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Moteur cc de FAULHABER entraînent une pompe à perfusion portable à haut rendement

La plupart des gens ne réalisent pas que le corps humain peut contenir jusqu'à 85% d'eau. Il n'est donc pas étonnant que l'une des premières lignes de traitement pour les patients traumatisés comme les soldats blessés soit le remplacement contrôlé, souvent en grandes quantités, des fluides. Le problème est que les pompes à perfusion conventionnelles sont généralement conçues pour délivrer de petites quantités de fluides avec une haute précision, 100 ml sur une heure ou plus par exemple, ce qui est loin d'être suffisant pour le traitement des traumatismes. Lorsque l'armée américaine s'est mise à la recherche d'une unité de terrain compacte, portable et capable de fonctionner à un débit de 100 ml/min, l'entreprise Infusion Dynamics (aujourd'hui Zoll Medical Corp.) s'est tournée vers le contrôle du mouvement et les micromoteurs C.C., efficaces et à couple élevé de FAULHABER pour apporter la réponse.

La conception consiste en une pompe modulaire avec une cartouche jetable placée dessus. L'appareil fonctionne avec six piles AAA pour un total de 9 V. L'objectif de l'armée était de pouvoir perfuser un patient avec une charge des piles ; l'appareil fini est si efficace qu'il peut fonctionner pendant huit à dix heures à pleine vitesse en perfusant plusieurs patients avec un seul jeu de piles.

Moteur cc de FAULHABER entraînent une pompe à perfusion portable à haut rendement
Un étrier basculé par une came excentrique en rotation comprime d'abord un tube puis l'autre, pour pomper les fluides. (Avec l'aimable autorisation de Zoll Medical)
Moteur cc de FAULHABER entraînent une pompe à perfusion portable à haut rendement
Le Power Infuser consiste en une unité de pompage surmontée d'une cartouche jetable. (Avec l'aimable autorisation de Zoll Medical)

L'efficacité avant tout

La partie mécanique de l'unité de pompage est constituée d'un cadre en aluminium anodisé surmonté d'un étrier avec deux brides sur la face inférieure dans une configuration en fourche. La cartouche jetable, qui repose sur l'étrier, est essentiellement constituée de deux tubes parallèles en plastique transparent, chacun d'eux étant muni de clapets anti-retour passifs à ses extrémités opposées, ce qui provoque un flux unidirectionnel lorsque les tubes sont comprimés. La fourche située sous l'étrier chevauche une came excentrique en rotation qui l'oblige à basculer d'avant en arrière. Ce faisant, une nervure sur chacun des côtés comprime le tube de la cartouche qui se trouve au-dessus. Cette action expulse le fluide du tube de la cartouche vers la ligne intraveineuse du patient.

Pour maximiser la durée de vie des piles, l'équipe de conception s'est d'abord concentrée sur l'efficacité. Chaque fois qu'un des tubes est comprimé, il emmagasine de l'énergie potentielle. Une fois le liquide expulsé, l'énergie potentielle se transforme en énergie cinétique puisque l'expansion du tube vide renforce l'action de faire basculer l'étrier de l'autre côté, si bien que l'autre tube peut commencer à se comprimer. « C'est incroyablement efficace, déclare Michael Loughnane, aujourd'hui président d'Instech Labs et l'un des concepteurs de l'unité. Si vous n'utilisiez qu'un seul tube, vous obtiendriez un certain débit à une certaine puissance. Si vous ajoutez le deuxième tube, les besoins en énergie n'augmentent que légèrement mais le débit double. Nous utilisons cette action de pompage équilibré pour obtenir le meilleur rendement du mécanisme. »

La pompe a été conçue de manière à ce que le mouvement ne ferme jamais complètement un tube. Une telle occlusion, comme on la trouve dans les pompes péristaltiques, consomme de l'énergie, tant pour la compression que pour le contrôle du reflux. Intégré au corps de la cartouche se trouve un filtre d'élimination de l'air séparé composé d'une membrane hydrophile et d'une membrane hydrophobe. L'air est expulsé à travers la membrane hydrophobe. Cette partie de la cartouche garantit qu'aucune bulle d'air n'entrera dans la ligne intraveineuse. « En fait, vous pourriez laisser tomber le sac par terre, la pompe évacuera tout l'air, puis finira de pomper le fluide dans le sac », explique le co-concepteur Kenneth Cook.

Pour motoriser l'étrier, le groupe avait besoin d'un motoréducteur C.C. capable de fournir un couple suffisant pour comprimer les tubes, mais suffisamment petit pour satisfaire aux contraintes de taille de la pompe. Il fallait surtout qu'il soit efficace. « En utilisant un modèle mathématique, nous avons trouvé le meilleur rapport de réduction et la meilleure vitesse, et nous avons choisi le moteur et les rapports de réduction appropriés pour répondre à ces critères », explique Loughnane. Le choix est tombé sur un servomoteur FAULHABER MICROMO de 13 mm de diamètre et 31 mm de long, équipé d'un réducteur de 15 mm de diamètre pour un rapport de réduction de 76:1. « Nous avons fait appel à d'autres sociétés, ajoute-t-il. Mais nous avons constaté que parmi les moteurs que nous avons testés, ceux de FAULHABER MICROMO étaient les plus efficaces. »

Les premiers prototypes ont été construits avec des moteurs 9 V mais l'efficacité s'est avérée encore meilleure en sous-alimentant un modèle 12 V. « La consommation de courant du moteur est généralement meilleure si vous ne travaillez pas en haut-régime, explique M. Loughnane. C'est une conception plus efficace que d'avoir un moteur conçu pour fonctionner à 9 V et de le faire fonctionner à 9 V. » Le groupe a apporté une modification au motoréducteur en ajoutant un palier externe à l'extrémité distale de l'arbre pour fournir un support supplémentaire.

Moteur cc de FAULHABER entraînent une pompe à perfusion portable à haut rendement
La pompe à perfusion à mouvement commandé (boîte noire attachée au poignet du patient) peut remplacer les liquides de victimes de traumatismes à 100 ml/minute.

Garder le contrôle

La conception mécanique étant terminée, le problème suivant était le contrôle. L'appareil ne devait pas émettre d'interférences électromagnétiques, de sorte que l'utilisation d'un microprocesseur classique était exclue. Le groupe a plutôt opté pour une logique discrète et un contrôle analogique basé sur la rétroaction de la force contre-électromotrice. Le sélecteur avec lequel régler le débit de la pompe fixe une tension à laquelle doit correspondre la FCEM amplifiée du moteur. Le circuit analogique fait varier le signal de commande du moteur en fonction des résultats, ce qui permet de contrôler la vitesse en boucle fermée.

« De la constante de FCEM dépend la vitesse du moteur, explique Loughnane. L'une des choses que nous apprécions dans les moteurs FAULHABER MICROMO est que les constantes de FCEM sont bien en deçà des 10% attendus ; elles sont en fait bien meilleures que cela. Si cela variait d'un moteur à l'autre, ce serait un problème, mais ce chiffre a été très bon et constant. »

Dans un souci d'amélioration de l'efficacité, le régulateur de vitesse n'entraîne le moteur qu'en marche avant. Il n'essaie pas de maintenir la vitesse constante tout au long du cycle. Au lieu de cela, si le moteur va un peu plus vite après la compression maximale grâce à l'énergie potentielle stockée, le circuit lui permet de fonctionner en roue libre, électriquement parlant.

Un avantage secondaire de l'approche de contrôle est que le courant nécessaire pour actionner le moteur est directement lié au degré d'occlusion dans les tubes. Si le courant dépasse un certain seuil parce que la pompe est bouchée, l'appareil s'arrêtera automatiquement. De même, si le tube intraveineux est raccordé à une aiguille sous-dimensionnée qui exerce une pression de reflux, l'appareil stoppera. Selon Loughnane, les aiguilles de calibre 18 sont optimales pour les patients traumatisés ; l'arrêt automatique peut éviter une erreur.

La conception comprend également une paire de broches en acier inoxydable qui forment un conductimètre sur le trajet du fluide. Si le tube se remplit d'air en raison d'une défaillance du filtre d'élimination, la résistance augmente et la pompe s'arrête. Le médecin doit alors intervenir pour éliminer l'air et redémarrer la pompe. Le compteur peut également détecter si le bon fluide est utilisé - une solution saline ou une autre solution avec une concentration physiologique en sel.

FAULHABER SR
1331 ... SR
Commutation métaux précieux
Fiche technique (PDF)
Particularités clés
Diamètre:
8 ... 22 mm
Longueur:
15.8 ... 32.2 mm
Tension nominale:
3 ... 36 V
Vitesse jusqu'à:
17000 min⁻¹
Couple jusqu'à:
10 mNm
Puissance continue jusqu’à:
8.5 W
Détails sur le produit

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