FR3120535A3

FR3120535A3 - Installation de fourniture de gaz médical avec unité de décomposition de protoxyde d’azote

Info

Publication number: FR3120535A3
Application number: FR2102272A
Authority: FR
Inventors: Thierry BOULANGER
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: FR3120535B3

Abstract

Titre de l’invention Installation de fourniture de gaz médical avec unité de décomposition de protoxyde d’azote L’invention concerne une unité de décomposition (1) de protoxyde d’azote (N2O) et installation de fourniture d’un mélange gazeux N2O/O2 comprenant une source de gaz (3) contenant du protoxyde d’azote et de l’oxygène, un circuit patient (23) alimenté par la source de gaz (3), un réservoir de gaz 24 en communication fluidique avec le circuit patient (23), une interface respiratoire (21) alimentée par le circuit patient (23), et une unité de décomposition (1) du N2O selon l’invention, reliée fluidiquement à l’interface respiratoire (21). Figure de l’abrégé : Fig. 2

Description

Installation de fourniture de gaz médical avec unité de décomposition de protoxyde d’azote

La présente invention concerne une unité, c'est-à-dire un dispositif ou un appareil, de décomposition de protoxyde d’azote (N₂O) pour convertir le N₂O se trouvant dans les gaz expirés par un patient ayant inhalé un mélange gazeux contenant N₂O et O₂, et une installation de fourniture de gaz médical, à savoir d’un mélange gazeux N₂O/O₂, à un patient comprenant une telle unité de décomposition de N₂O.

Le protoxyde d’azote ou N₂O est un gaz thérapeutique couramment utilisé pour traiter des patients du fait de ses propriétés analgésiques (i.e. réduction de la douleur) et anxiolytiques (i.e. réduction du stress). De plus, le N₂O ne présente pas de toxicité et conduit à des effets secondaires (quasi)inexistants et n'est, par ailleurs, pas métabolisé.

Le N₂O est généralement administré aux patients, via un masque respiratoire ou analogue, à concentration élevée, typiquement à une concentration de 50% à 70% (% molaire), le reste étant de l'oxygène.

Le N₂O n’est pas métabolisé. Sa concentration dans les gaz expirés par les patients est donc égale à celle inhalée. Dès lors, en l’absence de récupération du N₂O expiré, celui-ci se retrouve dans la pièce, i.e. la salle de soins, où se trouve le patient et les personnels soignants y sont exposés de manière passive.

Or, une exposition prolongée au N₂O peut affecter la santé des personnels soignant conduisant à des troubles divers, notamment de leur système reproductif.

Il est donc recommandé de récupérer le N₂O expiré par les patients.

Pour ce faire, différents systèmes ou procédés ont été proposés ;

Ainsi, il existe un système dit de « piégeage » qui aspire les gaz expirés par les patients pour les rejeter ensuite dans l’atmosphère. Si un tel système est efficace, il est peu répandu et a en outre un impact environnemental négatif car le N₂O participe à l’effet de serre.

Il existe par ailleurs des systèmes d’élimination du N₂O par adsorption permettant de capter le N₂O présent dans les gaz expirés, comme WO-A-2009/095601, WO-A-2009/095605 et EP-A-2139586. Ils ne sont pas idéaux car nécessitent une récupération et un recyclage du N₂O adsorbé, donc une logistique non négligeable.

Les systèmes les plus efficaces sont basés sur une décomposition sur site du N₂O présent dans les gaz expirés en composés inoffensifs, typiquement de l’azote et de l’oxygène, qui peuvent être rejetés ensuite à l’atmosphère. Ainsi, WO-A-02/26355, US-A-4259303 et WO-A-99/25461 proposent d’opérer une destruction du N₂O par catalyse. Cependant, ces systèmes catalytiques sont peu répandus, notamment du fait de leur encombrement et de leur poids trop importants, donc peu compatibles avec l’environnement hospitalier.

Dans ce contexte, le problème est dès lors de proposer un système amélioré de décomposition du protoxyde d’azote (N₂O) présent dans les gaz expirés par un patient.

La solution concerne alors une unité de décomposition de protoxyde d’azote (N₂O) comprenant :

un conduit principal de gaz pour convoyer un gaz contenant du N₂O expiré par un patient,
une pompe comprenant une entrée de gaz et une sortie de gaz, l’entrée de gaz de la pompe étant en communication fluidique avec le conduit principal de gaz,
un réacteur catalytique en communication fluidique avec la sortie de gaz de la pompe, et
des moyens de pilotage à microprocesseur.

De plus :

un réservoir de gaz à volume variable en communication fluidique avec le conduit principal de gaz est agencé en amont de la pompe,
un capteur de distance coopère avec le réservoir de gaz à volume variable pour opérer plusieurs mesures successives de la distance (D) séparant le capteur de distance du réservoir de gaz, et
les moyens de pilotage sont configurés pour :

traiter les signaux de mesures successives de la distance (D) fournis par le capteur de distance et en déduire un volume expiratoire (Vexp) pendant un intervalle de temps (dt) correspondant à la durée d’une expiration d’un patient (P),
déterminer une fréquence respiratoire (FR) du patient correspondant à la durée entre deux expirations successives du patient, et
déterminer à partir du volume expiratoire (Vexp) et de la fréquence respiratoire (FR), un volume minute (VM) du patient, et
contrôler la pompe en fonction du volume minute (VM) du patient.

Dans le cadre de la présente invention :

le terme « unité » est équivalent des termes « dispositif », « appareil » ou « système ».
« un capteur X agencé dans ou sur un conduit Y » signifie que le capteur X est agencé de manière à ce que la mesure qu’il effectue, par exemple une mesure de débit de gaz, se fasse dans le conduit Y.
le terme « pompe » désigne tout dispositif permettant d’aspirer du gaz et de le restituer à une pression supérieure.
les termes « réacteur catalytique » désigne tout dispositif, appareil ou système conçu et configuré pour opérer une conversion catalytique de N₂O en N₂et O₂.

Selon le mode de réalisation considéré, l’unité de décomposition de protoxyde d’azote de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes:

le réservoir de gaz comprend un volume interne apte à varier, i.e. augmenter ou diminuer, en fonction de la quantité de gaz qui s’y trouve, c'est-à-dire à se gonfler ou se dégonfler.
le réservoir de gaz comprend une paroi déformable/flexible.
le capteur de distance est un capteur de temps de vol comprenant un émetteur de signal et un récepteur de signal.
l’émetteur de signal du capteur de distance est configuré pour émettre un signal lumineux.
le récepteur de signal est configuré pour recevoir un signal lumineux.
l’émetteur de signal du capteur de distance comprend une diode laser et le récepteur de signal comprend une photodiode.
l’émetteur de signal du capteur de distance est configuré pour émettre un signal en direction d’une région de paroi du réservoir de gaz à volume variable, de préférence un signal lumineux
la région de paroi du réservoir de gaz est configurée pour renvoyer le signal en direction du récepteur de signal du capteur de distance, de préférence un signal lumineux.
les moyens de pilotage sont configurés pour déclencher un compteur temporel en réponse à une détection d’un début d’expiration du patient à partir d’un traitement des signaux de mesures de distance D fournis par le capteur de distance OK ??
les moyens de pilotage, en particulier l’unité de contrôle, sont configurés pour corréler les distances D mesurées en volumes de gaz correspondants, en particulier au moyen d’au moins une table de correspondance, d’une formule de calcul ou analogue.
elle comprend en outre un premier capteur de débit agencé dans le conduit principal de gaz entre le réservoir et la pompe.

la pompe comprend un moteur électrique.
le conduit principal de gaz comprend une entrée de gaz formant l’entrée de gaz de l’unité de décomposition de protoxyde d’azote ou en communication fluidique avec l’entrée de gaz de l’unité de décomposition de protoxyde d’azote.
elle comprend un conduit d’air relié fluidiquement, d’une part, à l’atmosphère par un orifice d’entrée d’air et, d’autre part, au conduit principal entre l’entrée de l’unité de décomposition de protoxyde d’azote et/ou du conduit principal de gaz, et la pompe.
le conduit d’air est relié fluidiquement au conduit principal entre le premier capteur de débit et la pompe.
le conduit d’air comprend une électrovanne proportionnelle et un deuxième capteur de débit.
l’électrovanne proportionnelle est agencée entre l’orifice d’entrée d’air et le deuxième capteur de débit.
le premier capteur de débit et le deuxième capteur de débit sont des capteurs de débit massiques.
les moyens de pilotage comprennent (au moins) une carte de commande électronique et une unité de contrôle à microprocesseur, typiquement un microcontrôleur.
les moyens de pilotage pilotent, i.e. commandent, l’électrovanne proportionnelle et la pompe.

les moyens de pilotage pilotent l’électrovanne proportionnelle et la pompe en réponse à des mesures de débit opérées par le premier capteur de débit et/ou le deuxième capteur de débit, et les mesures de distance opérées par le capteur de distance.
les mesures opérées par les capteurs (i.e. signaux de mesure) sont transmises auxdits moyens de pilotage.
elle comprend un réchauffeur de gaz agencé entre la pompe et le réacteur catalytique.

le réchauffeur de gaz est configuré pour, i.e. conçu pour, chauffer le gaz à une température suffisante pour permettre une conversion catalytique du N₂O au sein du réacteur catalytique, par exemple une température comprise entre 300 et 500°C environ.
le réchauffeur de gaz alimente le réacteur catalytique en gaz chauffé.
le réacteur catalytique contient au moins un catalyseur permettant une conversion catalytique du N₂O en N₂et O₂.
le catalyseur est choisi parmi les composants métalliques, type métaux nobles comme le Rhodium.
elle comprend en outre un échangeur thermique agencé en aval du réacteur pour refroidir le gaz sortant du réacteur à une température acceptable, c'est-à-dire inferieure a 35°C.
elle comprend en outre un conduit d’évacuation agencé en aval de l’échangeur thermique et en communication fluidique avec l’atmosphère pour convoyer et rejeter dans l’atmosphère le gaz après refroidissement au sein de l’échangeur thermique.
elle comprend en outre une carcasse externe.
la carcasse comprend l’entrée de gaz de l’unité de décomposition du N₂O.
elle comprend en outre des moyens d’alimentation électrique fournissant du courant électrique aux composants en ayant besoin pour fonctionner, en particulier à la carte électronique, à la pompe, à l’électrovanne, aux capteurs…
le circuit d’évacuation de gaz comprenant un orifice de sortie permettant d’évacuer à l’atmosphère les composés N₂et O₂issus de la conversion catalytique.
le circuit d’évacuation de gaz est relié fluidiquement à une sortie d’évacuation du réacteur catalytique.
la carcasse comprend la sortie d’évacuation du réacteur catalytique.
le réservoir de gaz gonflable et déformable a une contenance en gaz supérieure au volume correspondant au volume de gaz contenu dans une expiration du patient.

L’invention concerne aussi une installation de fourniture d’un mélange gazeux N₂O/O₂comprenant :

une source de gaz contenant du protoxyde d’azote (N₂O) et de l’oxygène (O₂), de préférence contenant un mélange gazeux N₂O/O₂au moins 50% de N₂O,
un circuit patient alimenté par la source de gaz,
un réservoir de gaz en communication fluidique avec le circuit patient,
une interface respiratoire alimentée par le circuit patient,
et une unité de décomposition du N₂O selon l'invention, reliée fluidiquement à l’interface respiratoire.

Selon le mode de réalisation considéré, l’installation de fourniture de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

la source de gaz de protoxyde d’azote est une bouteille de gaz contenant un mélange gazeux équimolaire de N₂O et de O₂, i.e. 50%/50% (mol%).
l’interface respiratoire est typiquement un masque facial.
la bouteille de gaz est équipée d’un robinet à détendeur intégré (RDI).
la bouteille de gaz est équipée d’un robinet configuré pour permettre un réglage par l’utilisateur d’un débit de gaz donné entre 1 et 20 L/min, typiquement entre 2 et 15 L/min.
la bouteille de gaz est équipée d’un robinet, tel un RDI, protégé par un capotage de protection rigide agencé autour dudit robinet.
le circuit patient comprend un tuyau flexible.
le circuit patient relie fluidiquement un port d’entrée de gaz de l'interface respiratoire à la source de gaz.
le mélange N₂O/O₂pénètre dans l’interface respiratoire via le port d’entrée de gaz de l'interface respiratoire.
un port de sortie est aménagé dans l’interface respiratoire par lequel le gaz expiré par le patient peut ressortir de l’interface respiratoire.
un circuit expiratoire est relié fluidiquement au port de sortie de l’interface respiratoire et par ailleurs, au conduit principal de l’unité de décomposition du N₂O.
le circuit expiratoire comprend un conduit de gaz, en particulier un conduit flexible.

L’invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante, faite à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :

schématise une installation de fourniture d’un mélange gazeux N₂O/O₂selon la présente invention,

schématise l’architecture d’une unité de décomposition du N₂O selon la présente invention,

à schématise le fonctionnement du capteur de distance De l’unité de décomposition du N₂O de ,

représente les débits de gaz traités par une unité de décomposition du N₂O selon la présente invention, telle schématisée en ,

représente, à titre comparatif, les débits de gaz traités par une unité de décomposition du N₂O analogue à celle de la mais dans laquelle le réservoir, le capteur de distance et le premier capteur de débit ne sont pas présents.

schématise un mode de réalisation d’une installation de fourniture d’un mélange gazeux N₂O/O₂selon la présente invention comprenant une source de gaz 3, un circuit patient 23, un réservoir de gaz 24, une interface respiratoire 21 et une unité de décomposition 1 du N₂O.

La source de gaz 3, telle une bouteille de gaz 30, contient un mélange gazeux N₂O/O₂qui y est stocké sous pression (jusqu’à 170 bar abs par exemple) sous forme d’un (pré)mélange équimolaire par exemple de 50% N₂O / 50% O₂de qualité médicale (% molaire). Bien entendu, le mélange N₂O/O₂peut avoir une autre composition, notamment une proportion de N₂O inférieure à 50%.

La bouteille de gaz 30 est équipée d’un robinet à détendeur intégré 31 (RDI) permettant un réglage par l’utilisateur d’un débit de gaz donné, typiquement entre 2 et 15 L/min. De préférence, une alimentation constante en gaz est délivrée par la source de gaz 3. Elle est réglée par l’utilisateur pour répondre à la ventilation minute du patient P, par exemple à 10 L/min.

Le circuit patient 23, tel un tuyau flexible, relie fluidiquement le port d’entrée 22 de l'interface respiratoire 21 à la source de gaz 3, c'est-à-dire la bouteille de gaz 30. Le patient P respire le mélange gazeux N₂O/O₂au sein de l’interface respiratoire 21, par exemple un masque nasal ou facial (i.e. bucco-nasal), qui est alimentée par le circuit patient 23.

Le circuit patient 23 comprend par ailleurs un réservoir de gaz 24, en communication fluidique avec le circuit patient 23, et servant de réserve de gaz au patient P.

Lorsque le patient P respire, le réservoir de gaz 24 satisfait la demande instantanée du patient P en lui fournissant au moins une partie du gaz qu’il contient, alors qu’à l’inverse, lorsque le patient P expire, le réservoir de gaz 24 est rempli à nouveau avec du gaz frais, i.e. mélange gazeux N₂O/O₂, provenant de la bouteille 30 et acheminé par le circuit patient 23.

Par ailleurs, le gaz expiré par le patient P ressort de l’interface respiratoire 21 par un port de sortie 25 aménagé dans l’interface respiratoire 21, avant d’être récupéré et convoyé par un circuit expiratoire 10, tel un conduit de gaz, connecté fluidiquement à l’interface respiratoire 21.

Ce gaz expiré est riche en N₂O, c'est-à-dire qu’il contient une forte teneur en N₂O (i.e. environ 50% ici), puisque le N₂O n’est pas métabolisé par le patient P.

Le circuit expiratoire 10, tel un tuyau flexible, achemine ce gaz expiré riche en N₂O jusqu’à une unité de décomposition 1 du N₂O, au sein de laquelle le N₂O est converti par catalyse en O₂et N₂. L’unité de décomposition 1 est détaillée ci-après.

En sortie de l’unité de décomposition 1 du N₂O, c’est-à-dire dans le circuit d’évacuation 11, la quantité de N₂O est négligeable, c'est-à-dire de l’ordre de quelques parties par million en volume (ppmv). Les composés résultant de la catalyse, typiquement O₂et N₂, sont évacués vers l’atmosphère par le circuit d’évacuation 11.

schématise un mode de réalisation de l’unité de décomposition 1 du N₂O selon la présente invention, utilisable dans l’installation de fourniture de mélange gazeux N₂O/O₂de la .

L’unité de décomposition 1 comprend des moyens de pilotage 150, 151, telle une carte 150 de commande électronique et une unité de contrôle 151 à microprocesseur, typiquement un microcontrôleur. Tous les éléments électromécaniques de l’unité de décomposition 1 du N₂O sont alimentés électriquement et commandés par les moyens de pilotage 150, 151. Les moyens de pilotage 150, 151 sont eux-mêmes alimentés électriquement par une source de courant électrique (non montrée), par exemple une liaison au courant du secteur de type cordon électrique et prise de raccordement, ou une (ou des) batterie d’alimentation électrique, de préférence rechargeable.

La carte de commande 150 intègre préférentiellement l’unité de contrôle 151 et est configurée pour commander le fonctionnement d’une pompe 120 et par ailleurs analyser les signaux provenant des différents composants de l’unité de décomposition 1 du N₂O, tels que vannes 111, pompe 120, capteurs 104, 102… La carte de commande 150 et les autres composants de l’unité de décomposition 1 sont agencés dans une carcasse 15 externe rigide, par exemple en polymère.

Plus précisément, l’unité de décomposition 1 du N₂O comprend un conduit principal 100 qui est relié fluidiquement au circuit expiratoire 10 pour recueillir le gaz expiré par le patient qui est convoyé par le circuit expiratoire 10. Le circuit expiratoire 10 vient se raccorder fluidiquement au conduit principal 100 via un système de raccordement comprenant par exemple des connecteurs réciproques de type mâle/femelle permettant d’assurer une connexion mécanique et fluidique.

L’entrée du gaz riche en N₂O expiré par le patient se fait dans la portion amont ou portion d’entrée du conduit principal 100. Le conduit principal 100 véhicule le gaz riche en N₂O expiré par le patient qui contient une forte teneur en N₂O, par exemple 50% de N₂O, car le N₂O n’est pas métabolisé, ainsi que d’autres composés gazeux, par exemple du CO₂, de la vapeur d’eau (H₂O), de l’oxygène, de l’azote....

Par ailleurs, en aval de l’entrée de gaz du conduit principal 100, est agencé un réservoir de gaz 103 venant se raccorder fluidiquement au conduit principal 100, via un conduit de liaison 102, ainsi qu’un capteur de débit, appelé premier capteur de débit 104, agencé sur le conduit principal 100, en aval du réservoir de gaz 103.

Le réservoir de gaz 103 déformable est par exemple un ballon flexible à paroi déformable, par exemple en polymère, telle de la silicone ou analogue.

Le premier capteur de débit 104 permet de mesurer le débit du gaz circulant dans le conduit principal 100 en direction de la pompe 120. Les signaux de mesure de débit sont transmis aux moyens de pilotage 150, 151.

Autrement dit, le premier capteur de débit 104 est agencé entre le réservoir de gaz 103 et le site de raccordement du conduit d’air 110 au conduit principal 100.

Le réservoir de gaz 103 est déformable, c'est-à-dire que son volume interne peut varier, c'est-à-dire augmenter ou diminuer en fonction de la quantité de gaz qui s’y trouve. Pour ce faire, le réservoir de gaz 103 peut être formé, en tout ou en partie, d’une paroi déformable formée d’un matériau élastique, par exemple en silicone ou élastomère.

Le réservoir de gaz 103 permet de collecter, au besoin, au moins une partie du gaz expiré par le patient P, c'est-à-dire riche en N₂O, lequel est récupéré et convoyé par le circuit expiratoire 10 et circulant dans le conduit principal 100.

L’unité de décomposition 1 comprend un conduit d’air 110 relié fluidiquement à l’atmosphère par un orifice d’entrée d’air 110a, dans lequel sont agencés une électrovanne proportionnelle 111 et un capteur de débit massique, appelé deuxième capteur de débit 112. L’électrovanne proportionnelle 111 est agencée entre l’orifice d’entrée d’air 110a et le deuxième capteur de débit massique 112. L’association de l’électrovanne proportionnelle 111 et du deuxième capteur de débit massique 112, qui sont alimentés et contrôlés par les moyens de pilotage 150, 151, préférentiellement une carte de commande 150 électronique à une unité de contrôle à microprocesseur 151, typiquement un microcontrôleur, formant ainsi un contrôleur de débit massique.

Plus précisément, le microcontrôleur de l’unité de contrôle 151 peut déterminer une consigne de débit Q et contrôler l’électrovanne proportionnelle 111 de sorte que le deuxième capteur de débit 112, dont la mesure renseigne sur le débit traversant l’électrovanne proportionnelle 111, soit effectivement égal ou proche de la consigne de débit.

Le conduit d’air 110 vient se raccorder fluidiquement au conduit principal 100 de gaz, en amont d’une pompe 120 motorisée, c'est-à-dire comprenant un moteur électrique, agencée sur une portion aval du conduit principal 100.

La pompe 120 aspire, via une entrée de pompe 120a, les gaz circulant dans le conduit principal 100 et le conduit d’air 110 de manière à les pressuriser, c'est-à-dire augmenter leur pression, avant de les réinjecter, via une sortie de pompe 120b, dans un conduit d’acheminement 121 raccordé fluidiquement à la sortie 120b de la pompe 120.

Un réchauffeur de gaz 122, utilisant par exemple des éléments résistifs chauffant enroulés, tel que ceux proposés par National Element, est agencé dans le conduit d’acheminement 121. Il permet de chauffer le gaz circulant dans le conduit d’acheminement 121 à une température suffisante pour permettre une conversion catalytique du N₂O, par exemple une température comprise entre 300 et 500°C environ.

La réaction de décomposition du N₂O en O₂et N₂est opérée dans un réacteur 130 agencé sur le conduit d’acheminement 121, en aval du réchauffeur de gaz 122. Le gaz pénètre dans le réacteur catalytique 130 via son port d’entrée 130a et la réaction catalytique de décomposition s’y déroule alors.

A cette fin, le réacteur 130 contient un (ou des) catalyseur(s) de type métal noble, tel que le Rhodium, supporté par une zéolite de type aluminosilicate, par exemple le complexe Rh-ZSM-5.

La réaction de conversion catalytique du N₂O est très exothermique car le N₂O en se décomposant produit de la chaleur. De ce fait, il est nécessaire de le diluer à une concentration raisonnable, par exemple 10% v/v afin d’éviter un emballement thermique. Cette dilution est obtenue par addition d’air provenant du conduit d’air 110.

Plus précisément, en réponse au débit de gaz Q_N2Ocirculant dans le conduit principal 100 et mesuré par le premier capteur de débit 104, l’unité de contrôle 151 contrôle l’électrovanne proportionnelle 111 de manière à ce que le débit d’air Q_AIRcirculant dans le conduit d’air 110 et mesuré par le deuxième capteur de débit 112 soit supérieur au débit Q_N2Ocirculant dans le conduit 100. Par exemple, le débit Q_AIRest contrôlé pour être 4 fois supérieur au débit Q_N2Opour ici une teneur en N₂O dans le gaz expiré de l’ordre de 50% en volume.

Ainsi, le débit gazeux total, c'est-à-dire après mélange des gaz dans le conduit principal 100 en amont de la pompe 120, aspiré puis délivré par ladite pompe 120, est dilué à une concentration en N₂O de l’ordre de 10%v/v, puisque la teneur en N₂O dans le gaz expiré est de l’ordre de 50% en vol.

Le gaz « épuré » sortant du réacteur 130, via son port de sortie 130b, est totalement débarrassé de N₂O, celui-ci s’étant décomposé en N₂et en O₂au sein du réacteur 130. Toutefois, la température de ce gaz épuré est élevée, c'est-à-dire typiquement de l’ordre de 500°C, et il est nécessaire de le refroidir.

Pour ce faire, le gaz circule dans un échangeur de chaleur 140 agencé en aval du réacteur 130. Cet échangeur de chaleur 140 est compose par exemple d’un conduit en acier (dans lequel le gaz circule) pris en sandwich par une multitude d’ailettes en matériau conducteur, par exemple du cuivre, afin d’opérer un transfert de chaleur entre ledit gaz et lesdites ailettes. L’échangeur de chaleur 140 permet de refroidir le gaz sortant du réacteur 130 à une température acceptable, par exemple inférieure à 35°C.

Après refroidissement, le gaz contenant essentiellement des composés O₂et N₂, est rejeté vers l’atmosphère via le conduit d’évacuation 11 agencé en aval de l’échangeur de chaleur 140.

Par ailleurs, selon l’invention, un capteur de distance 101 est agencé à proximité du réservoir de gaz 103 et coopère avec ce dernier de manière à pouvoir mesurer le degré de gonflage, i.e. gonflage/dégonflage, du réservoir de gaz 103 à volume variable. Le capteur de distance 101 est agencé dans la carcasse 15 de l’unité 1 de décomposition du N₂O, par exemple fixé sur la paroi interne 15a de la carcasse 15 de l’unité 1.

Dans le mode de réalisation de , le capteur de distance 101 est préférentiellement un capteur de temps de vol ou « time of flight sensor » (en anglais) comprenant un émetteur de signal 101a, de préférence de signal lumineux, telle une diode laser, et un récepteur de signal 101b, de préférence de signal lumineux, telle une photodiode.

A intervalles réguliers, par exemple toutes les 50ms, l’émetteur 101a génère un signal, typiquement un signal lumineux, aussi appelé ‘pulsation’ ou ‘pulse’, en direction du réservoir de gaz 103, pour atteindre une région donnée de paroi 1030a située sur la surface périphérique de la paroi externe 1030 du réservoir de gaz 103.

Une fraction au moins du signal lumineux émis est réfléchi par la région de paroi 1030a du réservoir de gaz 103 et revient frapper en retour le récepteur 101b.

Le « temps de vol », c'est-à-dire la durée aller/retour, séparant l’émission de la réception du signal est proportionnelle à une distance D variable entre le capteur de distance 101 et la région de paroi 1030a.

Plus ce temps est faible, plus proche du capteur de distance 101 est la région de paroi 1030a, donc plus le réservoir de gaz 103 est rempli de gaz, i.e. gonflé et sa paroi périphérique tendue, et inversement, plus le temps est important, plus éloignée du capteur de distance 101 est la région de paroi 1030a, donc moins le réservoir de gaz 103 contient de gaz, i.e. plus il est dégonflé et sa paroi périphérique distendue.

En d’autres termes, le capteur de distance 101 permet d’apprécier le niveau ou degré de gonflage du réservoir de gaz 103, donc d’évaluer le volume de gaz contenu dans le réservoir de gaz 103. Dit autrement, le degré de gonflage reflète la distension plus ou moins importante de la paroi déformable du réservoir de gaz 103 dont le volume varie en fonction de la quantité de gaz qui s’y trouve.

Ceci est illustré sur à qui représentent différents degrés de gonflage, i.e. gonflage/dégonflage, du réservoir de gaz 103, et schématisent la coopération établie entre le capteur de distance 101 et le réservoir de gaz 103 pour mesurer la distance D qui les sépare. Comme on peut le voir, la distance D varie, i.e. n’est pas toujours la même, en fonction de la quantité de gaz qui se trouve dans le réservoir de gaz 103, c'est-à-dire en fonction du degré de gonflage du réservoir déformable 103.

montre le réservoir de gaz 103 déformable, i.e. à volume variable, dans son état initial, c’est-à-dire au repos, non gonflé, pendant lequel le capteur de distance 101 effectue une (des) mesure par émission/réception d’un signal lumineux. Comme expliqué auparavant, le temps de vol ou de transit aller-retour du pulse lumineux détermine la distance D séparant le capteur de distance 101 de la région de paroi 1030a du réservoir de gaz 103. Cette distance, appelée D_REPOSest maximale, et correspond à un volume de gaz (quasiment) nul dans le réservoir de gaz 103, i.e. V_REPOS=0.

illustre un début du remplissage du réservoir de gaz 103, par exemple lorsque le patient P réalise une expiration qui, transitant par le conduit principal 100, est dirigée dans le réservoir de gaz 103 via le conduit de liaison 102.

A titre d’exemple, représente l’état de gonflage du réservoir de gaz 103 correspondant à la première seconde de l’expiration du patient, c’est-à-dire à la moitié environ du volume total expiré. Dans cette configuration, le capteur de distance 101 effectue à nouveau une (des) mesure de laquelle il ressort que la distance D mesurée est/devient inférieure à la distance D_REPOS. Elle correspond, par exemple, à un volume V de gaz dans le réservoir de gaz 103 de l’ordre de 500 mL.

représente un réservoir de gaz 103 totalement gonflé, c'est-à-dire rempli avec par exemple 2L de gaz. Là encore, le capteur de distance 101 effectue une (des) mesure de distance comme précédemment. Il en ressort alors une valeur de distance D mesurée inférieure à celle mesurée avant gonflage complet, comme illustré en .

On comprend donc, au vu des à , que la distance D est inversement proportionnelle au gonflage du réservoir de gaz déformable 103, c'est-à-dire que plus de réservoir de gaz 103 contient une quantité (i.e. volume) de gaz importante, plus la distance D mesurée est faible.

Il est donc possible de corréler la mesure de distance D issue du capteur de distance 101 au volume de gaz V contenu dans le réservoir de gaz 103, i.e. à son taux ou degré de remplissage.

A cet effet, l’unité de contrôle 151 dispose d’une table de correspondance mémorisée permettant de corréler les distances D mesurées en volumes V de gaz correspondants. Comme déjà dit, la relation entre la distance D et le volume V est inversement proportionnelle, à savoir que plus grande est la distance D mesurée, plus faible est le volume V.

En fait, deux seuils de volume, associés à une distance D, peuvent être déterminés, lesquels correspondent à des niveaux de gonflage autorisés du réservoir de gaz 103 à des instants prédéterminés, à savoir par exemple :

un seuil de volume V_MINavec V_MIN> V_REPOSoù V_REPOSest le volume du réservoir au repos, de manière à garantir que le réservoir de gaz 103 est toujours partiellement gonflé.
un seuil de volume maximal V_MAXavec V_MAX> V_MINet V_MAXest inférieur à la capacité maximale en gaz du réservoir, garantissant que dans cet état (V_MAX), le réservoir de gaz 103 est toujours en capacité de collecter un volume supplémentaire de gaz correspondant par exemple à une expiration complète du patient P. Par exemple, si le réservoir de gaz 103 a une capacité de 4L, le volume de remplissage V_MAXpourrait correspondre à un volume interne de 1L, c’est-à-dire toujours partiellement gonflé.

Les volumes V_MINet V_MAXcorrespondent à des distances D données.

Le fonctionnement de l’unité de décomposition 1 du N₂O de la est expliqué ci-après et illustré en .

Lorsque l’unité de décomposition 1 du N₂O est en attente que la thérapie commence, c’est-à-dire que la pompe 120 est à l’arrêt, le réservoir 103 est au « repos », c’est-à-dire non gonflé, comme montré en et la distance D mesurée par le capteur de distance 101 équivalente à D_REPOS, c’est-à-dire correspondant à un volume V_REPOSégal à approximativement 0.

Le patient P commence la thérapie et réalise une première expiration de gaz riche en N₂O (e.g. teneur env. 50%) qui alimente alors l’unité de décomposition 1 du N₂O via le circuit expiratoire 10 relié au conduit principal 100 de l’unité de décomposition 1 du N₂O. La pompe 120 étant à l’arrêt, l’intégralité du débit Q expiré par le patient vient remplir le réservoir 103 qui se gonfle alors.

Dès lors, la distance D mesurée par le capteur de distance 101 diminue au fur et à mesure que le réservoir de gaz 103 se remplit et le capteur de distance 101 envoie alors un (des) signal de distance D à l’unité de contrôle 151 pour l’informer qu’une expiration est en cours.

En réponse à ce signal de distance D, l’unité de contrôle 151 déclenche un compteur temporel durant une durée dt correspondant au temps d’une expiration du patient, c'est-à-dire que le compteur temporel calcule la durée dt s’écoulant entre le début et la fin d’une expiration du patient.

A la fin de la première expiration, la distance D mesurée n’évolue plus et le volume de remplissage du réservoir de gaz 103 correspond alors au volume expiratoire V_EXPde l’intervalle de temps dt.

Lorsque le patient réalise une deuxième expiration de gaz, le capteur de distance 101 en informe (i.e. envoi de signal) également l’unité de contrôle 151 puisqu’il détecte une reprise de l’évolution de la distance D, dans le sens de la diminution.

L’unité de contrôle 151, ayant calculé le volume V_EXPde la première expiration et ayant par ailleurs déterminé le temps séparant le début de la première expiration du début de la seconde expiration, qui est représentatif de la fréquence respiratoire FR du patient, est en mesure de déterminer la ventilation minute VM du patient P.

Par exemple, si le premier volume expiré est de 500 mL et que 3 secondes séparent les deux expirations, c'est-à-dire une fréquence de 20 respirations par minute, l’unité de contrôle 151 peut estimer que la ventilation minute du patient P est de 10 L/min. Le réservoir 103 doit pouvoir collecter au moins une expiration du patient, c’est-à-dire d’avoir un volume maximal de gonflage supérieur à 2 L.

Dès lors que la ventilation minute VM du patient P a été estimée par l’unité de contrôle 151, celle-ci commande la pompe 120 afin de la faire démarrer. Plus précisément, l’unité de contrôle 151 asservit la pompe 120 de manière à ce que le débit circulant dans le conduit principal 100, mesuré par le premier capteur de débit 104, soit égal à la ventilation minute VM calculée, à savoir ici 10 L/min par exemple.

L’unité de contrôle 151 pilote en outre l’électrovanne proportionnelle 111 de manière à ce que le débit d’air Q_aircirculant dans le conduit d’air 110, mesuré par le deuxième capteur de débit 112, soit précisément 4 fois supérieur au débit de gaz expiré circulant dans le conduit principal 100, c’est-à-dire égal à 40 L/min. En d’autre termes, le débit total circulant dans le conduit principal 100, en aval de l’embranchement du conduit d’air 110, est égal à la somme des débits d’air et de gaz expiré (circulant dans le conduit principal 100 en aval du réservoir 103), c’est-à-dire ici égal à 50 L/min.

En considérant le débit circulant dans la portion du conduit principal 100, située en aval de l’embranchement du conduit d’air 110, est constant, c’est-à-dire un débit équivalent à la ventilation minute du patient P, la illustre le degré de gonflage du réservoir 103 au cours de la respiration du patient.

Ainsi, le point A de correspond à l’instant pendant l’expiration du patient P où le débit circulant dans la portion amont du conduit principal 100 est supérieur au débit circulant dans la portion aval de ce conduit, lequel est fixé par la pompe 120 pilotée par l’unité de contrôle 151. A cet instant, le réservoir de gaz 103 renferme un volume V_EXP1. Il existe alors un surplus de gaz, c'est-à-dire du gaz en excès, dans la portion amont du conduit principal 100, qui vient remplir le réservoir 103 via le conduit de liaison 102.

Le segment [A, C] de correspond à la phase où le débit circulant dans la portion d’entrée ou amont du conduit principal 100 excède le débit circulant dans la portion aval du conduit principal 100, c'est-à-dire dans la partie située entre le réservoir 103 et la pompe 120. Comme on peut le voir, le débit augmente progressivement entre les points A et B pour atteindre un pic de débit au point B, puis décroit progressivement entre B et C.

Pendant la durée de la phase délimitée par les points A et C, le réservoir 103 va alors progressivement se gonfler, partiellement au point B, et atteindre un remplissage maximum au point C, lequel est néanmoins inférieur au volume maximum que le réservoir 103 pourrait accepter, c'est-à-dire que le réservoir 103 pourrait encore se déformer davantage et accepter du gaz (au point C).

Inversement, la durée de la phase représentée par le segment [C, D] correspond à la période temporelle pendant laquelle le débit circulant dans la portion d’entrée du conduit principal 100 devient inférieur à celui circulant dans la portion aval de ce conduit principal 100. Ceci correspond à la toute fin de l’expiration du patient P ainsi que la réalisation d’une inhalation pendant laquelle le débit circulant dans la portion d’entrée du conduit principal 100 est nul.

Pour subvenir à la demande de la pompe 120 et donc assurer un débit constant dans la portion aval du conduit principal 100 alimentant la pompe 120, le réservoir 103 fournit le complément en gaz, c'est-à-dire la quantité de gaz égale à la différence entre les débits circulant dans les portions aval et amont du conduit principal 100, respectivement. Le réservoir 103 va alors progressivement se vider jusqu’à retourner à un état de gonflage, lors de l’expiration suivante, i.e. lorsque le débit circulant dans la portion amont du conduit principal 100 redevient supérieur au débit circulant dans la portion aval du conduit principal 100, et qu’une nouvelle phase de remplissage du réservoir 103 commence. Lors de cette transition, le réservoir de gaz 103 renferme un volume V_EXP2.

Il apparait que l’analyse par l’unité de contrôle 151 des volumes successifs V_EXPn(i.e. V_EXP1, V_EXP2, V_EXP3…) permet de déterminer si lesdits volume V_EXPnsont bien compris entre les volumes autorises V_MINet V_MAXmais aussi dans quel sens lesdits volumes V_EXPnévoluent.

En d’autres termes, si les volumes successifs V_EXPndécroissent, il apparait que le débit circulant dans la portion aval du conduit principal 100 (prélevé par la pompe 120) est supérieur à la ventilation minute du patient P. Inversement, si les volumes successifs V_EXPncroissent, le débit circulant dans la portion aval du conduit principal 100 est inférieur à la ventilation minute du patient P.

D’une façon générale, selon l’invention, en connaissant la taille du réservoir 103, ainsi que la façon qu’a l’unité de contrôle 151 d’exploiter la valeur et l’évolution des volumes V_EXPn, on peut piloter la pompe 120 en conséquence et assurer une délivrance d’un débit constant de gaz par la pompe 120 avec une dilution adéquate de la concentration de N₂O tout en s’assurant que les volumes V_EXPnrestent dans la zone autorisée définie par la gamme [V_MIN- V_MAX].

On comprend que la combinaison du réservoir 103, du capteur de distance 101 et du premier capteur de débit 104, qui coopèrent avec l’unité de contrôle 151 et la pompe 120, permet de transformer un débit patient intermittent en un débit continu. Ceci permet de diminuer d’un facteur 3, le débit total circulant dans le conduit 105, i.e. 50L/min versus 150 L/min.

représente, à titre comparatif, les débits de gaz qui devraient être traités par une unité de décomposition 1 du N₂O analogue à celle de la , mais dans laquelle le réservoir 103, le capteur de distance 101 et le premier capteur de débit 104 ne seraient pas présents.

Comme on le voit sur , si la ventilation minute du patient P est de l’ordre de 10 L/min, le débit expiré par celui-ci est intermittent, c’est-à-dire qu’il fluctue, par exemple, entre 0 et 30 L/min lors des phases expiratoires, et est interrompu entre 2 phases expiratoires, i.e. pendant que le patient inhale. Considérant le besoin de diluer le gaz à l’entrée du conduit principal 100, le débit total atteint un débit de pic instantané de 150 L/min environ. Ceci est problématique car la réaction de décomposition dans le réacteur 130 nécessite un temps de résidence suffisant du N₂O dans le réacteur 130, par exemple au moins 1 seconde.

Or, plus les débits sont élevés, plus le réacteur 130 doit être dimensionné pour permettre un temps de résidence suffisant quel que soit le débit, c'est-à-dire y compris pour les débits les plus élevés. Ceci nécessite l’utilisation de plusieurs kilogrammes de catalyseur et donc engendre un encombrement important, peu compatible avec une utilisation en milieu médicalisé, que ce soit en hôpital ou même au domicile du patient.

De plus, les catalyseurs mis en œuvre sont généralement très coûteux car basés sur des métaux nobles, tel que le rhodium. La taille du réacteur 130 va donc impacter aussi son coût.

Enfin, plus les débits sont élevés, plus la pompe 120 doit être en capacité de générer de tels débits et vaincre les pertes de charges générées par le réacteur 130 et l’échangeur de chaleur 140. Ceci peut nécessiter l’utilisation de pompes surpuissantes ayant nécessairement un coût supérieur mais aussi un encombrement important.

Il s’ensuit alors qu’il est avantageux, selon l’invention, de pouvoir transformer le débit intermittent du patient P en un débit constant, plus faible, tout au long de la thérapie, celui-ci étant égal à la ventilation minute VM du patient.

Ceci peut être obtenu, selon l’invention, grâce à, d’une part, le réservoir 103 gonflable, i.e. déformable, lequel a une contenance supérieure au volume correspondant à une expiration du patient et, d’autre part, un capteur de distance 101 qui permet à l’unité de contrôle 151 de déterminer le niveau de gonflage du réservoir de gaz 103, i.e. distance D, et de calculer une ventilation minute VM du patient, et un premier capteur de débit 104, agencé en aval du réservoir 103, sur lequel la pompe 120 vient réaliser un asservissement, à un débit égal à la consigne déterminée par l’unité de contrôle 151.

Autrement dit, les moyens de pilotage 150, 151 à microprocesseur sont configurés pour traiter les signaux de mesures successives de la distance D qui leur sont fournis par le capteur de distance 101 et en déduire un volume expiratoire V_EXPpendant un intervalle de temps dt correspondant à la durée d’une expiration du patient.

Par ailleurs, les moyens de pilotage 150, 151 permettent aussi de déterminer la fréquence respiratoire FR du patient qui correspond à la durée entre deux expirations successives du patient afin de déterminer, à partir du volume expiratoire V_EXPet de la fréquence respiratoire FR ainsi obtenue, le volume minute VM du patient considéré.

Connaître ce volume minute VM permet alors aux moyens de pilotage 150, 151 de contrôler la pompe 120 pour ajuster le débit de ladite pompe 120, en particulier en fonction de l'évolution de la distance D minimale mesurée à chaque cycle expiratoire du patient.

En effet, une analyse de l'expiration et la mesure de la fréquence respiratoire FR permettent de déterminer une première ventilation minute VM du patient et de régler le débit de la pompe à une première valeur de débit.

Ensuite, les moyens de pilotage 150, 151 ajuste le débit de la pompe 120 en suivant l'évolution du gonflage maximal du réservoir de gaz 103, c'est-à-dire de la distance D minimale, à chaque expiration. Plus précisément :

- si la distance D diminue, cela signifie que le débit de pompe est trop faible/bas. Les moyens de pilotage 150, 151 peuvent alors rétroagir sur la pompe 120 pour augmenter son débit.

- à l'inverse, si la distance D augmente, cela signifie que le débit de pompe est alors trop fort/élevé. Les moyens de pilotage 150, 151 peuvent, dans ce cas, rétroagir sur la pompe 120 pour diminuer son débit.

Claims

Unité de décomposition (1) de protoxyde d’azote (N₂O) comprenant :
un conduit principal de gaz (100) pour convoyer un gaz contenant du N₂O expiré par un patient,

une pompe (120) comprenant une entrée de gaz (120a) et une sortie de gaz (120b), l’entrée de gaz (120a) de la pompe (120) étant en communication fluidique avec le conduit principal de gaz (100),

un réacteur catalytique (130) en communication fluidique avec la sortie de gaz (120b) de la pompe (120), et

des moyens de pilotage (150, 151) à microprocesseur (151),
caractérisé en ce que:
un réservoir de gaz (103) à volume variable en communication fluidique avec le conduit principal de gaz (100) est agencé en amont de la pompe (120),

un capteur de distance (101) coopère avec le réservoir de gaz (103) à volume variable pour opérer plusieurs mesures successives de la distance (D) séparant le capteur de distance (101) du réservoir de gaz (103), et

les moyens de pilotage (150, 151) sont configurés pour :
traiter les signaux de mesures successives de la distance (D) fournis par le capteur de distance (101) et en déduire un volume expiratoire (V_EXP) pendant un intervalle de temps (dt) correspondant à la durée d’une expiration d’un patient (P),

déterminer une fréquence respiratoire (FR) du patient correspondant à la durée entre deux expirations successives du patient (P),

déterminer à partir du volume expiratoire (V_EXP) et de la fréquence respiratoire (FR), un volume minute (VM) du patient, et

contrôler la pompe (120) en fonction du volume minute (VM) du patient.
Installation de fourniture d’un mélange gazeux N₂O/O₂comprenant :
une source de gaz (3) contenant du protoxyde d’azote (N₂O) et de l’oxygène (O₂), de préférence contenant un mélange gazeux N₂O/O₂au moins 50% de N₂O,

un circuit patient (23) alimenté par la source de gaz (3),

un réservoir de gaz 24 en communication fluidique avec le circuit patient (23),

une interface respiratoire (21) alimentée par le circuit patient (23),

et une unité de décomposition (1) du N₂O selon la revendication précédente, reliée fluidiquement à l’interface respiratoire (21).