Composants clés dans nombre de dispositifs médicaux, les électrovannes miniatures évoluent autour de leur fonction de base de contrôle des fluides, avec les avancées de l'électronique notamment. Emerson fait ici le point sur les applications et sur les avantages que procurent ces évolutions.

Par Paul Gant, responsable du développement commercial pour le secteur médical et de l’analyse chez Emerson

Automatisable, fiable et durable, l’électrovanne a pour fonction de contrôler un fluide, gazeux ou bien liquide. Comme tout composant intégré dans un dispositif médical, elle doit naturellement répondre à des exigences strictes.

On trouve des électrovannes miniatures dans les concentrateurs d’oxygène, les appareils d’assistance respiratoire, les équipements d’anesthésie, les dispositifs de surveillance des patients, les appareils de diagnostic clinique, les machines de dialyse, les équipements chirurgicaux… entre autres.

Une commande électronique intelligente

Les électrovannes apportent une valeur ajoutée intéressante pour les concepteurs d'appareils d’oxygénothérapie, qui peuvent les associer à de l’électronique intelligente pour ajouter des fonctions automatisées et améliorer le fonctionnement de leurs produits.

Les pressions rencontrées dans la plupart des ces applications sont souvent inférieures à celles des applications industrielles, en général de l’ordre de 1bar (14,5 psi), voire beaucoup moins. Certains appareils, tels que les équipements d’assistance respiratoire, peuvent néanmoins nécessiter des électrovannes pour mélanger de l’air et de l’oxygène à des pressions d’entrée de 2 à 3 bars, ou plus.

Exemple d'électrovanne proportionnelle (Sentronic Plus) utilisée dans le médical (source Emerson).

La régulation proportionnelle, c’est-à-dire la capacité d’une électrovanne à faire varier la taille de son orifice en fonction de la puissance d’un signal, offre des possibilités supplémentaires et est utilisée dans de nombreux cas. Une électrovanne proportionnelle à commande électronique peut ainsi servir à contrôler le mélange des gaz avant leur administration au patient, à faire varier le rapport du mélange oxygène/air, et même à contrôler la pression résiduelle dans les poumons pendant l’expiration.

Outre ces fonctions de ventilation, les électrovannes peuvent également assurer la réinitialisation automatique du transducteur de pression de l’appareil (pour garantir un étalonnage adapté à l’altitude et aux conditions atmosphériques), ajouter des gaz thérapeutiques, contrôler la pression et les débits maximaux délivrés au patient, et même faire office de soupape de sûreté pour le protéger. Selon le type de dispositif, ces électrovannes peuvent en outre assumer différentes tâches importantes afin de maximiser les capacités des fonctions spécialisées de la machine.

Electrovannes à isolation du fluide

Certaines électrovannes, appelées "à isolation du fluide" sont utilisées lorsque le contrôle des fluides doit se faire en évitant toute contamination par des éléments extérieurs, y compris l’électrovanne elle-même. Cette isolation est souvent assurée par une membrane de type EPDM, FKM, FFKM. Il est également possible d’utiliser une électrovanne "à pincement", dans laquelle le fluide passe par un tube souple qui est pincé pour réaliser la coupure ou le contrôle directionnel ou proportionnel.

Il est en outre possible d’utiliser un gaz sous pression pour contrôler un liquide, par exemple pour réguler la pression ou le volume dans une pompe à perfusion, ou pour mesurer précisément l’écoulement de liquide dans les équipements de diagnostic ou de recherche. On évite ainsi toute contamination grâce à des systèmes d’isolation intégrés à l’instrument.

Besoins actuels et tendances futures

Pour choisir une électrovanne, les concepteurs de DM doivent considérer plusieurs facteurs clés et avantages techniques potentiels.

L'un de ces critères concerne la portabilité. Les électrovannes sont utilisées depuis longtemps dans les dispositifs médicaux en raison de leur compacité et de leur légèreté.

Pour certaines applications, l’une des évolutions les plus récentes est la possibilité de personnaliser la configuration des composants des électrovannes pour une adaptation plus précise aux espaces restreints et aux exigences de légèreté, sans compromis sur les fonctionnalités.

Autre élément important : la gestion de l'alimentation. Il s'agit de gagner en efficacité énergétique et en maîtrise de la chaleur. Dans ce domaine, les électrovannes de dernière génération offrent un avantage certain, car elles se déclinent généralement en un large éventail de profils de puissance. Une électrovanne précisément adaptée à la puissance du DM peut contribuer à prolonger la durée de vie des batteries sur les modèles portables, et à limiter la température. Cet aspect peut être critique dans les DM de diagnostic sanguin.

L'évolutivité est aussi à considérer, avec des éléments de base modulaires. Les électrovannes peuvent ainsi être facilement intégrées à des îlots de distribution et autres sous-ensembles de contrôle électropneumatique, pour lesquels il est possible d'augmenter le volume de production de façon efficace.

Un fabricant d’outils chirurgicaux a, par exemple, récemment mis au point un prototype d’aspirateur à ultrasons utilisé en association avec un instrument de meulage. Ce dispositif commence par rincer la zone incisée avant d’aspirer le sang et les fragments d’os ou de tissus par le biais d’un embout. Un sous-ensemble de contrôle pneumatique intégrant des électrovannes permet de contrôler le niveau d’aspiration et de sélectionner la source d’air (source externe ou pompe d’aspiration embarquée). Selon le succès du dispositif, le circuit d’électrovannes et le sous-ensemble entier pourront facilement être modifiés de manière à ajuster leur coût en fonction des volumes de production souhaitées.

Autre critère de choix, l'intégration de la micro-électronique permet de rendre les électrovannes plus intelligentes et compatibles avec divers protocoles de communication numérique, comme Ethernet IP ou Profinet.

Associées aux commandes électroniques et aux retours d’informations appropriés, les électrovannes proportionnelles miniatures peuvent ainsi contrôler la pression, le débit ou d’autres variables d’un dispositif médical. Ces systèmes en boucle fermée offrent aux ingénieurs concepteurs la capacité de créer un contrôle de système complexe.

La fonction d'acquisition de données, basée sur l'intégration de technologies numériques dans les électrovannes, devrait permettre, dans un avenir proche, de documenter les effets des dispositifs médicaux sur les résultats thérapeutiques. Ce type d'électrovanne intelligente peut fournir un avantage concurrentiel important au fabricant de DM.

Prenons l’exemple d’un patient en chirurgie auquel on administre un mélange d’air et d’oxygène par le biais d’un respirateur. Celui-ci est doté d’un oxymètre qui mesure en permanence le niveau d’oxygène dans le sang. Si ce niveau tombe en dessous d’une valeur prédéfinie, le système envoie automatiquement un signal à une électrovanne pour augmenter le taux d’oxygène administré. Dans ce scénario, l'électrovanne intelligente utilise la boucle de commande pour communiquer le mouvement de l’actionneur et l’augmentation de la quantité d’oxygène associée. Ces informations peuvent être consignées dans le dossier numérique du patient, et aider à s'assurer que le dispositif fournit correctement le traitement ciblé.

Enfin, la prise en charge de conceptions personnalisées peut être déterminante pour répondre à des exigences précises. Cela implique de choisir un fournisseur disposant de ressources d’ingénierie directement mobilisables afin d’adapter rapidement des produits standard pour en faire des systèmes personnalisés (taille de l’électrovanne, pression nominale, poids…), notamment en matière d'intégration de l'électronique dans des solutions de contrôle de fluide.

www.emerson.com