EP1343554A1 - Procede de regulation de pression en boucle ouverte d'un appareil d'assistance respiratoire - Google Patents

Procede de regulation de pression en boucle ouverte d'un appareil d'assistance respiratoire

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EP1343554A1
EP1343554A1 EP01272207A EP01272207A EP1343554A1 EP 1343554 A1 EP1343554 A1 EP 1343554A1 EP 01272207 A EP01272207 A EP 01272207A EP 01272207 A EP01272207 A EP 01272207A EP 1343554 A1 EP1343554 A1 EP 1343554A1
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    • A61M16/00—Devices for influencing the respiratory system of patients by gas treatment, e.g. ventilators; Tracheal tubes
    • A61M16/20—Valves specially adapted to medical respiratory devices
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    • A61M16/201—Controlled valves
    • A61M16/202—Controlled valves electrically actuated
    • A61M16/203—Proportional
    • A61M16/205—Proportional used for exhalation control

Definitions

  • the present invention relates to a method for regulating the pressure in an open loop of a respiratory assistance device supplied by a source of pressurized respiratory gas provided with an electrodynamically controlled adjustment valve, as well as to a respiratory assistance device for implementing this process.
  • the problem encountered with respiratory assistance devices which are called upon to supply a variable air flow at constant pressure is that of the response time. It is indeed necessary to arrive at producing an endotracheal set pressure adjustable by the doctor, which is independent of the instant inspiration flow requested by the patient, the expiration passing through an expiratory valve, the inspiratory valve then being closed.
  • the devices of the first type include a supply of pressurized breathing gas, the flow and pressure of which are regulated by a regulating valve with variable throttle.
  • the devices of the second type do not include a pressurized gas supply, but a pressure compressor and variable flow rates.
  • Existing devices operate with a pressure feed tank, which forces a compromise between the stability of the closed loop system and its response time. The response time of such systems is of the order of 50 to 150 ms, with the response time of the valve which is of the order of 4 to 10 ms.
  • the object of the present invention is to allow the pressure regulation of an open loop respiratory assistance device.
  • the subject of this invention is a process for regulating the pressure in an open loop of a respiratory assistance device supplied by a source of pressurized respiratory gas provided with an electrodynautic regulating valve with variable throttling, according to claim 1. It also relates to a respiratory assistance device according to claim 2.
  • the advantage of this method and of the respiratory assistance device lies in the fact that it suffices to measure the supply pressure and the instantaneous flow rate and to know the set pressure, to supply the driving coil with 1 'solenoid valve, the instantaneous current corresponding to the instantaneous throttle function of the requested instantaneous flow.
  • the accompanying drawing shows, schematically and by way of example, an embodiment of a respiratory assistance device and of the regulation system of this device, for implementing the regulation method which is the subject of the present invention.
  • Figure 1 is a diagram of this embodiment
  • Figure 2 is an enlarged partial view of Figure 1, relating to an adjustment valve.
  • the respiratory assistance device illustrated comprises a source of pressurized respiratory gas SG, an electrovalve EV for regulating the passage section of the pressurized gas and a cannula C intended to be introduced into the trachea of the patient.
  • a sensor measures the pressure P 0 upstream of the solenoid valve EV and another sensor measures the flow rate V.
  • the solenoid valve illustrated in FIG. 2 comprises a seat of section S 0 closed by a valve 1.
  • This valve 1 is suspended by a spring guide 2 with three or more arms fixed to the periphery of the valve seat S 0 .
  • This valve 1 is connected by a piano wire 3 to the bottom 4a of a bellows 4 of section Si substantially identical to section S 0 of the valve seat.
  • valve 1 and the bottom 4a of the bellows 4 are substantially of the same section and are subjected to the pressure Po of the power source, a near equilibrium is established between the action of this pressure Po on the valve 1 and the reaction exerted on the bottom 4a of the bellows, so that the result is:
  • the bellows 4 is very flexible to interfere as little as possible on the mobile system of the solenoid valve.
  • the bottom 4a of the bellows 4 is suspended by a spring guide 5 identical to the spring guide 2.
  • the bottom 4a of the bellows 4 carries a cylindrical coil 6 arranged in an air gap E formed between a soft iron core 7 and a soft iron cylinder head 8 which are connected respectively to the two poles of a permanent magnet 9.
  • This device for actuating the solenoid valve constitutes an electrodynamic motor where the magnetic force is essentially independent of the position of the coil.
  • the cylindrical coil 6 is connected to a current supply / whose instantaneous intensity l (t) is determined as a function of the set pressure and the instantaneous flow rate requested by the patient.
  • the magnetic force on the valve is:
  • V is a flow which can be measured for example with a hot wire anemometer. It would also be possible to measure this flow according to y (t) and ⁇ R and thus save a flow sensor, but the precise function range would be limited. It can therefore be seen that the regulation of the instantaneous opening of the solenoid valve according to the invention can be carried out in an open loop, since the variables entering into the calculation of the instantaneous current l (t) are measurable variables, the other parameters being constants of the respiratory assistance device. So the time to response is that of the valve 1 of the solenoid valve which is of the order of 4 to 10 ms.

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Abstract

Selon ce procédé, on relie d'une part un élément de réglage flottant (1) de la section de passage de ladite valve au corps de ladite valve par des moyens de guidage élastiques (2), d'autre part à une bobine motrice (6) de ladite commande électrodynamique, on exerce sur cet élément de réglage flottant (1) une force de réaction tendant à équilibrer la pression exercée par le gaz de ladite source (SG) et on alimente ladite bobine motrice (6) en calculant en continu l'intensité instantanée I(t) et le sens du courant d'alimentation en fonction de la différence de pression entre la pression d'alimentation PO et la pression de consigne Pe de l'air comprimé, dudit débit instantané et des constantes dudit appareil.

Description

PROCEDE DE REGULATION DE PRESSION EN BOUCLE OUVERTE D'UN APPAREIL D'ASSISTANCE RESPIRATOIRE
La présente invention se rapporte à un procédé de régula- tion de pression en boucle ouverte d'un appareil d'assistance respiratoire alimenté par une source de gaz respiratoire sous pression munie d'une valve de réglage à commande électrodynamique, ainsi qu'à un appareil d'assistance respiratoire pour la mise en œuvre de ce procédé. Le problème rencontré avec les appareils d'assistance respiratoires qui sont appelés à fournir un débit 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 endotrachéale ajustable par le médecin, qui soit in- dépendante du débit d'inspiration instantané demandé par le patient, l'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 alimenta- tion en gaz respiratoire sous pression, dont le débit 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 débits variables. Les appareil existants fonctionnent avec un feed-bac de pression, ce qui oblige à un compromis entre stabilité du système en boucle fermée et son temps de réponse. Le temps de réponse de tels systèmes 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 .
Pour pouvoir travailler en boucle ouverte, il faut tout d'abord trouver un système de régulation travaillant sans frottement mécanique, étant donné qu'il s'agit là d'une variable pratiquement incontrôlable, de sorte qu'il est alors in- dispensable dans un tel cas d' avoir un « feed-back » sous peine de dérives incontrôlables de l'alimentation d'air.
Le but de la présente invention est de permettre la régulation de pression d'un appareil d'assistance respiratoire en boucle ouverte.
A cet effet, cette invention a pour objet un procédé de régulation de pression en boucle ouverte d'un appareil d'assistance respiratoire alimenté par une source de gaz respiratoire sous pression munie d'une valve de réglage électrody- nautique à étranglement variable, selon la revendication 1. Elle a également pour objet un appareil d'assistance respiratoire selon la revendication 2.
L'avantage de ce procédé et de l'appareil d'assistance respiratoire réside dans le fait qu' il suffit de mesurer la pression d'alimentation et le débit instantané et de connaître la pression de consigne, pour fournir à la bobine motrice de 1' électrovalve, le courant instantané correspondant à l'étranglement instantané fonction du débit instantané demandé.
Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un appareil d'assistance respiratoire et du système de régulation de cet appareil, pour la mise en œuvre du procédé de régulation objet de la présente invention.
La figure 1 est un schéma de cette forme d' exécution ; la figure 2 est une vue partielle agrandie de la figure 1, relative à une valve de réglage.
L'appareil d'assistance respiratoire illustré comporte une source de gaz respiratoire sous pression SG, une électrovalve EV de régulation de la section de passage du gaz sous pression et une canule C destinée à être introduite dans là trachée du patient. Un capteur mesure la pression P0 en amont de l' électrovalve EV et un autre capteur mesure le débit V .
Pour permettre de réaliser une régulation en boucle ouverte, il est nécessaire d'éliminer pratiquement les frotte- ments mécaniques, étant donné que ceux-ci ne constituent pas des constantes, ne permettant pas de ce fait une telle régulation.
C'est la raison pour laquelle il est nécessaire de faire en sorte que l' électrovalve fonctionne pratiquement sans frottement mécanique. A cet effet, l' électrovalve illustrée par la figure 2 comporte un siège de section S0 fermée par un clapet 1. Ce clapet 1 est suspendu par un guide ressort 2 à trois bras ou plus fixés à la périphérie du siège de valve S0. Ce clapet 1 est relié par une corde à piano 3 au fond 4a d'un soufflet 4 de section Si sensiblement identique à la section S0 du siège de valve. Etant donné que le clapet 1 et le fond 4a du soufflet 4 sont sensiblement de même section et sont soumis à la pression Po de la source d'alimentation, un quasi équili- bre s'établit entre l'action de cette pression Po sur le clapet 1 et la réaction exercée sur le fond 4a du soufflet, de sorte que la résultante est:
Le soufflet 4 est très souple pour interférer le moins possible sur le système mobile de l' électrovalve. Le fond 4a du soufflet 4 est suspendu par un guide ressort 5 identique au guide ressort 2. Le fond 4a du soufflet 4 porte une bobine cylindrique 6 disposée dans un entrefer E ménagé entre un noyau en fer doux 7 et une culasse en fer doux 8 qui sont reliés respectivement aux deux pôles d'un aimant permanent 9. Ce dispositif d' actionnement de l' électrovalve constitue un moteur électrodynamique où la force magnétique est essentiellement indépendante de la position de la bobine.
La bobine cylindrique 6 est reliée à une alimentation de courant / dont l'intensité instantanée l(t) est déterminée en fonction de la pression de consigne et du débit instantané demandé par le patient.
La loi de Newton sur le clapet de l' électrovalve est : T F = m - a = my(t) R(S0 - S, )- PmSQ - Fmagn + ky(t)+ ηy{t) = my(t) où :
-7 =résistance mécanique du soufflet et des guides ressorts k = constante de ressort du système
Pmt, = RF(t)+ R2 - K2 (t)+ Re où :R, R2 représentent les résistances de la canule à l'écoulement du gaz sous pression Pe est la pression endotrachéale de consigne
La force magnétique sur le clapet est :
F magn = B - l - l(t) quel que soit y(t) d'où le courant de commande :
I(t) = j(P° <So S^-Pm,So + k -y(ή + (ή-my(ή) La pression P0 est mesurée par le capteur de pression d'alimentation, tandis que la pression Paw n'est mesurée que pour des questions de sécurité, mais sa mesure ne serait pas nécessaire dans le cadre du procédé selon l'invention. Etant donné que P0 - S0 ≈ 0 /()=i_[_5o(^.^)+i?2.^(?)+ +^)+^)_^)]
V est un débit qui peut être mesuré par exemple avec un anémomètre à fil chaud. Il serait aussi possible de mesurer ce débit selon y(t) et ΔR et d'économiser ainsi un capteur de débit, mais la plage de fonction précise en serait limitée. On peut donc constater que la régulation de l'ouverture instantanée de l' électrovalve selon l'invention peut s'effectuer en boucle ouverte, étant donné que les variables entrant dans le calcul du courant instantané l(t) sont des variables mesurables, les autres paramètres étant des constantes du dispositif d'assistance respiratoire. Ainsi le temps de réponse est celui du clapet 1 de l' électrovalve qui est de l'ordre de 4 à 10 ms .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de régulation de pression en boucle ouverte d'un appareil d'assistance respiratoire alimenté par une source de gaz respiratoire sous pression (SG) munie d'une valve de réglage (EV) à commande électrodynamique, caractérisé en ce que l'on relie d'une part un élément de réglage flottant
(1) de la section de passage de ladite valve au corps de ladite valve par des moyens de guidage élastiques (2), d'autre part à une bobine motrice (6) de ladite commande électrodynamique, que l'on exerce sur cet élément de réglage flottant (1) une force de réaction tendant à équilibrer la pression exercée par le gaz de ladite source (SG) et que l'on alimente ladite bobine motrice (6) en calculant en continu l'intensité ins- tantanée l(t) et le sens du courant d'alimentation en fonction de la différence de pression entre la pression d'alimentation P0 et la pression de consigne Pe de l'air comprimé, dudit débit instantané et des constantes dudit appareil.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour exercer sur ledit élément de réglage flottant (1) ladite force de réaction tendant à équilibrer la pression exercée par ledit gaz, on forme un second élément flottant (4a) antagoniste que l'on dimensionne pour que la force résultant de la pression dudit gaz exercée sur lui soit sensible- ment égale à celle exercée sur ledit élément flottant (1) , on relie ce second élément flottant (4a) à un conduit dudit gaz par un soufflet étanche (4) et on relie cinématiquement l'un à l'autre lesdits éléments flottants (1, 4a).
3. Appareil d'assistance respiratoire alimenté par une source de gaz respiratoire sous pression munie d'une valve de réglage à entraînement électrodynamique de débit dudit gaz associé à des moyens de commande en boucle ouverte, caractérisé en ce que ladite valve (EV) comporte un équipage mobile comprenant un élément de réglage de débit dudit gaz (1) soumis à la pression de ce gaz et relié au corps de ladite valve par des moyens de guidage élastiques (2), des moyens ((3, 4, 4a) pour transmettre audit élément de réglage (1) une force de réaction au plus égale à celle exercée sur ledit élément de réglage (1) par ledit gaz sous pression et une bobine motrice
(6) engagée dans un entrefer (E) orienté coaxialement à la direction de déplacement dudit équipage mobile et reliée à une source d'alimentation ( I t) ) associée auxdits moyens de comman- de.
4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens (3, 4, 4a) pour transmettre audit élément de réglage (1) ladite force de réaction comportent un soufflet
(4) dont une extrémité communique de façon étanche avec ladite source d'alimentation en gaz sous pression (SG) et dont l'autre extrémité présente un fond (4a) séparant ledit gaz sous pression de l'atmosphère, le fond (4a) dudit soufflet (4) étant disposé vis-à-vis dudit élément de réglage de débit (1), ledit fond (4a) et ledit élément de réglage (1) étant reliés l'un à l'autre par un élément de liaison (3) et en ce que ladite bobine motrice (6) est solidaire de la partie externe dudit soufflet (4) .
5. Appareil selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce ladite bobine motrice (6) et ledit entrefer (E) forment un moteur électrodynamique.
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