FR3069781A1 - Appareil d'assistance respiratoire avec controle de la puissance consommee par la micro-soufflante et l'humidificateur - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un appareil d'assistance respiratoire, c'est-à-dire un ventilateur médical, comprenant une micro-soufflante (1) à moteur électrique, un humidificateur (2) à élément chauffant (6), une alimentation électrique (7) reliée électriquement à la micro-soufflante (1) et à l'élément chauffant (6) de l'humidificateur (2) de manière à pouvoir alimenter, en courant électrique, le moteur électrique de la micro-soufflante (1) et l'élément chauffant (6) de l'humidificateur (2), et un système de contrôle (3) assurant le pilotage de la micro-soufflante (1) et de l'élément chauffant (6), caractérisé en ce que le système de contrôle (3) est configuré pour limiter ou pour interrompre la fourniture de puissance électrique à l'élément chauffant (6) de l'humidificateur (2), pendant les phases d'accélération du moteur de la micro-soufflante (1) consommant de la puissance électrique fournie par l'alimentation électrique (7).
Description
L’invention concerne un appareil d’assistance respiratoire comprenant des moyens de commande configurés pour piloter la micro-soufflante motorisée et l’élément chauffant de l’humidificateur de gaz de manière à ce que l’élément chauffant ne soit pas alimenté en courant électrique pendant les phases d’accélérations du moteur de la micro-soufflante.
Les appareils d’assistance respiratoire, encore appelés « respirateurs artificiels » ou « ventilateurs médicaux », sont couramment utilisés pour insuffler un gaz respiratoire aux patients présentant des pathologies, des troubles ou des insuffisances respiratoires
Un appareil d’assistance respiratoire consomme de l’énergie électrique, pendant son fonctionnement. La quantité d’énergie consommée varie en fonction de la mise en route ou non de ses différents composants, tel que micro-soufflante, humidificateur..., ce qui engendre des pics de consommation d’énergie. Ainsi, on comprend aisément qu’un appareil d’assistance respiratoire consomme davantage d’énergie lorsque sa micro-soufflante et son humidificateur fonctionnent en même temps, que lorsque seulement l’un d’entre eux ne fonctionne.
Il est dès lors nécessaire de prévoir une alimentation électrique de capacité suffisante pour que l’appareil puisse continuer à fonctionner normalement, même en cas de pic de consommation, c'est-à-dire quand tous ses composants fonctionnent en même temps. Cette contrainte conduit à souvent sur-dimensionner l’alimentation électrique pour s’assurer que, même en cas de pic de consommation, l’énergie disponible permettra d’y faire face.
Une bonne gestion de l’énergie consommée par ces appareils est donc essentielle car maîtriser les pics de consommation d’énergie permet d’éviter le surdimensionnement des alimentations électriques et donc de limiter ou minimiser les coûts, l’encombrement et le poids de ces appareils.
Le document WO-A-2010/028427 décrit plusieurs méthodes de gestion de l’énergie consommée par un appareil d’assistance respiratoire, notamment la synchronisation des composants consommateurs d’énergie avec la détection du cycle respiratoire ou avec une analyse de l’énergie disponible, ou l’utilisation d’une batterie additionnelle comme une source d’énergie supplémentaire temporaire.
Or, les solutions connues ne sont pas idéales car elles nécessitent soit le développement de systèmes complexes, tel qu’une e analyse de la consommation disponible, un ajout d’une batterie..soit manquent de précision, par exemple simple synchronisation sur le cycle respiratoire.
Le problème qui se pose est donc d’améliorer la gestion de l’énergie dans un appareil d’assistance respiratoire autonome en air, c'est-à-dire un ventilateur artificiel, pour éviter une consommation excessive de puissance électrique et/ou de devoir sur-dimensionner la ou les alimentations électrique de l’appareil.
La solution est alors un appareil d’assistance respiratoire comprenant :
- une micro-soufflante à moteur électrique,
- un humidificateur à élément chauffant,
- une alimentation électrique reliée électriquement à la micro-soufflante et à l’élément chauffant de l’humidificateur de manière à pouvoir alimenter, en courant électrique, le moteur électrique de la micro-soufflante et l’élément chauffant de l’humidificateur, et
- un système de contrôle assurant le pilotage de la micro-soufflante et de l’élément chauffant, caractérisé en ce que le système de contrôle est configuré pour limiter ou pour interrompre la fourniture de puissance électrique, c'est-à-dire de courant électrique, à l’élément chauffant de l’humidificateur, pendant les phases d’accélération du moteur de la micro-soufflante consommant de la puissance électrique fournie par l’alimentation électrique, c'est-à-dire du courant électrique.
En d’autres termes, les moyens de commande de l’appareil, c'est-à-dire son système de contrôle, sont configurés pour piloter la micro-soufflante motorisée et l’élément chauffant de l’humidificateur de gaz de manière à ce que l’élément chauffant ne soit pas alimenté en courant électrique, pendant les phases d’accélérations du moteur de la micro-soufflante.
Selon le cas, l’appareil d’assistance respiratoire de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
- le système de contrôle est configuré pour limiter ou pour interrompre la fourniture de courant électrique à l’élément chauffant de l’humidificateur de manière à maintenir la quantité totale de puissance consommée inférieure ou égale à la puissance maximale de l’alimentation électrique.
- le système de contrôle comprend un contrôleur.
- le contrôleur comprend au moins une carte électronique à (micro)processeur(s) mettant en œuvre un ou des algorithmes
- le contrôleur comprend un ou plusieurs microprocesseurs, une ou plusieurs mémoires de stockage de données, un ou plusieurs étages d’alimentation et/ou un ou plusieurs pilotes d’actionneurs.
- la carte électronique porte un ou plusieurs microprocesseurs, une ou plusieurs mémoires de stockage de données, un ou plusieurs étages d’alimentation et/ou un ou plusieurs pilotes d’actionneurs.
- l’alimentation électrique possède une puissance maximale donnée, c'est-à-dire définie par conception, par exemple de 100 Watt.
- l’alimentation électrique comprend une batterie et/ou un transformateur connecté à un réseau d’alimentation électrique
- il comprend un capteur de pression et un capteur de débit agencés sur un conduit d’acheminement de gaz reliant fluidiquement la micro-soufflante et l’humidificateur de gaz.
- le système de contrôle coopère avec le capteur de pression et le capteur de débit pour assurer le pilotage de la micro-soufflante.
- il comprend un élément permettant de déterminer la vitesse de rotation du moteur de la micro-soufflante.
- le système de contrôle coopère avec l’élément permettant de déterminer la vitesse de rotation du moteur de la micro-soufflante.
- l’humidificateur comprend un réservoir à eau, c'est-à-dire un bac, une cuve ou analogue, pour stocker l’eau qui est évaporée dans l’humidificateur.
- l’humidificateur comprend un réservoir à eau comprenant une plaque de fond en matériau conducteur.
- l’élément chauffant de l’humidificateur est en contact avec la plaque de fond du réservoir à eau de l’humidificateur de manière à transmettre les calories générées par l’élément chauffant à la plaque de fond du réservoir à eau, puis ensuite à l’eau contenue dans le réservoir afin de la vaporiser.
- l’élément chauffant comprend une résistance électrique ou analogue.
- l’élément chauffant est directement en contact avec la plaque de fond du réservoir à eau de l’humidificateur.
- de façon alternative, l’élément chauffant est en contact avec la plaque de fond du réservoir à eau de l’humidificateur par l’intermédiaire d’une plaque additionnelle en matériau conducteur. La plaque additionnelle est agencée dans le fond du boîtier de l’humidificateur de manière à être prise en sandwich entre l’élément chauffant et la plaque de fond du réservoir à eau.
- la plaque de fond et/ou la plaque additionnelle sont en matériau conducteur de type aluminium, alliage d’aluminium, cuivre, laiton ou analogue.
- le réservoir à eau est amovible, c'est-à-dire qu’il peut être extrait de l’humidificateur.
- la micro-soufflante comprend un arbre-moteur rotatif portant au moins une roue à ailettes.
- la roue à ailettes de la micro-soufflante est comprise dans le compartiment interne d’une volute, de préférence la volute est surmontée d’un pavillon.
- le compartiment interne de la volute débouche comprend une ouverture d’entrée de gaz, typiquement d’air, et une ouverture de sortie de gaz sous pression, de préférence l’ouverture de sortie de gaz sous pression débouche dans un conduit de sortie.
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 :
- la Figure 1 schématise une architecture d’un appareil d’assistance respiratoire selon l’invention, et
- la Figure 2 représente des chronogrammes (2A-2F) de la gestion d’énergie dans un appareil d’assistance respiratoire selon l’invention.
La Figure 1 représente un mode de réalisation d’une architecture de fonctionnement d’un appareil d’assistance respiratoire ou ventilateur artificiel selon l’invention.
Il comprend une micro-soufflante 1, encore appelée turbine ou compresseur, aspirant de l’air ambiant par une entrée d’air 10 et fournissant un débit d’air sous pression (i.e. < 1 bar, typiquement une micro-soufflante fournit jusqu’à 200 mbar de pression) à un conduit d’acheminement de gaz 11 mettant la micro-soufflante 1 en communication fluidique avec un humidificateur 2 de gaz servant à humidifier le gaz respiratoire provenant de la microsoufflante 1.
L’humidificateur 2 de gaz est agencé sur le trajet du gaz, en aval de la microsoufflante 1. Un humidificateur 2 comprend classiquement un compartiment ou bac à eau avec un une plaque de fond en matériau conducteur, par exemple en cuivre, aluminium ou un de leurs alliages, et un élément chauffant 6, telle une résistance électrique, servant à transmettre des calories à la plaque de fond du réservoir à eau, puis à l’eau contenue dans le réservoir de sorte de la vaporiser. En général, l’élément chauffant 6, telle une résistance, est en contact soit directement avec la plaque de fond de la cuve à eau, soit avec une plaque additionnelle, aussi en matériau conducteur, qui est elle-même en contact avec la plaque de fond de la cuve à eau de l’humidificateur 2. Les calories transitent donc par la plaque additionnelle avant d’atteindre la plaque de fond, puis l’eau à chauffer.
La vapeur d’eau générée dans le réservoir à eau sert à humidifier le gaz, typiquement l’air, provenant de la micro-soufflante 1. En d’autres termes, l’air délivré par la microsoufflante 1 se charge en vapeur d’eau en traversant le réservoir à eau de l’humidificateur.
Le réservoir à eau peut être amovible, c'est-à-dire qu’on peut le mettre en place ou l’extraire du boîtier de l’humidificateur 2.
La micro-soufflante 1 est motorisée, c'est-à-dire qu’elle comprend un moteur électrique servant à mettre en rotation une roue à ailettes servant à aspirer l’air qui entre par l’entrée d’air 10, et qui en est expulsé ensuite par une sortie de turbine débouchant dans un conduit 11, le menant à l’humidificateur 2. Le gaz humidifié au sein de l’humidificateur 2 en ressort par une sortie d’air 12. Il est envoyé ensuite au patient, via une canalisation souple ou analogue (non montrée) en communication fluidique avec une interface patient, tel un masque respiratoire ou analogue.
Un capteur de pression 4 et un capteur de débit 5 sont agencés sur le conduit d’acheminement de gaz 11, c'est-à-dire entre la micro-soufflante 1 et l’humidificateur 2 de manière à pouvoir opérer des mesures de pression (P) et de débit (D) du gaz au sein dudit conduit d’acheminement de gaz 11. Le capteur de débit 5 peut être du type à fil chaud.
La micro-soufflante 1 et l’humidificateur 2, en particulier l’élément chauffant 6, telle une résistance électrique, sont pilotés par un système de contrôle 3 faisant office de moyens de commande ou de pilotage, tel qu’un contrôleur. Typiquement, un contrôleur comprend un (ou plusieurs) microprocesseur s) à algorithme(s), une (ou plusieurs) mémoire de stockage de données, un ou plusieurs étages d’alimentation et un ou plusieurs pilotes d’actionneur(s). De préférence, une (ou plusieurs) carte électronique porte tout ou partie des composants du contrôleur, en particulier microprocesseur(s), mémoire(s) de stockage de données, étage(s) d’alimentation, pilotes d’actionneur(s)....
Le capteur de pression 4 et le capteur de débit 5 sont reliés électriquement au système de contrôle 3 et lui transmettent les signaux de mesure de pression et de débit. Le système de contrôle 3 utilise ces signaux de mesure de pression et de débit pour asservir la micro-soufflante 1 dans le but de ventiler un patient.
La micro-soufflante 1, en particulier son moteur électrique, le système de contrôle 3 et l’humidificateur 2, en particulier son élément chauffant 6, sont alimentés en énergie électrique provenant d’une alimentation électrique 7, telle que une batterie et/ou un transformateur connecté à un réseau d’alimentation électrique.
Le système de contrôle 3 assure le pilotage de la micro-soufflante 1 et de l’élément chauffant 6 de manière à ce que l’élément chauffant 6 ne soit pas alimenté en courant électrique durant les phases d’accélérations de la micro-soufflante 1.
En d’autres termes, le système de contrôle faisant office de moyens de commande de l’appareil, est configuré pour piloter la micro-soufflante 1 motorisée et l’élément chauffant 6 de l’humidificateur 2 de manière à ce que l’élément chauffant 6 ne soit pas alimenté en puissance électrique, pendant les phases d’accélérations du moteur de la micro-soufflante 1 de manière à limiter ou éviter les surconsommations électriques pendant cette période de temps.
En effet, le profil de consommation d'un ventilateur utilisant une micro-soufflante 1 dépend directement des phases d’accélérations de la micro-soufflante 1. Ce sont les accélérations du moteur qui provoque d’importants pics de consommation. Il faut donc que le système de contrôle 3, c'est-à-dire le contrôleur du dispositif, synchronise les éléments consommateurs d'énergie sur l'accélération de la micro-soufflante 1 afin de ne pas dépasser une limite maximale que peut délivrer l'alimentation électrique 7.
Ceci a pour avantages, d’une part, une grande simplicité de la mise en œuvre puisqu’il n’existe pas de dépendance vis-à-vis des modes de ventilation ou du temps et, d’autre part, un ajustement au plus juste de la consommation électrique.
La synchronisation des éléments consommateurs d'énergie sur l'accélération de la micro-soufflante 1 est illustrée en Figures 2A-2F.
La Figure 2A est une courbe schématisant la commande du moteur de la microsoufflante 1 au courant du temps, telle qu’elle est fournie à la micro-soufflante 1 par le système de contrôle 3, alors que la Figure 2B est une courbe schématisant la vitesse réelle de la micro-soufflante 1 au cours du temps lorsqu’elle est commandée par le système de contrôle
3.
On voit sur la Fig. 2B que, typiquement en début de phase inspiratoire du patient, le moteur accélère progressivement jusqu’à atteindre une vitesse de rotation maximale (représentée par le palier haut), puis décélère, typiquement en fin de phase inspiratoire.
A partir de ces valeurs de vitesse, on peut calculer la dérivée de la vitesse, image de l’accélération de la micro-soufflante 1. L’accélération calculée est illustrée en Figure 2C. Cette accélération peut être calculée à chaque fois que l’un des paramètres précédents est modifié, que ce soit une mise à jour de la commande de la micro-soufflante (cf. Fig.2A) ou un rafraîchissement de la mesure de vitesse de la micro-soufflante (cf. Fig.2B).
Si l’accélération dépasse un seuil donné (seuil d’accélération max), le contrôleur 3 va débrayer la commande de l’élément chauffant (cf. figure 2E) afin que le pic de consommation de puissance, c'est-à-dire la puissance consommée, soit maintenu inférieur ou égal à une limite de puissance (cf. Figure 2F).
Le débrayage de la commande de l’élément chauffant 6 peut être indépendant de la commande d’asservissement (cf. Figure 2D).
D’une façon générale, la présente invention permet de contraindre la consommation (pic et moyenne) de puissance de l’appareil, en particulier de la micro-soufflante et de l’humidificateur, en deçà d’une valeur maximale, par exemple 100 Watt, de manière à limiter le dimensionnement de l’alimentation en puissance électrique et d’améliorer son rendement.
Le ventilateur médical de l’invention peut être utilisé pour insuffler un gaz respiratoire, typiquement de l’air sous pression, enrichi ou non en oxygène, à un patient présentant une pathologie, un trouble ou une insuffisance respiratoire.
Claims (9)
1. Appareil d’assistance respiratoire comprenant une micro-soufflante (1) à moteur électrique, un humidificateur (2) à élément chauffant (6), une alimentation électrique (7) reliée électriquement à la micro-soufflante (1) et à l’élément chauffant (6) de l’humidificateur (2) de manière à pouvoir alimenter, en courant électrique, le moteur électrique de la micro-soufflante (1) et l’élément chauffant (6) de l’humidificateur (2), et un système de contrôle (3) assurant le pilotage de la micro-soufflante (1) et de l’élément chauffant (6), caractérisé en ce que le système de contrôle (3) est configuré pour limiter ou pour interrompre la fourniture de puissance électrique à l’élément chauffant (6) de l’humidificateur (2), pendant les phases d’accélération du moteur de la micro-soufflante (1) consommant de la puissance électrique fournie par l’alimentation électrique (7).
2. Appareil selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le système de contrôle (3) est configuré pour limiter ou pour interrompre la fourniture de courant électrique à l’élément chauffant (6) de l’humidificateur (2) de manière à maintenir la quantité totale de puissance consommée inférieure ou égale à la puissance maximale de l’alimentation électrique (7).
3. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de contrôle (3) comprend un contrôleur.
4. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’alimentation électrique (7) est conçue pour délivrer une puissance maximale de 100 Watt.
5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un capteur de pression (4) et un capteur de débit (5) agencés sur un conduit d’acheminement de gaz (11) reliant fluidiquement la micro-soufflante (1) et l’humidificateur de gaz (2).
6. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de contrôle (3) coopère avec le capteur de pression (4) et le capteur de débit (5) pour assurer le pilotage de la micro-soufflante (1).
7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’humidificateur (2) comprend un réservoir à eau comprenant une plaque de fond en matériau conducteur.
5 8. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’humidificateur (2) comprend en outre une plaque additionnelle en matériau conducteur, ladite plaque additionnelle étant agencée au contact, direct ou indirect, de l’élément chauffant (6) de l’humidificateur (2).
10 9. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la micro-soufflante comprend un arbre-moteur rotatif portant au moins une roue à ailettes.
10. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le contrôleur comprend un ou plusieurs microprocesseurs, une ou plusieurs mémoires de
15 stockage de données, un ou plusieurs étages d’alimentation et/ou un ou plusieurs pilotes d’actionneurs.
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