CA1026182A - Poumon artificiel - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un poumon artificiel du type dans lequel la pression du sang est supérieure à la pression du gaz oxygéné. Selon l'invention une fraction au moins du courant ga-zeux qui circule dans l'oxygénateur (1) sous l'action d'une pompe (7) est recyclée (en 19). Utilisable en assistance ou suppléance pulmonaire.

Description

1~261~Z
~ a présente invention concerne un poumon artificiel comportant un dispositif de transfert des gaz respiratoires à
membranes semi-perméables, désigné habituellement sous le nom d'oxygénateur de sang et utilisable pour l'assistance ou la sup-pléance pulmonaire ou cardiopulmonaire.
On connait, par l'article publié en 1969 par KO~O~OW
dans Trans, Amer Soc. Artif. Int. Organs. vol XV, pages 172 à
177, un poumon artificiel comportant un dispositif oxygénateur de sang divisé par une membrane en deux compartiments dont l'un est parcouru par le sang à une pression relati~e posltive et l'autre par un courant gazeux contenant de l'oxygène, à une pression re-lative négative; 1'introduction du courant gazeux dans 1'oxygéna-teur s'effectue dans des conditions de température et d'humidité
prédéterminées.
Un tel poumon artificiel peut être équipé de membranes hydrophobes microporeuses qui, grâce à leur permcabililé élevée aux gaz, assurent l'évacuation des bulles de gaz introduites ac-cidentellement dans le sang. Par ailleurs J équipé de membranes non microporeuses, par exemple en élastomères silicones, il permet d'y tolérer des microperforations: elles sont colmatées par le sang (dont la pression est supérieure à celle des gaz~ au lieu de donner accas à des bulles gazeuses.
On sait qu'il est nécessaire de balayer 1'oxygénateur par un débit de gaz oxygéné plusieurs fois supérieur à celui qui serait théoriquement suffisant pour effectuer une simple réoxygé-nation du sang, car l'élimination du gaz carbonique exige que sa tension partielle soit notablement plus faible dans la phase ga-zeuse que dans la phase sanguine. De plus le ga~ doit être porté
à une température et à un degré d'humidité convenables, ce qui ~0 entraine des dépenses d'énergie relativement élevées.
~ e but de la présente invention est de disposer d'un poumon artificiel économique qui présente tous les a~antages du l~Z61~3Z
poumon artificiel cité et qui ne nécessite en outre qu'une faible consommation de gaz et qu'une faible dépense d'énergie.
La présente invention concerne un poumon artificiel comportant un dispositif oxygénateur de sang divisé par au moins une membrane en deux compartiments parcourus, le premier par le sang, le second par un courant gazeux contenant de l'oxygene, ce second compartiment étant relié a un circuit comportant des mo-yens pour porter ledit courant gazeux a une température et a un taux d'humidité prédéterminés et des moyens pour maintenir ledit courant gazeux a l'intérieur dudit oxygénateur a une pression inférieure a celle du sang, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour recycler au moins une fraction dudit courant gazeux.
Par la suite, on désignera par "oxygénateur de sang"
ou plus simplement "oxygénateur" tout dispositif de transfert de gaz respiratoires permettant notamment d'apporter de l'oxygene au sang, et de lui retirer du gaz carbonique.
La compréhension de l'invention sera facilitée par les figures ci-jointes, qui représentent schématiquement et sans échelle déterminée des exemples de réalisation de l'invention.
La figure 1 est le schéma de principe d'un poumon arti-ficiel selon l'invention.
La figure 2 est le schéma partiel d'un mode de réali-sation préfére d'un poumon artificiel selon l'invention.
La figure 3 est la vue en elevation et en coupe par un plan diamétral d'un dispositif conditionneur du courant gazeux bien adapté au poumon artificiel selon l'invention.
Si on se réfere à la figure 1, le dispositif oxygéna-tcur de sang ~1) com~orte au moins unc Incmbranc (2) im~crmcablc au sang et a l'eau et perméable aux gaz, notamment a l'oxygene, au gaz carbonique et a la vapeur d'eau. Cette membrane sépare un premier compartiment (3) parcouru par le sang, d'un deuxieme compartiment (4) parcouru par un courant gazeux contenant de l'oxygene.
l~Z61~Z
~ e sang veineux peut être soutiré du patient par une pompe (5) de type habituel, par exemple péristaltique ou à membra-ne tubulaire et clapet, dite encore "pompe ventriculaire". ~e sang est introduit dans le compartiment (3) d'où il peut être re-pris par une pompe (6), généralement de même type que la pompe (5), qui le refoule dans le réseau artérièl du patient.
A l'intérieur du compartiment (3), il est pratique de maintenir le sang à une pression relative positive (c'est-à-dire supérieure à la pression atmosphérique) par tous moyens connus.
Par exemple, on peut asservir le débit de la pompe (6) à la pres--sion régnant dans le compartiment (3) en agissant, soit sur la vitesse de rotation (pompe péristaltique), soit sur la fréquence des impulsions (pompe ventriculaire~, soit encore sur le volume d'éjection (pour l'un ou l'autre des deux types précédents).
~ e compartiment (4) de l'oxygénateur est parcouru par un courant gazeux à une pression inférieure en tous points à cel-le du sang. ~a pression sanguine étant, dans le compartiment (3), généralement supérieure à la pression atmosphérique, il est commo-de, et préférable au point de vue sécurité, de maintenir dans l'o-xygénateur le courant gazeux à une pression relative négative,c'est-à-dire à une pression inférieure à la pression atmosphéri-que.
Il su~fit pour cela d'admettre à l'entrée du comparti-ment (4) un mélange gazeux à pression inférieure ou sensiblement égale à la pression atmosphérique, et de produire une dépression à la sortie de ce compartiment au moyen d'une pompe à vide, ou de tout autre moyen équivalent tel qu'un éjecteur à gaz (~rompe).
Ainsi, comme montré sur la figure 1, une pompe à vide (7) aspire de l'air ambiant à travers au moins un dispositif de conditionnement (16) qui porte l'air à la température et au degré
d'humidité désiré, puis à travers l~oxygénateur (1). Selon l'in-vention, à la sortie de l'oxygénateur, l'air traverse à nouveau l .~Z61~Z
le dispositif (16) qui fonctionne en échangeur de chaleur, puis à la sortie de la pompe (7), il est divisé en deux fractions dont l'une est rejetée à l'atmosphère-et l'autre est re.nvoyée à l'oxy-genateur par le circuit de recyclage représente sché~atiquement par la ligne (19)~
Comme dispositif d'aspiration du gaz contenu dans l'oxygé.nateur, on utilise de préférence un éjecteur à gaz alimen-té à partir d'une source d'air ou de gaz oxygéné sous pressio.n.
~ ~a figure 2 représente schématiquement un mode de ré-alisation préféré de l'inver.tion. ~e circuit gazeux comprend une source de gaz oxygéné sous pression, par exemple une bouteille d'air ou d'oxygène comprimé (8) munie d'un détendeur (9). ~e dé-te.ndeur es-t relié à l'orifice d'entrée du ~luide moteur d'un éjecteur à gaz (10). ~e fluide moteur est détendu à une pres-sion sensiblement constante et supérieure à la pression atmos-phérique, habituellement entre 1,1 et 6 bars absolus et de pré-férence e.ntre 2 et 4 bars absolus. ~e facteur de dilution, c'est-à-dire le rapport entre le débit gazeux total à la sortie de l'éjecteur au débit du fluide moteur est généralement choisi entre 3 et 10 et de préférence entre 5 et 7, L'éjecteur à gaz peut etre à un ou à plusieurs étage~; un seul étage convient généralement bien.
Comme le débit du gaz moteur est en général supérieur au débit gazeux global trans~éré au sang, il est nécessaire d'é-vacuer l~excès de gaz à l'atmosphère et préférable de mesurer cet excès par un débitmètre auxiliaire (12) a très faible perte de charge.
~e circuit de recyclage comprend ensuite essentielle-ment un débitmètre pri.ncipal (13) et des moyens (18) pour régler le débit recyclé par rapport au débit de fuite; un épurateur (14 (contenant par exemple de la chaux sodée) pour fixer le gaz car-bonique entrainé par le recyclage; éventuellement un mélangeur ~261~Z
-(15) pour l'introduction de fluides anesthésiques ou autres; un dispositif conditionneur (16), humidificateur et échangeur de température; une soupape automatique de sécurité (17) s'ouvrant lorsque la pressicn du courant gazeux s'éleve jusqu'à la pression atmosphérique et disposée par exemple à proximité de l'entrée (11) de l'orifice d'aspiration de l'éjecteur; et des tubulures de liaison reliant ces divers appareils entre eux.
Comme oxygénateur (1), on utilise de préférence un é-changeur gaz-liquide ~ empilement de membranes et de plaques in-tercalaires rainurées, dérivé par exemple de l'appareil décritdans le brevet français n~ 1 597 874, L'oxygénateur (1) est équipé de membranes de perméa-tion aux gaz, c'est-à-dire perméables aux gaz respiratoires et imperméables aux liquides en général et au sang en particulier.
Comme membranes, on utilise de préférence des membranes micropo-reuses ~ pores de diamètres généralement inférieurs à 0,3 microns.
4vantageusement elles sont hydrofuges ou hydrofugées. ~es membra-nes décrites dans le brevet français n~ 1 568 1~0 conviennent par-ticulièrement bien.
Sur les circuit sang on peut utiliser des pompes péris-+altiques, qui sont très peu hémolysantes, par exemple les pompes de types décrits dans les brevets français n~ 1 529 860 et 69.36805. Les canalisations parcourues par le sangsont générale-ment en élastomères silicones de types couramment utilisés pour des circuits sanguins extracorporels, et avantageusement enduites intérieurement par un élastomère silicone non chargé, durci à vo-lume constant.
Les débitmètres (12) et (13) peuvent être de tous ty-pes connus: à palettes, à flotteur, etc... Comme moyen (18) de ~0 réglage du débit de gaz recyclé par rapport au débit de fuite, on utilise généralement une vanne ou un robinet de type connu, par exemple un robinet à pointeau. La connaissance du débit recyclé
lQ261~2 -permet un calcul approché du taux de dilutior. de l'éjecteur à gaz, les débits trans~cré au sang ou retiré du sang étant négligeables par rapport aux débits en (12) et (13).
Une cartouche de chaux sodée (14) fixe le gaz carboni-que. ~a capacité de cette cartouche est généralement comprise entre 0,3 et 3 dm3. Comme il est utile de connaitre la quantité
de gaz carbonique fixé, il est ava.ntageux d'ajouter à la chaux sodée un indicateur de saturation, par exemple un indicateur co-loré. Par une paroi transparente de la cartouche, on peut obser-ver le déplacement du virage de l'indicateur, correspondant à la - saturation progressive de la chaux sodée par le gaz carbonique.
Comme dispositif (15) pour introduire une phase liqui-de ou gazeuse dans le mélange gazeux, on peut utiliser divers dis-positifs de types connus tels qu'un pulvérisateur, une buse de mé-lange, un barboteur, un évaporateur, etc...
Selon l'invention, le dispositif conditionneur (16) fonctionne comme un échangeur thermique parcouru par les courants gazeux en amont et en aval de l'oxygénateur. ~e dispositif condi-tionneur préféré comprend un humidificateur traversé par le cou-rant amont (vers 1'oxygénateur) et un co.nde.nseur traversé par lecourant aval. Avantageuseme.nt l'appareil est calorifugé pcur éli-miner pratiquement toutes pertes calorifiques avec l'ambiance.
Etant donné que, dans l'oxygénateur, le courant gazeux tend à se charger de vapeur d'eau provenant du sang à travers la membrane, il est nécessaire en effet, pour éviter au patient des - pertes d'eau excessives d'humidifier pr~alablement le courant ga-zeux d'alimentation.
Comme humidificateur, on peut utiliser tout dispositif connu, par exemple un dispositif à disques multiples, partielle-ment immergés, tournant à faible vitesse autour d'un axe horizon-tal à l'intérieur d'une enceinte fermée, tel que celui représenté
figure 3.
l~Z6~
Cet humidificateur comprend un axe horizontal (20) sup-portant un empilement de disques verticaux tels que (21) et (22) disposés en chicanes et obligeant le courant gazeux à lécher leur surface Jatérale, Cet ensemble est entrainé en rotatio.n lente par un moteur (33) à l'intérieur d'un boitier cylindrique fermé
étanche t34), muni de tubulure d'entrée (25) et de sortie (26) du courant gazeux, ainsi que d'un tube latéral (27) pour le remplis-sage et le contrôle du niveau de liquide à l'intérieur du boitier.
~ e condenseur est délimité par la paroi latérale du boitier, qui est mu.nie d'ailettes avec perforations en chicanes pour favoriser les échanges thermiques avec l'humidificateur, et par une enceinte périphérique (29), Cette enceinte est munie de tubulures d'entrée (30) et de sortie (31) pour le courant gazeux sortant de l'oxygénateur, ainsi que d'un tube (32) de vidange du condensat.
~ e condenseur permet de récupérer la chaleur later.te de la vapeur sortant de l'oxygénateur et réduit la ~uantité d'eau . qui va se fixer ultérieurement dans l'épurateur (14).
- ~es canalisations reliant le conditionneur (16) à
l'oxygénateur (1) so.nt calo.rifugées ou de préférence munies de moye.ns de chauffage (23) et (24) de tous types connus pour éviter toute condensation ~ leur niveau, compenser le refroidissement dû à la détente du gaz moteur et, le cas échéant, éle~er de quel-ques degrés la température du mélange gazeu~ qui les parcourt.
On peut utiliser par exemple des fils électriques résistants noyés dans la paroi de tubes en élastomères silicones.
~ 'humidificateur est aliment~ par un courant gazeux dont la température est voisine de la température ambiante et généralement comprise entre 20~C et 30~C. On sature d'humidité
~0 ce courant gazeux à la température atteinte dans l'humidificateur grâce aux calories fournies par le condenseur. ~e dispositif de chauffage (2~) permet au mélange gazeux d'atteindre non saturé

Z61~2 l'oxygénateur, à une température voisine de 37~~. Dans l'oxygé-nateur, le mélange gazeux se sature d'humldité en restant à une température senslblement constante. A la sortie de l'oxygénateur le dispositif de chauffage (?4) évite toute condensation dans la canalisation reliant l~oxygénateur au condenseur. Dans le conden-seur, le mélange gazeux abandonne ses calories pour atteindre sen-siblement la température qu'il avait à l'entrée de l'humidifica-teur, soit 20~C à 30~C.
Au lieu de disques à perforations en chicanes, le con-?O ditionneur peut être muni de cloisons hélico~dales dont la partieinférieure présente ~n jeu suffisant pour permettre l'alimenta-tion ou la vidange des liquides contenus.
~ es caractéristiques et avantages de la présente in-vention ressortiront mieux de l'exemple suivant:
Exemple -On utilise un dispositif oxygénateur de sang composéd'un empilement de membranes planes microporeuses de surface uti-le 1 m2 et d'intercalaires du type décrit dans le brevet français n~ 1 597 874. ~e sang forme au contact de la membrane un film d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm. Il se déplace ~ l'aide de deux pompes péristaltiques selon le brevet francais n~ 69.36805, de la veine cave inférieure à l'artère fémorale d'un patient. ~es deux pompes munies de tubes en élastomère silicone, tournent à
la vitesse de 35 tr/~n et maintiennent, à l'intérieur de l'oxygé-nateur, le sang à une pression relative moyenne comprise entre 50 et 200 mm de mercure.
Comme fluide gazeux moteur, on utilise de l'oxygène comprimé que l'on détend à 3 bars. ~'oxygène poursuit sa détente à tra~ers un éjecteur mono-étagé de capacité 1,5 m3/h. ~'oxygène est en grande partie recyclé à tra~ers un circuit bouclé conforme à la figure 2. ~e taux de dilution est compris entre 5 et 7. On mesure le débit recyclé à l'aide d'un débitmètre à palettes et le 1~Z61~32 -débit de fuite à l'aide d'un débitmètre à bille Une soupape s'ouvrant à l'atmosphère pourunepression supérieure à -3 g/cm2 est disposée sur la canalisation de réaspiration à proximité de l'éjecteur. ~lle n'a pas de ressort de rappel et doit être amor-cée à la main en début d'opération et en cas d'incident.
~ e ga2 recyclé traverse successivement une cartouche de chaux sodée avec indicateur coloré (par exemple rouge de méthy-le), un vaporisateur d'anesthésique Goldmann, un dispositif con-ditionneur, avant d'atteindre l'oxygénateur.
I'humidificateur est constitué par 13 disques de dia-mètres 148 et 138 mm alternés tournant à 5 tr/mn, baignant à 10~o dans l'eau. ~e condenseur périphérique comporte 13 ailettes de diamètres 154-198 ~m, avec des orifices en chicane.
Un régime permanent étant établi, le sang circule au débit de 1~0 litre/minute; il entre dans l'oxygénateur avec un taux de saturation en oxyhémoglobine de 65~ et en sort avec un taux de saturation de 90%, correspondant à un transfert en oxygè-ne de 45 millilitres/minute (~PN).
On constate également que le sang entre dans l'oxygé-nateur avec une pression partielle de gaz carbonique de 50 torret en sort avec une pression partielle de 40 torr, correspondant à un transfert de gaz carbonique de 70 millilitres/mn.
~ a consommation de gaz moteur est de 120 l/h (~PN) et l'énergie calorifique dépensée est de 1 kcal/h. Ces derniers chiffres montrent l'économie du poumon artificiel selon l'inven-tion.
g _

Claims (6)

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilege est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Poumon artificiel comportant un dispositif oxygéna-teur de sang divisé par au moins une membrane en deux comparti-ments parcourus, le premier par le sang, le second par un courant gazeux contenant de l'oxygène, ce second compartiment étant relié
à un circuit comportant des moyens pour porter ledit courant gazeux à une température et à un taux d'humidité prédéterminés et des moyens pour maintenir ledit courant gazeux à l'intérieur dudit oxygénateur à une pression inférieure a celle du sang, caractéri-sé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour recycler au moins une fraction dudit courant gazeux.

2. Poumon artificiel selon la revendication 1, carac-térisé en ce qu'il comporte des moyens pour maintenir respecti-vement positive et négative, par rapport a la pression atmosphéri-que, les pressions relatives du sang et du gaz dans l'oxygénateur de sang.

3. Poumon artificiel selon la revendication 2, carac-térisé en ce que dans l'oxygénateur de sang la membrane est micro-poreuse et hydrofuge ou hydrofugée.

4. Poumon artificiel selon la revendication 2, carac-térisé en ce qu'il comporte au moins un éjecteur à gaz dont l'orifice d'entrée de fluide moteur est relié à une source de gaz oxygéné sous une pression supérieure à la pression atmosphé-rique et dont l'orifice de sortie est relié:
a) d'une part à un circuit de recyclage partiel du courant gazeux comprenant au moins un dispositif conditionneur de température et d'humidité, le deuxième compartiment du dispo-sitif oxygénateur de sang et un dispositif échangeur de chaleur incorporé au dispositif conditionneur, b) et d'autre part à un circuit de fuite ouvert à
l'atmosphère.

5. Poumon artificiel selon la revendication 4, carac-térisé en ce qu'il comporte en outre:
a) sur le circuit de recyclage partiel du courant gazeux: un débitmètre, des moyens pour régler la répartition du débit gazeux entre le circuit de recyclage et le circuit de fuite, une cartouche d'absorption du gaz carbonique munie d'un indica-teur de saturation, une soupape de sécurité et des conduits chauffés entre l'oxygénateur de sang d'une part, le dispositif conditionneur et le dispositif échangeur de chaleur d'autre part, b) sur le circuit de fuite, un débitmètre.

6. Poumon artificiel selon la revendication 4, carac-térisé en ce que le dispositif conditionneur comprend un humidifi-cateur du courant gazeux du type à disques multiplex à immersion partielle tournant autour d'un axe sensiblement horizontal et en relation d'échange thermique avec, comme échangeur de chaleur, un condensateur traversé par les gaz issus de l'oxygénateur de sang.