P1 Conception d'une pompe automatique à insuline

Tuteurs : Belkacem Ould Bouamama
Projet de fin d'étude réalisé par Alice COFFIN et Amina FAHEM

Suivit du projet

Pour réaliser notre suivit de projet, nous avons utilisé un Gantt. Notre projet se repartir de la façon suivante :

Le suivit complet de notre projet se trouve dans le fichier suivant : Media:Gantt.pdf

Première semaine (18/09/17 : 24/09/17)

Objectif du Projet

Concevoir un système mécatronique représentant une pompe automatique d'injection d'insuline. Le produit final doit être une réalisation d'un prototype qui sera conçu au fabricarium de Polytech.

Description

Le remplacement du fonctionnement du pancréas pour l’équilibre de la glycémie est un challenge très important pour le confort des diabétiques insulinodépendant. Depuis peu de temps, des pompes fonctionnant en boucle ouverte sont proposées aux patients. Le profil du débit d'insuline à injecter est introduit manuellement en fonction des prescriptions du médecin. La problématique réside dans l'allure de la trajectoire de débit car il dépend d'un grand nombre de facteurs (activité physique, type d'alimentation, état du patient...). Ce projet est proposé par le laboratoire Cristal de Villeneuve d’Ascq et consiste en la réalisation d’un prototype de cette pompe avec une commande en boucle fermée c.à.d. en contre réaction du taux de glycémie avec des algorithmes de commande avancée.

Le diabète

Le diabète est une maladie caractérisée par un taux de sucre dans le sang anormalement élevé. Cela est due au manque d’une hormone appelée insuline, cette hormone est sécrétée par des îlots de Langerhans se trouvant au niveau du pancréas. Le diabète insulinodépendant est une maladie caractérisée par un déficit de cette hormone. Cette maladie est très dangereuse et peut même engendrer la mort du patient s’il n’est pas pris en charge. Elle peut également causer de grave complication (au niveau des yeux, des reins, du cœur et même des vaisseaux sanguins). Le patient doit réaliser le contrôle de sa glycémie lui-même et s’injecter les doses d’insuline nécessaire de manière à réguler son taux de sucre.

Les pompes à insuline

Le diabète est une maladie très contraignante, c’est pour cela que différents dispositifs ont été réalisés afin de faciliter la vie de ces patients. Les pompes à insuline en font partie. La pompe à insuline est un appareil réalisant des injections d’insuline à un patient atteint de diabète. Le patient programme sa pompe en fonction de valeurs qu’il mesure grâce à un capteur de glycémie. Ces pompes sont généralement constituées d’un réservoir d’insuline, d’un circuit électronique intégrant un moteur et une canule au bout de laquelle on trouvera une petite aiguille servant à injecter le produit (on appelle également cette partie le cathéter). Il existe à présent de nombreux modèle de pompe à insuline. Les principales entreprises qui réalisent ces pompes sont Medtronic, Animas ou encore Omnipod , mais ces dernières années, certain laboratoire se sont penchés sur la réalisation d’un pancréas artificiel.

Deuxième semaine (25/09/17 : 01/10/17)

Lors de cette semaine, nous avons répertorié l’ensemble des taches à réaliser afin de mener à bien le projet. De cette manière nous avons pu fractionner les sous-parties du projet et avons maintenant une vue d’ensemble sur les éléments à réaliser. Cela nous a permis d’organiser un calendrier provisionnel des taches à effectuer ainsi qu'un ordre de priorité.

Nous avons également commencé la réduction du modèle 3D précédemment réalisée lors du stage. Le fonctionnement étudier lors de ce stage restera le même, un système vis/écrou. Le piston est déplacé en translation par la rotation de la vis, cette vis est entrainée par un moteur. Le premier prototype réaliser durant le stage était trop grand. En effet, les dimensions d'une pompe à insuline doivent être de l'ordre de 8cm*6cm*4cm, or le modèle précédemment réalisé mesurait 18cm*10cm*15cm. Il était donc important de diminuer le modèle afin de pouvoir réaliser les tests sur ce dernier. Nous avons donc réalisé les plans de ce modèle 3D sur l'application de conception 3D Onshape.

https://www.onshape.com/

Fichier:Ancien modele pompe.Png

Troisième semaine (02/10/17 : 08/10/17)

Nous avons terminé la modélisation sur Onshape avant de commencer à imprimer notre pompe en 3D en utilisant les imprimantes se trouvant au fabricarium.

Pour faire fonctionner notre pompe nous allons utiliser un moteur à courant continu (DC). Etant donner que nous allons réaliser une simulation complète du système sous Matlab/Simulink, nous avons commencé à y modéliser un moteur DC. Le modèle équivalent du moteur DC est représenté de la manière suivante :

On peut donc en retirer les équations suivante :

Ce sont ces équations qui serons ensuite implémentées sous Matlab/Simulink afin de simuler ce moteur et d’étudier l'influence des différents paramètres sur le système.

Quatrième semaine (09/10/17 : 15/10/17)

En assemblant les différentes pièces imprimer par les imprimantes 3D, il est apparu que certaines dimensions n’étaient pas les bonnes (trop de jeu autour de l’écrou). Nous avons donc réimprimé ces pièces.

Ci-dessous l’assemblage de notre prototype avec vis-écrou.

Dimensions extérieures : 4 x 3.5 x 3.5 cm

La modélisation du moteur DC sous Simulink a été poursuivi et les premières simulations réalisées avec des valeurs types.

Cinquième semaine et Sixième semaine (16/10/17 : 22/10/17) et 23/10/17 : 29/10/17)

Le travail de ces semaines à porter sur la modélisation du système sous Simulink. Nous avons débuté par réaliser un schéma des éléments mis en cause dans notre modèle afin de pouvoir prendre en compte l’ensemble des phénomènes impliqués dans ce dernier.

Le moteur DC sera relié au système vis/écrou. La rotation de la vis entraînera le mouvement en translation du piston. Le piston exercera une pression sur l'insuline présent dans le cylindre qui s’échappera par le petit orifice de sortie.

Afin de modéliser le système, il est important de bien établir ses équations caractéristiques. Nous partons du moteur et de ses équations notées la semaine précédente.

Bras moteur : Expression de la force électromotrice de l’induit

On applique ensuite le principe fondamental de la dynamique en rotation sur notre système : La somme des couples est égale au quotient du moment d’inertie et de l’accélération angulaire du point considéré. On a donc :

Le frottement existant entre la vis et l’écrou constitue un élément résistif sur le système, or nous avons une relation directe entre le couple de frottement et la vitesse angulaire :

Les équations suivantes correspondent au système d’engrenage permettant de réduire la vitesse de rotation appliqué à la vis

On applique ensuite le principe fondamental de la dynamique en translation sur notre système, pour cela on considère la force exercée par le piston, les forces de frottement et la force lie à la pression qu’exerce le liquide sur le piston :

Système hydraulique

La variation de volume dans le cylindre est équivalente au produit de la vitesse du piston et de la section du cylindre

Nous avons ensuite calculé le débit totale grâce à l’équation suivante :

Référence : https://ocm.univ-lille1.fr/index.php/s/mwaO1ya25mocGRH