FR2544074A1 - Tranducteur d'activite respiratoire ou cardiaque - Google Patents
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Abstract
LE TRANSDUCTEUR STRATIFIE DE L'INVENTION COMPREND UNE PLAQUE SOUPLE SUPERIEURE16T DONT UNE PREMIERE SURFACE20T PORTE DES PREMIERS ELEMENTS CONVEXES22T UNIFORMEMENT SEPARES, UNE PLAQUE SOUPLE INFERIEURE16B DONT UNE DEUXIEME SURFACE 20B PORTE DES DEUXIEMES ELEMENTS CONVEXES22B UNIFORMEMENT SEPARES QUI SONT ALIGNES AVEC LES ESPACES EXISTANTS ENTRE LES PREMIERS ELEMENTS CONVEXES, UN ELECTRET18 EN POLYMERE DE RESINE SYNTHETIQUE PLACE ENTRE LESDITES PREMIERE ET DEUXIEME SURFACES DES PLAQUES, ET DES ELECTRODES 30T, 30B FIXEES AUX SURFACES OPPOSEES DUDIT ELECTRET ET DESTINEES A DETECTER LES CHARGES ELECTRIQUES SUPERFICIELLES APPARAISSANT A LA SUITE DE L'APPLICATION D'UNE FORCE VARIABLE ET A PRODUIRE UN SIGNAL PROPORTIONNEL A L'AMPLITUDE DE LA FORCE A UN CIRCUIT ELECTRONIQUE38. LE TRANSDUCTEUR PERMET DE CONTROLER L'ACTIVITE CARDIAQUE ET RESPIRATOIRE D'UN PATIENT.
Description
La présente invention concerne des transducteurs piézo-électriques
répondant à une variation des forces mécaniques qui leur sont appliqués Les forces mécaniques variables peuvent
Gtre produites par l'activité respiratoire-ou cardiaque d'un patient.
Le transducteur piézo-électrique est fait d'un matériau qui produit une charge électrique proportionnelle au degré de contrainte appliqué au matériau piézo-électrique par suite du déplacement d'une masse exerçant une force sur celui-ci Un potentiel électrique est créé suivant certains axes du réseau cristallin du matériau en réponse au déplacement de la charge résultant de
la déformation mécanique du matériau La structure du réseau cris-
tallin du matériau se déforme matériellement sous l'application d'une force croissante produite par la masse en déplacement La déformation du réseau produit un déplacement relatif des charges
positives et négatives dans le réseau cristallin interne au matériau.
Le déplacement des charges internes produit des charges externes égales de polarité opposée sur les surfaces opposées du matériau, en créant l"'effet piézo-électrique" On peut mesurer les charges en appliquant des contacts, ou électrodes métalliquesaux surfaces opposées du matériau piézo-électrique et en mesurant leur différence de potentiel L'amplitud'e et la polarité des charges superficielles induites sont respectivement proportionnelles à l'amplitude et à
la direction de la force appliquée, produite par la masse en dépla-
cement, de la manière indiquée par l'expression Q = d F o Q est la charge superficielle (en coulombs), d est la constante piézo-électrique (en coulombs par mètre carré et par newton par
mètre carré), et F est la force appliquée (en newtons).
Le transducteur piézo-électrique peut être considéré comme électriquement équivalent à un générateur de charge, qui délivre une charge proportionnelle à la force appliquée au matériau piézo-électrique Le transducteur piézo-électrique peut être connecté à un convertisseur charge-tension de sorte que la charge électrique fournie au convertisseur est proportionnelle à la vitesse de variation de la force appliquée, ou déformation du transducteur. Il est possible d'induire l"'effet piézoélectrique" dans certains poiymères de résine synthétique (composés organiques) en les refroidissant d'un état liquidez ou ramolli à l'état solide en présence d'un champ électrique ou les polymérisant en présence d'un champ électrique Des matériaux typiques utilisés pour réaliser ces traisducteurs piézo-électriques (transducteurs & électret) sont la cire d'abeilles et des polymères tels que le polyfluorure de vinylidène Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n: 3 792 201 présente un transducteur constitué d'une pellicule piézo-électrique d'une résine de polyfluorure de vinylidène portant un matériau conducteur de l'électricité sur les faces opposées de la pellicule Les molécules de la pellicule sont orientées par étirage de la pellicule, L'"effet piézo- électrique" est produit lorsqu'une force est appliquée perpendiculairement au plan de la pellicule en entraînant une déformation de la pellicule parallèlement t la direction de l'orientation moléculaire Le transducteur utilise l'électrat d'une pellicule de résine de fluorure de vinylidène
comme vibrateur ou oscillateur pour réaliser un transducteur acous-
tique Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3 996 922 (division du brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 898 981) présente un transducteur de force qui détecte les variations dues aux forces et aux déplacements alternatifs produits par la respiration ou le battement du coeur Le transducteur à électret sensible à la force possède des parties mobiles destinées à être placées au-dessous
d'un patient ou d'un moyen portant le patient, comme un matelas.
I 1 n'existe pas de liaison directe entre le transducteur et le patient, Le matériau de revêtement protecteur du transducteur est le vinyle, les électrodes fixées au matériau de l'électret sont des feuilles en acier souples et la pellicule de l'électret est en Téflon Le déplacement dû à la respiration normale du patient produit une force appliquée variable sur les électrodes L'accroissement de la force fait que les électrodes se rapprochent de la pellicule électriquement polarisée de la même manière qu'un conducteur se déplace dans un champ électrique de sorte qu'un courant circule dans un conducteur reliant les électrodes à un circuit électronique Le passage du courant dans le conducteur varie avec la force appliquée
aux électrodes, laquelle varie avec le rythme respiratoire du patient.
Lors de l'application d'une tension élevée (de pola-
risation) pour produire les champs électriques induisant l"'effet
piézo-électrique" dans des matériaux appropriés il y a une réorien-
tation de la structure cristalline qui -persiste après suppression de la tension de polarisation Souvent, ce processus d'induction est effectué à une température élevée En plus de produire un matériau présentant une constante piézo-électrique élevée, cette technique élimine les contraintes géométriques des axes cristallins et permet de mouler des matériaux piézo-électriques sous toute
forme voulue.
Il suffit qu'un matériau piézo-électrique soit déformé d'une faible quantité pour obtenir une tension de l'ordre de la fraction de volt Pour cette raison, on peut considérer le
matériau piézo-électrique comme un transducteur isométrique efficace.
La raideur des matériaux piézo-électriques est ordinairement impor-
tante, et les déformations possibles sont petites Par exemple, la déformation du matériau cristallin utilisée dans des capteurs
phonographiques est de 10 microns pour un poids de 1 gramme ( 9,81 m N).
Le matériau piézo-électrique ne peut maintenir de
tension de sortie lorsqu'une force entretenue lui est appliquée.
Ainsi, le matériau piézo-électrique est généralement destiné à mesurer des forces mécaniques variables Le matériau piézo-électrique peut produire une tension de sortie pour des variations de la déformation mécanique possédant une fréquence qui va de quelques hertz à plusieurs mégahertz La limite supérieure de la fréquence est déterminée par la masse totale et la raideur du transducteur mobile. Le brevet des Etats- Unis d'Amérique N O 4 144 877 présente des transducteurs à électret piézo- électriques fait de composés organiques que l'on obtient par refroidissement de l'état liquide, ou ramolli> à l'état solide en présence d'un champ électrique ou par polymérisation en présence d'un champ électrique Des matériaux typiques utilisés pour fabriquer des électrets sont la cire d'abeilles
et des polymères tels que le polyfluorure de vinylidène Des élec-
trodes conductrices sont déposées sur le matériau de l'électret par
des moyens connus et peuvent avoir une configuration en réseau.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 204 135 présente des éléments piézo-électriques organiques dans lesquels le déplacement du module piézoélectrique sous l'influence des conditions d'étirement n'est pas aussi important pour un copolyrère de fluorure de vinylidène non orienté que pour un homopolyî ère
de fluorure de vinylidène.
D'autres brevets pertinents sont les brevets des
Etats-Unis d'Amérique N O 3 820 529 et 4 299 233.
C'est un but de l'invention de permettre le contrôle de l'activité respiratoire et cardiaque d'un patient à l'aide d'un
transducteur doté d'un électret en polymère de résine synthétique.
Un but de l'invention est de proposer un transductet-, répondant à des forces mécaniques variables, qui fonctionne dans
une bande de fréquence relativement basse.
Un autre but de l'invention est de proposer un transducteur qui possède à la fois une sensibilité élevée vis à vis des forces mécaniques variables et une insensibilité par rapport
au bruit.
D'autres buts de l'invention sont de proposer un transducteur qui n'est pas directement relié au patient, qui est facile à utiliser et qui peut être adapté à l'utilisation par des adultes aussi bien que par des enfants, et qui donne une indication précise de l'activité cardiaque comme de l'activité respiratoire
indépendamment de la position du patient sur le transducteur.
En bref, il est décrit un transducteur du type feuilla stratifié qui est électriquement connecté à un circuit électriq; ' et qui répond à la variation de forces mécaniques qui lui sont appliquées Le transducteur comprend une plaque supérieure souple dont une première surface possède une matrice de premiers éléments convexes uniformément séparés et une plaque inférieure souple dont une deuxième surface est associée à une matrice de deuxièmes él 4 ments convexes uniformément séparés qui sont alignés avec des espaces existant entre les premiers éléments convexes Une pellicule d'électret faite d'un polymère de résine synthétique est prise en
sandwich entre les première et deuxième surfaces des plaques-supé-
rieure et inférieure, si bien que la pellicule d'électret produit des charges électriques lorsqu'elle est déformée du fait que les
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premiers et les deuxièmes éléments convexes appuient contre la pellicule d'électret et l'étirent horizontalement en réponse aux forces mécaniques variables Des électrodes sont fixées aux surfaces opposées de la pellicule d'électret et forment au moins sur une première surface, une configuration d'électrodes électriquement interconnectée qui sont uniformément séparées les unes des autres, si bien que les électrodes détectent les charges électriques et produisent un signal, transmis au circuit électronique, qui est
proportionnel à l'amplitude des forces mécaniques variables.
La description suivante, conçue à titre d'illustra-
tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels:
la figure 1 est une vue en perspective du trans-
ducteur stratifié du type feuille selon l'invention> des parties ayant été séparées pour laisser voir les différentes couches la figure 2 est une vue en section droite du transducteur de la figure 1; la figure 3 est une vue en plan d'une surface métallisée du matériau piézo-électrique du transducteur de la figure 1, montrant une configuration d'électrodes la figure 4 est une vue en section droite du
matériau piézo-électrique métallisé de la figure 3;-
la figure 5 est une vue en plan d'une surface métallisée du matériau piézo-électrique du transducteur de la figure 1, montrant une autre configuration d'électrodes; et la figure 6 est une vue en plan d'une surface métallisée du matériau piézo-électrique du transducteur de la
figure 1, montrant une-autre configuration d'électrodes.
Comme on peut le voir sur la figure 1, le transducteur stratifié du type feuille 10 comporte des couches protectrices supérieure 12 t et inférieure 12 b, un rembourrage de mousse 14, des plaques élastiques supérieure 16 t et inférieure 16 b, et un matériau piézo-électrique 18 portant des surfaces métallisées électriquement
interconnectées.
Plus spécialement le transducteur 10 peut être disposé de manière prédéterminée par rapport à un patient de façon
à répondre au rythme cardiaque et au rythme respiratoire du patient.
En raison de cette utilisation, le transducteur 10 peut être appelé un transducteur cardio-respiratoire Le transducteur est destiné à être placé entre le patient et un moyen de support du patient, par exemple un matelas,afin de détecter les variations des forces mécaniques produites par l'activité cardiaque et respiratoire du patient et peut être utilisa comme partie intégrante d'un système de détection d'apnée Le transducteur du type feuille peut être conçu de façon à être adapté à la taille de tout matelas dans le
but d'être sensible aux déplacements cycliques sensiblement ver-
ticaux qui sont transmis au transducteur par le battement cardiaque et la respiration du patient, indépendamment de la position du patient sur le matelas De plus, le transducteur n'est pas en contact direct avec le corps du patient et n'est pas destiné à
être appliqué à une partie quelconque du corps du patient.
Les couches protectrices supérieure 12 t et infé-
rieure 12 b peuvent être faites au moyen d'un matériau élastique à base de vinyle et être liées ensemble au niveau des bords de
façon d enfermer les autres constituants du transducteur cardio-
respiratoire stratifié 10 et lui assurer une protection vis à vis
de l'humidité, de l'usure et des déchirures propres à l'usage normal.
Le rembourrage de mousse 14 est fait d'une mousse de polyuréthane dense et permet une répartition uniforme de la force mécanique variable (F) qui est appliquéeau transducteur,
comme indiqué par la flèche de la figure 1.
Les plaques souples élastiques supérieure 16 t et inférieure 16 b sont faites en polyéthylène rempli d'air Sur une première surface 20 t de la plaque élastique supérieure 16 t, se
trouvent plusieurs premiers éléments convexes uniformément répar-
tis 22 t qui constituent une matrice Sur une deuxième surface 20 b de la plaque élastique inférieure 16 b, se trouvent plusieurs deuxièmes éléments convexes uniformément répartis 22 b qui forment une matrice Les première et deuxième surfaces 20 t et 20 b des plaques supérieure 16 t et inférieure 16 b sont tournées l'une vers
l'autre.
Le matériau piézo-électrique (un éléctret) est une
pellicule polarisée faite de polyfluorure de vinylidène (PIVDF).
La pellicule de PVDF porte une polarisation électrique, ou tension, permanente entre ses surfaces opposées En résultat, une première surface de la pellicule possède une polarité positive et la surface opposée a une polarité négative, ce qui produit un champ électrique dans la pellicule Aux deux surfaces du matériau piézo-électrique 18,
sont fixées des aires métallisées, qui seront décrites ci-après.
Selon l'invention, le transducteur cardio-respiratoire stratifié du type feuille possède la structure présentée sur la figure 2 Le matériau piézoélectrique 18 est pris en sandwich entre les première et deuxième surfaces 20 t et 20 b des plaques élastiques supérieure 16 t et inférieure 16 b Les éléments convexes se trouvant à la surface d'une plaque sont en alignement avec les espaces existant entre les éléments convexes se trouvant à la surface de l'autre plaque Le rembourrage de mousse 14 est placé au-dessus des plaques élastiques, du côté de la plaque supérieure 16 t, et du côté opposé à la plaque inférieure 16 b Les couches protectrices supérieure 12 t et inférieure 12 b sont liées ensemble au niveau de leurs bords, comme le montre la figure 2, afin d'assurer la
protection du matériau piézo-électrique, des plaques et du rembour-
rage qu'elles contiennent.
Des contacts ou électrodes métalliques (aires métal-
lisées) sont fixés aux deux surfaces du matériau piézo-électrique 18
afin de mesurer les charges superficielles induites qui sont pro-
portionnelles à l'amplitude et à la direction de la force appliquée F, comme indiqué ci-dessus Dans ce mode de réalisation, plusieurs électrodes métalliques 30 en forme de disques, comme indiqué sur les figures 3 et 4, sont fixées au matériau piézo-électrique 18 Les électrodes en forme de disques métalliques sont uniformément séparées les unes des autres sur sensiblement toute la surface du matériau piézo-électrique et sont disposées suivant une configuration de
rangées et de colonnes décalées, c'est-à-dire suivant une matrice.
Chaque disque est électriquement connecté à un autre disque disposé
obliquement ou diagonalement par rapport à lui, au moyen de conduc-
teurs électriques 32 La configuration matricielle électriquement interconnectée des électrodes en disques métalliques peut être fixée, par exemple par dépôt sous forme vapeur, à l'une des surfaces du matériau piézo-électrique, tandis que la surface opposée porte une électrode commune, ou bien les deux surfaces peuvent porter la
configuration matricielle d'électrodes métalliques de la figure 3.
L'hoame de l'art admettra que les électrodes métalliques peuvent présenter sensiblement n'importe quelle forme, à savoir la forme carrée, triangulaire ou rectangulaire, et que la configuration d'électrodes peut être différente sans que ceci altère son but ou
sa fonction.
La figure 4 montre la position des électrodes en forme de disques les unes par rapport aux autres de l'un et l'autre côté du matériau piézoélectrique lorsque les deux surfaces de ce matériau portent la configuration d'électrodes en disques métalliques ci-dessus décrite Les électrodes 30 t se trouvant sur une première surface sont sensiblement directement alignées avec les électrodes 30 b de la surface opposée du matériau piézo-électrique Les électrodes captent les charges superficielles externes (Li-1 et) produites
par le déplacement des charges intérieures du réseau dû à la défor-
mation mécanique des axes du réseau cristallin du matériau piézo-
électrique 18 par suite du déplacement-d'une masse exerçant une force sur celui-ci Les électrodes 30 t sont électriquement connectées par des conducteurs 32 t et les électrodes 30 b sont électriquement connectées par des conducteurs 32 b Les électrodes ne captent que les charges externes qui leur sont le plus proche Les charges présentes au niveau des électrodes produisent entre des fils de sortie 34 t et 34 b un signal qui est proportionnel à l'amplitude
des forces mécaniques variables exercée par la masse sur le trans-
ducteur Les conducteurs de sortie 34 t et 34 b sont électriquement connectés aux configurations d'électrodes en disques se trouvant
respectivement sur le dessus et le dessous du matériau piézo-élec-
trique 18, comme on peut le voir sur la figure 3 Le signal de sortie est transmis via les fils de sortie 34 t et 34 b à un moyen
de contrôle 38 à l'aide d'un câble 36, comme indiqué sur la figure 1.
Le moyen de contrôle, qui comporte un convertisseur charge-tension, et le câble sont collectivement définis comme étant le circuit électronique destiné à traiter le signal de sortie et à afficher
l'activité cardiaque et respiratoire.
Le transducteur cardio-respiratoire ci-dessus décrit doit être porté par un matelas, mais il peut se trouver au-dessus
: SS 44 O? 4
de la toile à matelas Lorsqu'une force sensiblement verticale est appliquée au transducteur 10, comme indiqué sur la figure 1, des charges externes apparaissent sur les surfaces de la pellicule de PVDF, lesquelles sont captées par les électrodes en forme de disques 30, à savoir les électrodes 30 t de la première surface et les électrodes 30 b de la surface opposée du matériau piézo-électrique, comme indiqué sur la figure 4 Les charges électriques de la surface
externe sont produites par la déformation des axes du réseau cris-
tallin de la pellicule de PVDF pendant que la pellicule est étirée horizontalement lorsque les premiers et les deuxièmes éléments convexes 22 t et 22 b exercent une pression contre les surfaces opposées du matériau piézo-électrique par suite de la force mécanique
sensiblement verticale qui est appliquée au transducteur.
La taille de chaque électrode en forme de disque varie en fonction de la taille du patient, puisque, pendant la respiration, le centre de gravité du patient se déplacera en produisant un signal
de sortie du transducteur de la manière ci-dessus indiquée Géné-
ralement, il faut pour les enfants des disques de diamètre approxima-
tivement compris entre 3,8 et 5,1 cm, l'espace laissé entre disques adjacents étant d'environ 5,1 cm Pour les adultes il faut des disques de diamètre approximativement compris entre 10 et 12,7 cm,
l'espace laissé entre disques adjacents étant d'environ 12,7 cm.
La configuration à disques, soit la première configu-
ration d'électrodes uniformément séparées,qui est représentée sur
la figure 3 est sensible à l'activité cardiaque du patient (batte-
ments du coeur) et à son activité respiratoire lorsque le patient repose sur le matelas, c'est-à-dire sur le transducteur Toutefois, la configuration d'électrodes présentée sur la figure 5 est également en mesure de détecter une translation horizontale du centre de gravité due à l'activité respiratoire ainsi que le déplacement
sensiblement vertical dû à l'activité cardiaque Une deuxième confi-
guration d'électrodes uniformément séparéesou configuration en échiquier, 40 offre des aires sensibles et non sensibles séparées les unes des autres qui répondent au moment de rotation produit par l'activité respiratoire du patient aussi bien qu'au déplacement vertical produit par l'activité cardiaque du patient La configuration
d'électrodes en échiquier de la figure 5 est fixée au matériau piézo-
électrique 18 a, et chaque électrode de cette configuration est
électriquement connectée aux autres électrodes et au circuit élec-
tronique de la même manière que la configuration à électrodes en disques ci-dessus décrite Pour les enfants, chaque électrode de forme carrée de la configuration en échiquier a un côté d'environ
mm L'écartement entre carrés adjacents est d'environ 50 mm.
Une troisième configuration d'électrodes uniformément séparées, ou configuration à électrodes rectangulaires, 46 est
présentée sur la figure 6 La configuration à électrodes rectangu-
laires de la figure 6 est fixée au matériau piézo-électrique 18 b et chaque électrode rectangulaire qui s'y trouve est électriquement
connectée aux autres électrodes rectangulaires et au circuit élec-
tronique de manière à former un circuit fermé sensiblement de la même manière que les première et deuxième configuration d'électrodes uniformément séparées ci-dessus décrites Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que les électrodes peuvent être conformées et configurées de diverses manières La configuration de la figure 6
peut être utilisée pour les adultes aussi bien que pour les enfants.
Pour toutes les configurations d'électrodes, la taille de l'élément convexe existant sur chaque plaque doit être plus
petite que la taille d'une électrode Dans les deux modes de réali-
sation ci-dessus présentés, la taille de chaque élément convexe
est d'environ 0,635 cm de diamètre.
Même si la pellicule de PVDF assez raide possède une épaisseur d'environ 28 microns dans tous les cas, la longueur et la largeur du transducteur du type feuille ne sont pas limitées, sauf pour des raisons pratiques par la taille du matelas La position optimale du transducteur est d'être entre le patient et le matelas, c'est-à-dire sous la toile à matelas Toutefois, à aucun moment le
transducteur ne vient en contact direct avec le corps du patient.
De plus, le transducteur n'est connecté en aucune manière au patient,
par exemple autour d'un bras ou d'une jambe.
Selon l'invention, l"'effet piézo-électrique" est induit dans une pellicule de polyfluorure de vinylidène à une
température comprise entre 60 et 100 C environ tandis que la pelli-
cule est étirée de manière uniaxe jusqu'à quatre fois sa longueur initiale Les électrodes (en forme de disques, carrées, rectangulaires,
etc) sont ensuite déposées par évaporation en des parties prédéter-
minées des surfaces du matériau piézo-électrique suivant une confi-
-uration prédéterminée, comme indiqué sur les figures 3, 5 et 6.
Ces opérations doivent être effectuées avant l'assemblage du trans-
ducteur 10 Pour polariser la pellicule de polyfluorure de vinylidène avant l'assemblage, on doit appliquer une tension continue élevée entre les matrices d'électrodes déposées se trouvant de part et d'autre de la pellicule de polyfluorure de vinylidène pendant
environ 1 h à une température d'environ 80 A 100 'C Si le trans-
ducteur est assemblé sans que la pellicule de polyfluorure de vinylidêne ait été polarisée, on peut chauffer et polariser le transducteur par l'intermédiaire du câble 36 présenté sur la figure 1 La sensibilité du transducteur stratifié du type feuille
selon l'invention dépend de l'épaisseur de la pellicule de poly-
fluorure de vinylidène et-de la tension continue utilisée pour la polariser La rigidité diélectrique du matériau piézo-électrique -est un facteur limitant l'obtention d'une sensibilité élevée Le transducteur fonctionne dans une bande de 0,1 à 10 hertz et est en mesure de répondre à l'activité respiratoire aussi bien qu'à
l'activité cardiaque.
L'appréciation de certaines des valeurs numériques données ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent
de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques.
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima-
giner à partir des transducteurs dont la description vient d'être
donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.
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| ST | Notification of lapse |