CA1033212A - Dual body rotary peristaltic pump - Google Patents

Abstract

PRECISION OF DISCLOSURE:
Double body rotary peristaltic pump. The bodies of pump have variable internal sections depending on the internal pressure, the section of the first pump body being felt so much to its maximum and that of the second substantially to its minimum for an internal pressure close to atmospheric pressure risk. The peristaltic pump according to the invention can be used for extracorporeal blood circuits.

Description

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La présente demande est une division de la demande princi-pale No 180.739 déposee le 11 septembre 1973, et concerne une pompe péristaltique rotative sans stator, a double corps et à moteur uni-que, utilisable notamment dans un circuit sanguin extracorporel, par exemple dans un dispositif oxygénateur de sang.
~ n connait d~jà des pompes de ce type notamment par les brevets US 3.172.367 du 9 mars 1965 (Nelson G. Kling) et US
3.502.034 du 24 mars 1970 (Robert E. Pickup). Les pompes décrites dans ces brevets sont des pompes doseuses, donc de type volumétrique.
Les pompes péristaltiques ne conviennent pas, en general, pour les circuits sanguins extracorporels car ce caractère volume-trique est associé notamment a une puissance d'aspiration dange-reuse pour le patient. C'est pourquoi on a dû mettre au point des pompes péristaltiques autorégulatrices, à débit et pression d'aspi-ration limités, qui sont décrites notamment dans le brevet fran-çais No. 2.063.677 du 9 juillet 1971.
Dans certains circuits sanguins extracorporels, comme il sera exposé plus loin, il est nécessaire de maintenir la pression du sang à une valeur bien déterminée a l'intérieur d'un appareil de traitement du sang tel qu'un oxygénateur.
Dans ce but, on peut disposer une premiere pompe entre un cathéter de prélevement et l'entrée de l'appareil et une seconde pompe entre la sortie de l'appareil et le dispositif de réinjection.
Les brevets US 2.927.582 du 8 mars 1960 (John W. Berkman et al.) et 3.017.885 du23janvier1962 (Francis Robicskek) décriventde telsensem-bles, dans lesquels les débits des pompes sont commandés par des dispositifs complexes, généralement fragiles et d'un emploi délicat.
La présente invention a pour objet un ensemble de pompa-ge compact, simple, robuste et sûr.
Spécifiquement, elle a pour objet une pompe péristaltique rotative sans stator, à double corps et axe d'entrainement unique, chaque corps de pompe étant constitué par un tube souple, replié

sous tension autour de son rotor et dont le canal présente une sec-tion droite variable régulierement par flexion de la paroi entre . .

~on minimum et son maximum dans un intervalle de pressio~ internes prédeterminees. La pompe p~rist~ltique selon l'invention est ca-ractérisée en ce que, pour une pression interne sensiblement é~ale `à la pression atmospherique, la section droite du premier corps est sensiblement à son maximum et la section droite du second corps est sensiblement à son minimum.
La vitesse du moteur peut etre fixe ou réglable Pour que la pression moyenne du sang, entre deux corps de pompe, reste dans un intervalle predetermine, il est necessaire que la capacite de débit maximum du second corps de pompe soit supérieure à celle du premier. Pour obtenir cette propriete, on peut utiliser pour le second corps de pompe un rotor dont les galets decrivent un cercle de plus grand diamètre que celui du premier corps de pompe, les deux corps de pompe ayant des périmètres internes sensiblement égaux. On peut également utiliser des rotors identiques ou un rotor unique commun aux deux corps de pompes et, dans ce cas, on choisir un second corps de pompe dont la section droite présente un périmètre intérieur supérieur à celui du premier corps de pompe.
Naturellement, on peut combiner ces deux dispositions.
Il est également nécessaire que la capacité de débit minimum utile du second corps de pompe soit inférieure a celle du premier. Pour obtenir cette propriété, on peut donner au second corps de pompe une paroi plus souple ~genéralement plus mince) que celle du premier corps de pompe. On peut donner au canal du second corps de pompe une section droite à surface plus petite que celle du premier, et utiliser par exemple un tube déjà sensiblement aplati en l'absence de contrainte pour le second corps de pompe et unltube section circulaire pour le premier. On peut également combiner forme plate et paroi plus souple, pour le second corps de pompe.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide des figures ci-jointes qui représentent d'une part, schématiquement, sans échelle déterminée un exemple d'emploi de la pompe selon l'in-l~a32~z vention et, d~autre part ! les courbes caractéristiques de la pom-pe utilis~e.
La figure 1 repr~sente la vue sch~matique d ! un circuit extracorporel comprenant une pompe selon l'invention.
La figure 2 represente la courbe caractéristique ~bit/
pression d'un corps de pompe utilisable dans la pompe selon l'in-vention.
La figure 3 représente l'ensemble des courbes caractéris-tiques débit/pression des deux corps de pompes.
En se r~férant à la figure 1, on voit un circuit extra-corporel de sang qui relie un oxygénateur de sang (1) d'un type connu en soi, comportant au moins une membrane (2), au système veino-artériel d'un patient.
Une canule (3) est introduite dans la veine cave infé-rieure en passant par la veine fémorale sectionnée à cet effet. La canule comporte vers son extr~mit~ un renflement non occlusif, constitué par trois branches élastiques radiales (5) qui s'appuient sur les parois veineuses et les maintiennent localement écartées, ce qui dégage l'orifice de la canule.
La canule (3) est reliée à l'entrée de l'oxygénateur (1) par un conduit souple (7) en élastomère silicone, sur lequel est intercalé le premier corps de pompe ~6).
Un conduit souple (11), ~galement en élastomère silicone, relie la sortie de l'oxygénateur de sang (1) à une canule reli~e une prothèse évasée (8) suturée sur l'artère fémorale (9). Sur ce conduit ~11) est disposé le deuxième corps de pompe, (10). Les corps de pompe (6) et (10) sont associ~s à des rotors entrainéls par un moteur (12) au moyen d'un axe commun (repr~senté en pointil-lé).
Une pompe péristaltique auxiliaire (13), reliée au con-duit (7) en amond de (6), permet de drainer le bout periph~rique de la veine (4), d'introduire des quantités compl~mentaires de 10332~Z
sang dans le circuit extracorporel a partir d'une source de sang (16) pour compenser des pertes de sang éventuelles et d'introduire éventuellement des liquides médicamenteux tels que l'h~parine.
Le circuit représenté etant du type veino-arteriel, il est nécessaire de contrôler trois pressions differentes: la pres~
sion sanguine à l'entree du corps de pompe ~6), 1a pression dans lloxygénateur et la pression artérielle du patient, pour les main-tenir aux valeurs souhaitées.
Un manomètre (17) est placé sur le conduit (7), immédia-tement à l'entrée de (6). Comme on le verra par la suite, la connaissance de la pression du sang à l'entrée du corps de pompe (6) permet de connaitre son débit.
Un manomètre (14) permet de controler la pression san-guine dans l'oxygénateur. En outre, un dispositif (21) de prise de la pression artérielle du patient permet de maintenir celle-ci au niveau désiré en agissant au besoin, soit sur le volume sanguin à l'aide du flacon (16) et de la pompe ~13), soit sur les résis-tances vasculaires du patient.
Le sang doit etre injecté au patient à une température voisine de 37 C. Dans ce but, on peut adjoindre au conduit (11) des moyens de réchauffage tels qu'une r~sistance électrique ~18) noyée dans sa paroi.
Des capteurs de temp~rature (19) et ~20) de types connus en soi sont plac~s respectivement en aval et au niveau de l'élé-ment chauffant (18). Le capteur ~19) permet de contrôler ~et éventuellement de réguler) le réchauffage du sang. Le capteur (20) permet d'éviter les surchauffes locales du sang qui pourraient survenir lors d'une diminution ou d'un arrêt momentané de d~bit sanguin.
Ce circuit fonctionne sch~matiquement de la manière suivante: le sang veineux s'écoule depuis la veine cave inférieure, où il est à une pression voisine de la pression atmosphérique, par 1033; :1Z
une canule (3)et le conduit (7) jusqu'au premier corps de pompe (6) Celui-ci entraîne le sang dans l'oxygenateur (1) a une pres-sion suffisante pour vaincre les pertes de charge de llappareil.
Les comp~rtiments de l'oxygenateur r~serv~s au sang sont maintenus pleins et les fims de sang d'épaisseur sensiblement constante, la pression sanguine étant maintenue par le second corps de pompe dans un intervalle prédéterminé indiqué par le manomètre (14). Le sang oxygéné est repris a la sortie de l'oxygénateur par le deu-xième corps de pompe (10) qui l'amene a une pression permettant son injection dans le systeme artériel du patient à travers la prothèse (8), apres un réchauffement convenable dans le conduit (ll). !
Le sang qui circule successivement dans les deux corps de pompe est fourni par les veines du patient: le débit moyen de la pompe doit pouvoir varier de maniere à empêcher toute augmenta-tion de la pression veineuse qui pourrait provoquer des troubles pour le patient (et notamment l'oedème aigu du poumon); pour évi-ter ces troubles, il convient alors d'augmenter le débit des corps de pompes (6) et (10). Au contraire, ce débit doit diminuer si la pression veineuse devient trop faible, afin d'éviter le collapsus des cavit~s veineuses.
La pompe selon l'invention permet d'obtenir ce résultat.
En effet, a vitesse constante, le débit de chacun des corps de pOmpe est fonction de la pression du sang a l'entrée, ce qui appa-rait clairement sur la courbe caract~ristique d~bit/pression d'as-piration d'un corps de pompe, représentée figure 2.
On voit que, pour une pression de fonctionnement P a l'entrée du tube constituant le corps de la pompe, comprise entrè
deux valeurs limites, P et PM, la pompe fournit un débit QA com-0 pris entre deux valeurs limites, Q et Q ; le debit Q étant, dansm M A
cet intervalle, sensiblement proportionnel a la pression a l'en-A

. _ 5 _ 1033ZlZ
Dans la suite de la description, on désignera par P et m P respectivement la pression minimum utile et la pression maximum utile fi l'entrée du corps de pompe, De meme, Q et QM seront res-pectivement les débits minimum utile et maximum utile correspon-dants.
Le debit minimum utile Q est obtenu lorsque la pression m l'entrée est assez faible pour que le tube se collabe, ses parois opposées venant s'appliquer l'une contre l'autre; la section du tube prend la forme d'une haltère. Au delà, la section du tube s'aplatit davantage, mais sous l'effet de pressions d'aspiration à l'entrée du corps de pompe beaucoup plus faibles, ce qui corres-pond a un rapide changement de pente de;la courbe.
Le débit maximum utile QM estlobtenu lorsque la pression à l'entrée du corps de pompe est assez forte pour que le tube pren-ne une section droite circulaire. Au delà, le tube ne peut que se dilater, ce qui nécessite des pressions considérablement plus élevées et correspond également à un rapide changement de pente de la courbe.
Dans le circuit extracorporel de sang représenté figure 1, ie débit du corps de pompe 16) varie, pour un niveau donné de (6) par rapport au point de pr~lèvement ~3), selon la pression veineuse. Comme la pression veinéuse au niveau de ~3) est voisine de la pression atmosphérique, et comme la pression du sang à
l'entr8e du corps de pompe ~6) en diff~re par la perte de charge du conduit intermédiaire ~7), compensée en partie par la différen-ce de niveau entre la canule ~3) et le corps de pompe ~6), elle est g8n8ralement inférieure a la pression atmospherique. Aussi choisit-on un corps de pompe (6) dont la courbe caractéristi~ue d6bit/
pression s'étend dans une zone de pressions de pr~férence infé-rieures a la pression atmosphérique. Sur la figure 3 est portéela courbe caractéristique du corps de pompe (6). La zone utile de la courbe est comprise entre le points B et B , les pressions m M

. . .

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utiles extrêmes correspondantes P et P sont par exemple dans m6 J~16 ce cas toutes deux in~rieures à la pression atmospherique (point 0, d'abscisse nulle). Le débit est proportionnel à la pression et à la vitesse de rotation du rotor associe au corps de la pompe (6).
Il est avantageux $ue la pression maximum utile PM6 soit faiblement inférieure à la pression atmosphérique, généralement moins de 20 mm de mercure et de préf~rence moins de l0 mm de mer-cure au dessous de la pression atmosph~rique. On réalise cette condition avec un corps de pompe formé d'un tube à parois minces qui présente au repos une section droite circulaire; cette section utile est maximum et permet un débit maximum utile ~-M6. Pour une pression du sang P6 à l'entrée du corps de pompe (6) comprise entre P 6 et PM6 et inférieure à la pression atmosphérique, le tube a une section droite sensiblement elliptique, de surface inférieure à
celle de la section droite circulaire de même périmètre, corres-pondant à un débit Q6. Lorsque la pression P6 devient ~gale à
la pression minimum utile P 6~ le tube s'aplatit encore et sa sec-tion droite devient presque nulle: le débit se réduit au débit minimum utile Qm6.
Le second corps de pompe ~l0), étant monté en série avec le premier corps de pompe ~6), fournit rigoureusement le m8me d~bit moyen. ~e d~bit de (l0) est donc imposé par celui de ~6), lui-même dépendant de la pression veineuse.
La pompe ~6, 12, 10) est généralement disposée sensible-ment aù même niveau que l'oxygénateur. L'ensemble constitué par la pompe et l'oxygénateur est en g~néral placé en dessous du pa-tient, à un niveau réglable, pour compenser en partie les pertes de charge en amont de (6) et ainsi ajuster le débit sanguin à la valeur moyenne désirée.
Il est nécessaire de maintenir la pression du sang dans l'oxygénateur dans un intervalle de pressions prédéterminé poùr permettre au film de sang de conserver une épaisseur sensiblement - 1033~1Z
constante au contact des membranes et un gradient de pression contrôl~ a travers l'~paisseur des membranes.
Ainsi pour un oxyg~nateur de sang constitu~ par un em- -pilement alterné de membranes et d'intercalaires, on peut choisir de maintenir dans cet oxygenateur la pression relative du sang, mesur~e a l'aide du manometre (14), dans un intervalle pr~d~termine, par exemple compris entre O et 200 mm de mercure au dessus de la pression atmosphérique.
En effet, si on maintient dans cet oxygénateur la pres-sion de l'oxygène au dessous de la pression atmosphérique, la dif-férence de pression entre le sang et l'oxygene reste toujours po-sitive, ce qui permet l'utilisation de membranes microporeuses débit gazeux élevé. Les membranes décrites dans le brevet fran-çais 1.568.130 conviennent particulierement bien dans ce but. De plus, le maintien de cette différence de pression permet d'~viter que les membranes se collent l'une a l'autre par accident, collage difficilement réversible.
Si au contraire la pression du sang est trop supérieure ~ celle de l'oxygene, par exemple de l'ordre de 800 mm de mercure, le sang risque de rompre la membrane ou de vaincre son hydrophobie et de la traverser.
La pression du sang dans l'oxyg~nateur peut ~tre mainte-nue dans un intervalle choisi à l'aide d'un corps de pompe ~10) dont la courbe caractéristique débit/pression s'étend dans une zone de pressions essentiellement sup~rieures ~ la pression atmos-phérique. Sur la figure 3 est portée la courbe caract8ristique d'un corps de pompe (10). La zone utile de la courbe est comprise entre les points C et CM, les pressions extrêmes utiles corres-pondantes P et P sont par exemple dans ce cas toutes deuxmlO M10 supérieures à la pression atmosphérique.
Il est avantageux que la pression minimum utile P 10 soit égale ou faiblement sup8rieure a la pression atmosphérique, 1(~33ZlZ
g~n~ralement moins de 20 mm cle mercure et de préférence moins de 10 mm au-dessus ~e la pression atmosph~rique. On réalise cette condition avec un corps de pompe constitu~ par un tube qui pre-sente au repos une section droite aplatie: cette section droite est quasi-minimum et permet un d~bit utile minimum Q 10- Le tube (10) est a parois assez minces pour que le débit maximum utile QM10 soit atteint pour une pression maximum utile PMlo, genérale-ment inférieure à 200 mm de mercure au dessus de la pression at-mosph~rique et de préf~rence de l'ordre de 50 mm de mercure.
Ainsi, pour tout débit impos~ par le corps de pompe (6), le corps de pompe (10) aura une section plus ou moins aplatie, correspon-dant a des pressions, à la sortie de l'oxygenateur, comprises en-tre 0 et par exemple 50 mm de mercure au dessus de la pression at-mosphérique. La pression maximum à l'entrée de l'oxygénateur dépenddes pertes de charge dans ce dernier, généralement inférieu-res à 100 mm de mercure pour de débits de sang de l'ordre de 600 millilitres/minute dans un oxygénateur de surface 0,5 m2.
L'exemple ci-après illustre une pompe selon l'invention et les modalités de son utilisation.
EXEMPLE
Une pompe à double corps comprend un moteur (12), à
vitesse r~glable entre 0 et 40 tours/mn, qu'entraine un arbre sur lequel sont montés deux rotors. Ces rotors portent chacun trois galets dont la périphérie décrit un cercle de diamètre 190 mm.
Sur le premier rotor le premier corps de pompe (6) est constitué
d'un tube en élastomère silicone, de diam8tre extérieur 20 mm, diam8tre intérieur 15,8 mm, section droite circulaire. Sur le second rotor le second corps de pompe (10) est constitu~ d'un tube à section droite elliptique en l'absence de toute contrainte, grand axe intérieur 24 mm, petit axe intérieur 4mm, dont le péri-mètre correspond à celui d'un tube à section droite circulaire de ~amètre intérieur 16,8 mm et de diam~tre ext~rieur 20 mm.

_ g _ Cette pompe est branchce comme decrit sur la figure 1, l'oxyg~nateur (1) ayant une surface de membrane égale à 3m2. On règle le d~bit de sang a une valeur moyenne de 2 litres/minute, la pxession du sang dans l'oxygenateur étant maintenue par la pompe elle-même dans un intervalle de 50 a 150 mm de mercure.
Ce dispositif permet d'obtenir des transferts moyens de 130 ml/mn pour l'oxygène et de 150 ml/mn pour le gaz carbonique. Après 52 heures de suppléance cardiopulmonaire subtotale sur un adulte, on n'observe qu'un taux d'hémolyse inférieur à 0,5%.

Claims

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiquée, sont définies comme il suit:
1, Pompe péristaltique rotative sans stator, à double corps et à double rotor à axe d'entrainement unique, chaque corps de pompe étant constitué par un tube souple, replié sous tension autour de son rotor et dont le canal présente une section droite variable régulièrement par flexion de la paroi entre son minimum et son maximum dans un intervalle de pressions internes prédéter-minées, caractérisée en ce que, pour une pression interne sensi-blement égale à la pression atmosphérique, la section droite du premier corps est sensiblement à son maximum et la section droite du second corps est sensiblement à son minimum.

2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section droite du premier corps est à son maximum et la section droite du second corps est à son minimum dans un intervalle de plus à moins 20 mm de mercure par rapport à la pression atmos-phérique.

3. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit intervalle est de plus à moins 10 mm de mercure par rap-port à la pression atmosphérique.

4. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la capacité de débit maximum du second corps est supérieure à
la capacité de débit maximum du premier corps.

5. Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que le rotor autour duquel est replié le second corps porte des ga-lets décrivant un cercle de plus grand diamètre que celui du premier corps, les deux corps de pompe ayant des périmètres intérieurs sensiblement égaux.

6. Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que les deux corps de pompe sont replies autour de rotors identiques, le second corps présentant un périmètre intérieur supérieur à celui du premier corps.

7. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la capacité de débit minimum du second corps est inférieure à
la capacité de débit minimum du second corps.

8. Pompe selon la revendication 7, caractérisé en ce que le second corps présente une paroi plus souple que celle du premier corps.

9. Pompe selon la revendication 7, caractérisée en ce que le canal du second corps présente une section droite à surface plus petite que celle du premier corps.

10. Pompe selon les revendications 7, 8 ou 9, caracté-risée en ce que le second corps est constitué par un tube sensible-ment aplati en l'absence de contrainte et le premier corps par un tube à section circulaire.

11. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un moteur à vitesse réglable entre 0 et 40 tours/
mn, un arbre entrainé par ledit moteur, deux rotors montés sur ledit arbre, portant chacun trois galets dont la périphérie décrit un cercle de 190 mm, et deux corps de pompe repliés respectivement autour de chaque rotor, le premier corps étant constitué par un tube en élastomère silicone présentant une section droite circulai-re de diamètre extérieur 20 mm et de diamètre intérieur 15,8 mm, et le second corps étant constitué par un tube en élastomère silicone présentant une section droite elliptique en l'absence de contrainte, dont le périmètre correspond à celui d'un tube à

section droite circulaire de diamètre extérieur 16,8 mm et de diamètre extérieur 20 mm.

12. Pompe selon la revendication 11, caractérisée en ce que le second corps est constitué par un tube présentant une section droite elliptique de grand axe intérieur 24 mm et de petit axe intérieur 4 mm.

13. Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que les deux corps de pompe sont repliés autour d'un rotor commun, le second corps présentant un périmètre intérieur supé-rieur à celui du premier corps et une section droite intérieure plus petite que celle du premier corps.