cylindrique. Cette bobine motrice 14 est enroulée sur un cylindre creux 15 en plastique, (figures 1) dont le fond 15a est solidaire de la membrane flottante 2. Deux bras élastiques arques 17,18 en alliage Cu-Be, relient respectivement deux demis disques en cuivre 16a, 16b, disposes entre le fond 15a du cylindre creux 15 et la membrane flottante 2, à deux demis anneaux 19,20. En variante, chacun de ces bras arques 17,18 pourrait aussi être divise en plusieurs bras paralleles. Ces deux bras élastiques 17,18 sont symétriques par rapport au centre de la membrane flottante 2. Les deux demis anneaux 19,20 sont fixes entre deux parties du carter C et sont connectes aux deux poles respectifs d'une source de courant I d'alimentation de la bobine motrice 14.

Ces deux bras 17,18 servent également à centrer 1'equi- page mobile forme par la membrane flottante 2 et la bobine motrice 14 et à guider cet equipage au cours de son déplace- ment.

Cette bobine motrice 14 est disposée dans un entrefer E menage entre un noyau de fer doux 21 et une culasse en fer doux 22 qui sont relies respectivement aux deux poles d'un aimant permanent 23 et formant un moteur électrodynamique où la force magnétique est essentiellement indépendante de la position de la bobine.

Le dispositif de compression comporte encore une diode électroluminescente 24 disposée vis-à-vis d'une surface refle- chissante portée par la membrane flottante 2 et une photodiode 25 destinée à capter la lumière réfléchie par la surface réflé- chissante, en fonction de la position de la membrane flottante 2, dont le déplacement est induit par la bobine motrice 14 en fonction de l'intensité du courant I qu'elle reçoit.

Comme on peut le constater de la description du dispositif de compression décrit ci-dessus, ce dispositif dont Inclement mobile est constitue par la membrane flottante 2 ne comporte aucune autre piece mobile génératrice de frottement mécanique, les seuls frottements étant ceux qui se produisent dans la matière de la membrane flottante 2 et des bras élastiques 17, 18, mais ces frottements entrent dans les constantes du dispo- sitif et sont de très faible valeur.

En plus, le dispositif de compression ne comportant qu'une seule membrane flottante, la masse en mouvement est réduite au minimum de même que 1'émission de bruit. La membrane flottante 2 nécessite une bobine motrice 14 de faible hauteur dans 1'entrefer E, pour que la répartition de la force exercée sur la membrane flottante 2 soit uniforme quelle que soit la position de cette membrane flottante 2. Il faut que entrefer coursebobine + hbobine Une bobine 14 de faible hauteur a aussi l'avantage de di- minuer sa resistance, donc les pertes par effet Joule (RI2), améliorant ainsi le rendement global du dispositif de compres- sion.

Grace au fait qu'avec un tel dispositif de compression, la seule variable, pour une pression de consigne donnée de l'air sous pression fourni au conduit de sortie 13, est le debit demande qui est fonction de l'aspiration ìnstantanée, donc de la depression engendrée par le patient, il devient tout à fait possible de réguler 1'appareil d'assistance respiratoire par un système de boucle ouverte, ce qui permet de réduire entre 5 et 30 fois le temps de réponse par rapport à un système de regulation avec feed-back.

La mesure de debit peut se faire avantageusement en detec- tant la position de la membrane flottante 2, dont la surface peut être réfléchissante ou peut être associée à un element réfléchissant, à l'aide de la diode électroluminescente 24 qui envoie un spot lumineux avec un certain angle d'incidence, par exemple 60° sur la surface réfléchissante, la photodiode 25 recevant la lumière réfléchie par la membrane flottante 2, en

fonction de la position de cette membrane flottante 2. De pre- ference, l'amplitude de la membrane flottante 2 est fixe.

La pression de l'air à la sortie du dispositif de compression doit être : <BR> <BR> <BR> <BR> Paw = #PETT+Pe<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> = R##(t)+R2##2(t)+Pe où : =pression de sortie d'air du dispositif de compression Pe=pression endotrachéale de consigne PETT = perte de charge dans la tubulure de 1'appareil d'assis- tance respiratoire, principalement de la canule d'intubation V(t) = y(t)#S S = surface efficace de la membrane d'ou : #(t) = #(t)#S La loi de Newton appliquée à 1'équipage mobile, soit la bobine motrice 14, la membrane flottante 2, les bras élastiques 17,18 est : <BR> <BR> <BR> <BR> #F = m#a = m##(t)<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> P,,,,(t)#S+BlI(t)+k#y(t)+###(t)=m#(t) en introduisant Paw = R#(t)+R2#2+Pe où : # = frottement interne de la membrane flottante k = constante de ressort du systeme on obtient : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> I(t)=-[(SR#(t)+SR2#2(t)+SPe+k#y(t)+###(t)-m##(t)]<BR> <BR> <BR> Bl équation dans laquelle : V(t) y(t)= S #=#/S<BR> <BR> Y=-<BR> <BR> y=# Soit :

S#Pe<BR> <BR> A part : I(Pe)=, les autres termes de l'équation sont Bl des corrections fonctions du débit, permettant de garder Pe constant quel que soit t et #(t).

Le courant dans la bobine motrice 14 peut être calcule en continu soit par un calculateur analogique soit, avantageu- sement à l'aide d'un processeur de traitement de signal numérique (DSP) ou d'un micro-contrôleur par lequel : B, 1, S, #,k,m sont des constantes de construction connues du respirateur.

R, R2 sont des constantes dependant de la canule introduite dans la trachée du patient. Ces constantes sont entrées dans le systeme de regulation à l'aide d'un clavier et sont déterminées par étalonnage prélimìnaire avant ventilation du patient.

V(t),#(t),#(t) sont calcules sur la base de V(t) = y(t)#S où y(t) est mesure par la photodiode 25.

Pe est la consigne de pression endotracheale dési- rée et introduite dans le système de regulation à l'aide d'un clavier par le médecin.

Le debit instantané et la fréquence instantanée du dis- positif de compression décrit sont variables en fonction de la demande du patient.

Comme illustre par la figure 3, le systeme de regulation pour la mise en ceuvre du procédé objet de l'invention comporte de preference un processeur de traitement de signal numérique DSP dont les entrées sont connectées de manière à recevoir les différentes valeurs entrant dans le calcul de l'intensité du courant d'alimentation de la bobine motrice 14. Les valeurs introduites dans le DSP comportent d'une part des valeurs

numériques, à savoir, les constantes k, 77, m, S, B, l, les valeurs R, R2, Pet d'autre part des valeurs analogiques, celles fournies par la photodiode 25, celle de la mesure du courant d'alimenta- tion en fonction du temps Imes (t) et celle d'un capteur de pression de sécurité Ps, dont le role est de déclencher une alarme si la pression mesurée s'écartait de la valeur de consigne.

Ces valeurs analogiques sont introduites dans un conver- tisseur analogique digital A/D du processeur DSP et le courant d'alimentation de la bobine motrice 14 est généré par un amplificateur bi-directionnel de puissance Amp alimente par une tension de 12 ou de 24 V, dont les entrées sont reliées à la sortie d'un convertisseur digital analogique D/A du processeur DSP, pour moduler l'intensité du courant d'alimentation en fonction de la valeur calculée par le processeur DSP. Celui-ci présente encore deux sorties Sm, Sd qui déterminent le sens de passage du courant dans la bobine motrice 14 et donc le sens de déplacement de cette bobine 14 dans 1'entrefer entre le noyau de fer doux 21 et la culasse de fer doux 22 en fonction de sa position, determinant ainsi l'amplitude de son déplacement dans cet entrefer et jouant en quelque sorte le role de « butées électronique » entre lesquelles la membrane flottante 2 se déplace.