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~ 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
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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.
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~ 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
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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
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-
(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
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-
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
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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.
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