FR3096583A1

FR3096583A1 - Dispositif de décomposition du N2O présent dans le gaz expiré par un patient

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Publication number: FR3096583A1
Application number: FR1905601A
Authority: FR
Inventors: Thierry BOULANGER
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2039-05-27
Also published as: FR3096583B1

Abstract

L’invention concerne une 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 un premier capteur de débit (101) agencé dans le conduit principal de gaz (100). Elle comprend par ailleurs un réservoir de gaz (103) à volume variable en communication fluidique avec le conduit principal de gaz (100) entre le premier capteur de débit (101) et la pompe (120), et un deuxième capteur de débit (104) agencé dans le conduit principal de gaz (100) entre le réservoir (103) et la pompe (120). Installation de fourniture d’un mélange gazeux N2O/O2 comprenant une source de gaz (3) de protoxyde d’azote (N2O), un circuit patient (23), un réservoir de gaz (24), une interface respiratoire (21) et une unité de décomposition (1) du N2O selon l'invention. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif de décomposition du N2O présent dans le gaz expiré par un patient

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 d’un mélange gazeux N₂O/O₂à 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
un premier capteur de débit agencé dans le conduit principal de gaz,

caractérisée en ce qu’elle comprend par ailleurs :

un réservoir de gaz à volume variable en communication fluidique avec le conduit principal de gaz entre le premier capteur de débit et la pompe, et
un deuxième capteur de débit agencé dans le conduit principal de gaz entre le réservoir de gaz et la pompe.

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 » désignent 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.
le réservoir de gaz comprend une paroi déformable/flexible.
la pompe comprend un moteur électrique.
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 le premier capteur de débit et la pompe.
le conduit d’air comprend une électrovanne proportionnelle et un troisième capteur de débit.
l’électrovanne proportionnelle est agencée entre l’orifice d’entrée d’air et le troisième capteur de débit.
le premier capteur de débit, le deuxième capteur de débit et le troisième capteur de débit sont des capteurs de débit massiques.
elle comprend des moyens de pilotage.
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 (i.e. signaux de mesure) opérées par le premier capteur de débit, le deuxième capteur de débit et/ou le troisième capteur de débit, et 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 typiquement inférieure à 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.
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…

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

une source de gaz de protoxyde d’azote (N₂O), 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/O2 selon la présente invention.

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

représente les débits de gaz traités par une unité de décomposition du N2O selon la présente invention, telle schématisée en [Fig. 2], comprenant un réservoir de gaz et un troisième capteur de débit.

représente, à titre comparatif, les débits de gaz devant être traités par une unité de décomposition du N2O analogue à celle de la [Fig. 2] mais dans laquelle le réservoir et le troisième capteur de débit ne sont pas présents.

schématise un mode de réalisation d’une installation de fourniture d’un mélange gazeux N2O/O2 selon 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 de 50% N₂O / 50% O₂de qualité médicale (% molaire).

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 facial, qui est alimentée par le circuit patient 23.

Le circuit patient 23 comprend par ailleurs un réservoir de gaz 24, en communication fluidique avec ledit 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. 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).

La Fig. 2 schématise un mode de réalisation d’une unité de décomposition 1 du N₂O selon la présente invention, utilisable dans l’installation de fourniture de mélange gazeux N₂O/O₂de la Fig. 1.

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 et par ailleurs analyser les signaux provenant des différents composants de l’unité de décomposition 1 du N₂O, tels que vannes, pompe, capteurs… La carte de commande 150 et les autres composants de l’unité de décomposition 1 sont confinés dans une carcasse 15 externe rigide, par exemple en polymère.

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 ledit 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, dans lequel est agencé par ailleurs un premier capteur de débit 101, typiquement un capteur de débit massique. 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, ainsi que d’autres composés gazeux, par exemple du CO₂, de la vapeur d’eau (H₂O), de l’oxygène, de l’azote....

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 autre capteur de débit massique, appelé troisième capteur de débit 112. L’électrovanne proportionnelle 111 est agencée entre l’orifice d’entrée d’air 110a et le troisième capteur de débit massique 112. L’association de l’électrovanne proportionnelle 111 et du troisième capteur de débit massique 112, qui sont alimentés et contrôlés par la carte de commande 150 et pilotés par le microcontrôleur 151, forme un contrôleur de débit massique.

Plus précisément, le microcontrôleur 151 peut déterminer une consigne de débit Q et contrôler l’électrovanne proportionnelle 111 de sorte que le troisième 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 Q.

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 un 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 101, 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 troisième 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 le gaz et les 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 est rejeté dans l’atmosphère via un conduit d’évacuation 11 agencé en aval de l’échangeur de chaleur 140.

Par ailleurs, on prévoit aussi, en aval du premier capteur de débit 101, 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 additionnel, appelé deuxième capteur de débit 104, agencé sur le conduit principal 100, en aval du réservoir de gaz 103. Autrement dit, le deuxième 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 deuxième capteur de débit 104 peut être de même technologie que le premier capteur de débit 101.

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.

Le réservoir de gaz 103 permet de collecter, au besoin, au moins une partie du gaz expiré par le patient P, récupéré et convoyé par le circuit expiratoire 10 et circulant dans le conduit principal 100.

Le fonctionnement de l’unité de décomposition 1 du N₂O de la Fig. 2 est expliqué ci-après et illustré en Fig. 3.

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 au « repos », c’est-à-dire non gonflé.

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. Le premier capteur de débit 101 détecte cette première expiration du fait de l’apparition d’un débit gazeux Q dans le conduit principal 100 et envoie alors un signal à l’unité de contrôle 151 pour l’informer qu’une expiration est en cours. En réponse, l’unité de contrôle 151 déclenche un compteur temporel durant une durée dt et calcule l’intégrale du débit Q mesuré par le premier capteur de débit 101 pendant la durée dt afin de déterminer le volume expiré.

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.

Lorsque le patient réalise une deuxième expiration de gaz, le premier capteur de débit massique 101 en informe (i.e. envoi de signal) également l’unité de contrôle 151 puisqu’il détecte un débit dans le conduit principal 100.

L’unité de contrôle 151, ayant calculé le volume de 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 du patient P, est en mesure de déterminer la ventilation minute 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 d’inflation de l’ordre de 2 L.

Dès lors que la ventilation minute 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 deuxième capteur de débit 104, soit égal à la ventilation minute calculée, à savoir ici 10 L/min.

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 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 d’inflation du réservoir 103 au cours de la respiration dudit patient P.

Ainsi, le point A de la correspond à l’instant pendant la thérapie où le réservoir est au « repos » et aussi au moment au cours de 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. 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 la Fig. 3 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 son état de repos, 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.

D’une façon générale, selon l’invention, la taille du réservoir 103, ainsi que la façon qu’a l’unité de contrôle 151 de mesurer plus précisément la ventilation minute du patient P, par exemple en réalisant une intégrale du débit expiré sur une plus grande période de temps, et de piloter la pompe 120 en conséquence, peuvent permettre d’assurer toute la précision requise pour garantir la délivrance par la pompe 120 d’un débit constant de gaz avec une dilution adéquate de la concentration de N₂O.

On comprend que la combinaison du réservoir 103 et du troisième capteur de débit 104, qui coopèrent avec l’unité de contrôle 151, le premier capteur de débit 101 et la pompe 120, permet de transformer un débit patient P, par nature intermittent, en 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.

En effet, la 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 [Fig. 2], mais dans laquelle le réservoir 103 et le deuxième capteur de débit 104 ne seraient pas présents.

Comme on le voit sur la , 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 du patient P.

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 premier capteur de débit agencé en amont du réservoir 103 qui permet de calculer une ventilation minute du patient et un deuxième 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 ventilation minute calculée par le premier capteur de débit 103.

D’une façon générale, une unité de décomposition 1 du N₂O selon l’invention est conçue pour être utilisée dans une installation de fourniture d’un mélange gazeux N₂O/O₂comprenant une source de gaz 3 de protoxyde d’azote (N₂O), 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, tel un masque facial, alimentée par le circuit patient 23, et alimentant elle-même l’unité de décomposition 1 avec du gaz expiré par la patient.

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

un premier capteur de débit (101) agencé dans le conduit principal de gaz (100),
caractérisée en ce qu’elle comprend par ailleurs :
un réservoir de gaz (103) à volume variable en communication fluidique avec le conduit principal de gaz (100) entre le premier capteur de débit (101) et la pompe (120), et

un deuxième capteur de débit (104) agencé dans le conduit principal de gaz (100) entre le réservoir (103) et la pompe (120).
Unité selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le réservoir de gaz (103) à volume variable comprend une paroi déformable.
Unité selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un conduit d’air (110) relié fluidiquement, d’une part, à l’atmosphère par un orifice d’entrée d’air (110a) et, d’autre part, au conduit principal (100) entre le premier capteur de débit (101) et la pompe (120).
Unité selon la revendication 3, caractérisée en ce que le conduit d’air (110) comprend une électrovanne proportionnelle (111) et un troisième capteur de débit (112), de préférence l’électrovanne proportionnelle (111) est agencée entre l’orifice d’entrée d’air (110a) et le troisième capteur de débit (112).
Unité selon la revendication 4, caractérisée en ce que le premier capteur de débit (101), le deuxième capteur de débit (104) et le troisième capteur de débit (112) sont des capteurs de débit massiques.
Unité selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens de pilotage (150, 151), de préférence les moyens de pilotage (150, 151) comprennent une carte de commande électronique (150) et une unité de contrôle (151) à microprocesseur, typiquement un microcontrôleur.
Unité selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de pilotage (150, 151) sont configurés pour piloter l’électrovanne proportionnelle (111) et la pompe (120) en réponse à des mesures de débit opérées par le premier capteur de débit (101), le deuxième capteur de débit (104) et/ou le troisième capteur de débit (112), et transmises auxdits moyens de pilotage (150, 151).
Unité selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un réchauffeur de gaz (122) agencé entre la pompe (120) et le réacteur catalytique (130).
Unité selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un échangeur de chaleur (140) agencé en aval du réacteur catalytique (130) permettant de refroidir le gaz sortant du réacteur catalytique (130).
Installation de fourniture d’un mélange gazeux N₂O/O₂comprenant :
une source de gaz (3) de protoxyde d’azote (N₂O), 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 l'une des revendications précédentes, reliée fluidiquement à l’interface respiratoire (21).