FR3140750A1 - Device for characterizing biological soft tissues - Google Patents
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Abstract
Dispositif de caractérisation de tissus mous biologiques, comprenant: un impacteur (10); une tige (20) ayant une extrémité proximale (20a) formant une surface d'impact (21) et une extrémité distale (20b) disposée au contact des tissus (4); au moins un capteur de force (12) détectant la force d’impaction exercée au niveau de la surface d'impact (21) et fournissant un signal de mesure représentant la variation temporelle de la force d'impaction lors d'un impact; et une unité de traitement (30) du signal de mesure, reliée au capteur (12). L'unité de traitement (30) calcule un premier indicateur représentatif de la rigidité des tissus (4). Ce premier indicateur correspond à la durée d'une fenêtre temporelle, le début de cette fenêtre temporelle étant défini par rapport au premier pic d'amplitude du signal de mesure et la fin de cette fenêtre temporelle étant définie par rapport au deuxième pic d'amplitude du signal de mesure.(Figure 1) Device for characterizing biological soft tissues, comprising: an impactor (10); a rod (20) having a proximal end (20a) forming an impact surface (21) and a distal end (20b) disposed in contact with the tissues (4); at least one force sensor (12) detecting the impaction force exerted at the impact surface (21) and providing a measurement signal representing the temporal variation of the impaction force during an impact; and a processing unit (30) of the measurement signal, connected to the sensor (12). The processing unit (30) calculates a first indicator representative of the stiffness of the tissues (4). This first indicator corresponds to the duration of a time window, the start of this time window being defined in relation to the first amplitude peak of the measurement signal and the end of this time window being defined in relation to the second amplitude peak of the measurement signal. (Figure 1)
Description
L'invention concerne un dispositif et un procédé pour la caractérisation de tissus mous biologiques. Ce dispositif et ce procédé peuvent être utilisés, en particulier, pour la caractérisation des propriétés mécaniques (rigidité, viscoélasticité, non-linéarité) des tissus mous biologiques tels que la peau, les muscles ou tout organe composé de tissus mous.The invention relates to a device and a method for the characterization of biological soft tissues. This device and this method can be used, in particular, for the characterization of the mechanical properties (rigidity, viscoelasticity, non-linearity) of biological soft tissues such as skin, muscles or any organ composed of soft tissues.
La détermination des propriétés mécaniques des tissus mous est importante dans plusieurs domaines médicaux comme la dermatologie, l’orthopédie (tendons), la rhumatologie, la médecine interne ou l’oncologie, puisque l’évaluation de ces propriétés mécaniques peut ensuite permettre de diagnostiquer diverses pathologies comme, par exemple, des fibroses. En outre, dans le domaine cosmétique, déterminer la rigidité de la peau présente un fort intérêt afin d’évaluer les performances de soins cutanés.Determining the mechanical properties of soft tissues is important in several medical fields such as dermatology, orthopedics (tendons), rheumatology, internal medicine or oncology, since the evaluation of these mechanical properties can then allow the diagnosis of various pathologies such as, for example, fibrosis. In addition, in the cosmetic field, determining the rigidity of the skin is of great interest in order to evaluate the performance of skin care.
Différents dispositifs de caractérisation de tissus mous biologiques basés sur différents principes de mesure sont décrits ci-après et dans les documents de brevet US 7556605 B2, US 10603013 B2 et EP 2658442 B1.Various devices for characterizing biological soft tissues based on different measuring principles are described below and in patent documents US 7556605 B2, US 10603013 B2 and EP 2658442 B1.
Un dispositif de caractérisation connu crée une pression négative dans une cavité de manière à aspirer la peau dans cette cavité. Après un temps défini, la peau est relâchée à l’intérieur de la cavité. La résistance de la peau face à la pression négative (fermeté) et sa capacité à retourner dans sa position d’origine (élasticité) sont affichées sous forme de courbes (profondeur de pénétration en mm/unité de temps) en temps réel pendant la mesure.A known characterization device creates a negative pressure in a cavity so as to suck the skin into this cavity. After a defined time, the skin is released inside the cavity. The resistance of the skin to the negative pressure (firmness) and its ability to return to its original position (elasticity) are displayed as curves (penetration depth in mm/time unit) in real time during the measurement.
Une autre méthode de caractérisation consiste à enregistrer l'oscillation naturelle amortie des tissus biologiques mous sous la forme d'un signal d'accélération et le calcul simultané de paramètres d'état de tension, de propriétés biomécaniques et de propriétés viscoélastiques. L'oscillation naturelle amortie est induite par une impulsion mécanique extérieure à faible force et à dégagement rapide sous précharge constante.Another characterization method is to record the damped natural oscillation of soft biological tissues as an acceleration signal and simultaneously calculate tension state parameters, biomechanical properties, and viscoelastic properties. The damped natural oscillation is induced by a low-force, fast-release external mechanical impulse under constant preload.
Enfin, l'élastographie est une technique d’imagerie médicale qui utilise la vitesse de propagation des ondes de cisaillements dans des tissus mous pour en mesurer la rigidité.Finally, elastography is a medical imaging technique that uses the speed of propagation of shear waves in soft tissues to measure their rigidity.
L'invention vise à proposer une nouvelle méthode de caractérisation des tissus mous biologiques mettant en œuvre un dispositif simple et rapide à utiliser.The invention aims to propose a new method for characterizing biological soft tissues using a simple and quick-to-use device.
Un dispositif de caractérisation de tissus mous biologiques selon l'invention comprend :
un impacteur adapté pour impacter une surface d’impact,
une tige ayant une extrémité proximale formant la surface d'impact et une extrémité distale adaptée pour être disposée au contact des tissus, la tige étant adaptée pour transmettre aux tissus une force exercée par l'impacteur sur la surface d'impact,
au moins un capteur de force apte à détecter la force d’impaction exercée au niveau de la surface d'impact et à fournir un signal de mesure représentant la variation temporelle de la force d'impaction lors d'un impact, et
une unité de traitement de signal de mesure, reliée au capteur.A device for characterizing biological soft tissues according to the invention comprises:
an impactor suitable for impacting an impact surface,
a rod having a proximal end forming the impact surface and a distal end adapted to be arranged in contact with the tissues, the rod being adapted to transmit to the tissues a force exerted by the impactor on the impact surface,
at least one force sensor capable of detecting the impact force exerted at the impact surface and of providing a measurement signal representing the temporal variation of the impact force during an impact, and
a measurement signal processing unit, connected to the sensor.
L'unité de traitement est configurée pour calculer, à partir de la variation temporelle de la force d'impaction lors de l'impact, un premier indicateur représentatif de la rigidité des tissus. Ce premier indicateur correspond à la durée d'une fenêtre temporelle, le début de cette fenêtre temporelle étant défini par rapport à un instant correspondant au premier pic d'amplitude du signal de mesure et la fin de cette fenêtre temporelle étant définie par rapport à un instant correspondant au deuxième pic d'amplitude du signal de mesure.The processing unit is configured to calculate, from the temporal variation of the impaction force during the impact, a first indicator representative of the rigidity of the tissues. This first indicator corresponds to the duration of a time window, the start of this time window being defined relative to an instant corresponding to the first amplitude peak of the measurement signal and the end of this time window being defined relative to an instant corresponding to the second amplitude peak of the measurement signal.
Dans la présente demande, on désigne par rigidité la propriété mécanique caractérisée localement par le module d'élasticité, ou module d'Young, exprimé en Pascal. Cette propriété mécanique correspond à l'élasticité en régime linéaire.In the present application, rigidity refers to the mechanical property characterized locally by the modulus of elasticity, or Young's modulus, expressed in Pascal. This mechanical property corresponds to elasticity in linear mode.
La solution proposée repose sur la mise en œuvre d'un ou plusieurs capteurs de force délivrant un signal de mesure, l’enregistrement et l’analyse de ce signal par l'unité de traitement permettant de déterminer un indicateur révélateur de la rigidité des tissus mous biologiques. Lorsque plusieurs capteurs sont utilisés, les signaux respectivement délivrés par ces capteurs peuvent être, par exemple, moyennés ou combinés pour obtenir le signal de mesure qui sera analysé et à partir duquel l'indicateur sera calculé. La liaison électronique entre le capteur et l'unité de traitement peut être filaire ou non.The proposed solution is based on the implementation of one or more force sensors delivering a measurement signal, the recording and analysis of this signal by the processing unit making it possible to determine an indicator revealing the rigidity of biological soft tissues. When several sensors are used, the signals respectively delivered by these sensors can be, for example, averaged or combined to obtain the measurement signal which will be analyzed and from which the indicator will be calculated. The electronic connection between the sensor and the processing unit can be wired or not.
Dans la présente demande, on désigne par "impacteur" un outil de percussion. Dans certains modes de réalisation, l'impacteur comprend une tête de frappe dont la masse est comprise entre 3 et 50 g et, plus particulièrement, entre 5 et 20 g. En deçà de 3 g, on observe une perte de sensibilité et il est plus difficile de discriminer les différents tissus à caractériser. Au-delà de 50 g, on observe dans certains cas une disparition du deuxième pic d'amplitude liée à l'absence de rebond de la tige lors de l'impact. En outre, plus la masse de la tête de frappe est importante, plus le risque d'endommager les tissus lors de l'impact augmente.In the present application, the term "impactor" refers to a percussion tool. In certain embodiments, the impactor comprises a striking head whose mass is between 3 and 50 g and, more particularly, between 5 and 20 g. Below 3 g, a loss of sensitivity is observed and it is more difficult to discriminate between the different tissues to be characterized. Above 50 g, in certain cases a disappearance of the second amplitude peak is observed linked to the absence of rebound of the rod during the impact. In addition, the greater the mass of the striking head, the greater the risk of damaging the tissues during the impact.
L'impacteur a, par exemple, la forme d'un marteau et comprend un manche surmonté d'une tête de frappe. D'autres formes pourraient toutefois être envisagées du moment que l'impacteur assure sa fonction de percussion.The impactor is, for example, shaped like a hammer and includes a handle topped with a striking head. However, other shapes could be considered as long as the impactor fulfills its percussion function.
Le dispositif proposé est de conception simple. Il a donc l’avantage d’être moins coûteux et plus robuste que d’autres dispositifs connus comme les dispositifs d’élastographie. En outre, ce dispositif est facile à utiliser puisqu'il suffit d'impacter la tige (i.e. de taper sur la tige) avec l'impacteur. Il s'agit donc d'un geste usuel et simple, à la portée de tous, lorsqu'il est réalisé manuellement. En variante, le mouvement de l'impacteur peut être contrôlé automatiquement. Un système de guidage du mouvement de l'impacteur et/ou de la tige peut être envisagé sans sortir du cadre de l'invention.The proposed device is of simple design. It therefore has the advantage of being less expensive and more robust than other known devices such as elastography devices. In addition, this device is easy to use since it is sufficient to impact the rod (i.e. tap the rod) with the impactor. It is therefore a common and simple gesture, within everyone's reach, when it is carried out manually. Alternatively, the movement of the impactor can be controlled automatically. A system for guiding the movement of the impactor and/or the rod can be envisaged without departing from the scope of the invention.
Par ailleurs, la technologie proposée se distingue des technologies existantes car elle se base sur l’analyse d’un impact ponctuel. En particulier, la rigidité est mesurée à partir de la durée d'une fenêtre temporelle entre l’impact initial, qui se traduit par un premier pic d'amplitude dans le signal de mesure, et le rebond de la tige sur l'impacteur, qui se traduit par un deuxième pic d'amplitude. Les inventeurs ont démontré que la durée de cette fenêtre temporelle était corrélée à la rigidité des tissus et constituait un indicateur fiable.Furthermore, the proposed technology differs from existing technologies because it is based on the analysis of a one-time impact. In particular, the stiffness is measured from the duration of a time window between the initial impact, which results in a first amplitude peak in the measurement signal, and the rebound of the rod on the impactor, which results in a second amplitude peak. The inventors have demonstrated that the duration of this time window is correlated with the stiffness of the tissues and constitutes a reliable indicator.
Dans certains modes de réalisation, l'unité de traitement est également configurée pour calculer, à partir de la variation temporelle de la force d'impaction lors de l'impact, un deuxième indicateur représentatif de la viscoélasticité des tissus. Ce deuxième indicateur correspond au rapport de l'amplitude du premier pic sur l'amplitude du deuxième pic ou au rapport de l'amplitude du deuxième pic sur l'amplitude du troisième pic du signal de mesure. Les inventeurs ont démontré que ce rapport d'amplitude était corrélé à la viscoélasticité des tissus et constituait un indicateur fiable.In some embodiments, the processing unit is also configured to calculate, from the temporal variation of the impaction force during the impact, a second indicator representative of the viscoelasticity of the tissues. This second indicator corresponds to the ratio of the amplitude of the first peak to the amplitude of the second peak or to the ratio of the amplitude of the second peak to the amplitude of the third peak of the measurement signal. The inventors have demonstrated that this amplitude ratio was correlated with the viscoelasticity of the tissues and constituted a reliable indicator.
Dans certains modes de réalisation, l'unité de traitement détecte dans le signal de mesure le premier pic d'amplitude et le pic d'amplitude succédant au premier pic, ce dernier pic n'étant considéré comme le deuxième pic d'amplitude que si le signal de mesure devient inférieur à une valeur limite prédéterminée entre ces deux pics (i.e. si le signal de mesure descend au-dessous de la valeur limite avant de repasser au-dessus de cette valeur pour former le deuxième pic). En particulier, la valeur limite peut être comprise entre 1 à 5 % de l'amplitude du premier pic. Par exemple, le pic d'amplitude maximale succédant au premier pic n'est considéré comme le deuxième pic d'amplitude que si le signal de mesure passe au-dessous d'une valeur limite égale à 5% de l'amplitude du premier pic.In some embodiments, the processing unit detects in the measurement signal the first amplitude peak and the amplitude peak following the first peak, the latter peak being considered as the second amplitude peak only if the measurement signal falls below a predetermined limit value between these two peaks (i.e. if the measurement signal falls below the limit value before rising above this value again to form the second peak). In particular, the limit value may be between 1 and 5% of the amplitude of the first peak. For example, the maximum amplitude peak following the first peak is considered as the second amplitude peak only if the measurement signal falls below a limit value equal to 5% of the amplitude of the first peak.
Cette précaution permet d'éviter les erreurs de mesure liées à un phénomène de dédoublement du premier pic, qui a pu être observé dans un petit nombre de cas. Lors d'un tel phénomène, les deux pics obtenus par dédoublement du premier pic sont proches l'un de l'autre et le signal de mesure n'a pas le temps de diminuer significativement entre ces deux pics. Aussi, la solution consistant à vérifier que le signal de mesure a suffisamment diminué avant d'atteindre le deuxième pic d'amplitude, permet d'éviter de considérer à tort le doublon du premier pic comme le deuxième pic d'amplitude, et donc d'éviter une erreur de mesure sur l'indicateur. Bien entendu, d'autres méthodes d'analyse du signal de mesure pourraient être envisagées pour détecter un dédoublement du premier pic et éviter des erreurs de mesure dans un tel cas.This precaution avoids measurement errors related to a phenomenon of splitting of the first peak, which has been observed in a small number of cases. During such a phenomenon, the two peaks obtained by splitting of the first peak are close to each other and the measurement signal does not have time to decrease significantly between these two peaks. Also, the solution consisting of checking that the measurement signal has sufficiently decreased before reaching the second amplitude peak, avoids wrongly considering the duplicate of the first peak as the second amplitude peak, and therefore avoids a measurement error on the indicator. Of course, other methods of analysis of the measurement signal could be considered to detect a splitting of the first peak and avoid measurement errors in such a case.
L’invention concerne également un procédé de caractérisation des tissus mous biologiques, dans lequel :
on fournit un dispositif de caractérisation tel que précédemment décrit,
on dispose l'extrémité distale de la tige au contact des tissus,
on exerce avec l'impacteur une force d’impaction sur la surface d’impact de la tige, et
on calcule au moyen de l'unité de traitement, le premier indicateur représentatif de la rigidité des tissus.The invention also relates to a method for characterizing biological soft tissues, in which:
a characterization device as previously described is provided,
the distal end of the rod is placed in contact with the tissues,
an impact force is exerted with the impactor on the impact surface of the rod, and
The first indicator representing tissue stiffness is calculated using the processing unit.
Dans certains modes de mis en œuvre, on calcule, en outre, au moyen de l'unité de traitement, le deuxième indicateur représentatif de la viscoélasticité des tissus.In some implementation modes, the second indicator representing the viscoelasticity of the tissues is also calculated by means of the processing unit.
Les avantages d'un tel procédé découlent des avantages du dispositif utilisé. Le dispositif et le procédé de l'invention peuvent être utilisés pour une application en dermatologie, en oncologie ou en myologie puisque la mesure de la rigidité de la peau ou de certains tissus mous biologiques peut permettre d'en déduire ensuite l’état de santé des tissus concernés ou de détecter certaines maladies (cancer, hépatite). Par ailleurs, ils peuvent être utilisés dans le domaine cosmétique où la connaissance de la rigidité de la peau est utile pour évaluer l’efficacité d’un produit cosmétique.The advantages of such a method arise from the advantages of the device used. The device and the method of the invention can be used for an application in dermatology, oncology or myology since the measurement of the rigidity of the skin or of certain biological soft tissues can then make it possible to deduce the state of health of the tissues concerned or to detect certain diseases (cancer, hepatitis). Furthermore, they can be used in the cosmetic field where knowledge of the rigidity of the skin is useful for evaluating the effectiveness of a cosmetic product.
L'extrémité distale de la tige peut être disposée au contact des tissus de manière non invasive, c’est-à-dire sans nécessité une lésion de l'organisme. C'est le cas, notamment, lorsque l'extrémité distale de la tige est disposée sur la peau.The distal end of the rod can be placed in contact with tissues in a non-invasive manner, i.e. without requiring injury to the body. This is the case, in particular, when the distal end of the rod is placed on the skin.
Au contraire, l'extrémité distale de la tige peut être disposée au contact des tissus, de manière invasive, c'est à-dire après lésion de l'organisme, afin d’évaluer instantanément etin vivola rigidité de certains tissus biologiques internes. Par exemple, le dispositif peut être utilisé pendant une intervention chirurgicale, afin d’évaluer de façon quantitative la rigidité des tissus mous d'un organe ou d'un muscle.On the contrary, the distal end of the rod can be placed in contact with the tissues, in an invasive manner, that is to say after injury to the organism, in order to instantly and in vivo evaluate the rigidity of certain internal biological tissues. For example, the device can be used during a surgical procedure, in order to quantitatively evaluate the rigidity of the soft tissues of an organ or a muscle.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif comprend, en outre, une pluralité de poids de masses différentes, chaque poids étant adapté pour être disposé au contact des tissus de manière à exercer une précontrainte sur les tissus, chaque poids étant traversé par une ouverture de taille suffisamment importante pour laisser passer la tige de sorte que l'extrémité distale de la tige soit au contact des tissus lorsque le poids exerce une précontrainte sur les tissus.In some embodiments, the device further comprises a plurality of weights of different masses, each weight being adapted to be arranged in contact with the tissues so as to exert a prestress on the tissues, each weight being crossed by an opening of a size large enough to allow the rod to pass so that the distal end of the rod is in contact with the tissues when the weight exerts a prestress on the tissues.
Un tel dispositif s'utilise comme suit:
on dispose un premier poids au contact des tissus de manière à exercer une précontrainte sur les tissus,
on passe la tige à travers l'ouverture du premier poids de sorte que l'extrémité distale de la tige vienne au contact des tissus lorsque le premier poids exerce une précontrainte sur les tissus,
on exerce avec l'impacteur une force d’impaction sur la surface d’impact de la tige,
on calcule au moyen de l'unité de traitement, une première valeur du premier indicateur représentative de la rigidité des tissus précontraints,
on reproduit les étapes précédentes avec au moins un deuxième poids ayant une masse différente de celle du premier poids de manière à calculer au moins une deuxième valeur du premier indicateur représentative de la rigidité des tissus précontraints,
on calcule au moyen de l'unité de traitement, un modèle de régression linéaire qui estime une relation linéaire entre la valeur du premier indicateur et la masse des poids, et
on calcule un troisième indicateur représentatif du comportement non-linéaire des tissus, le troisième indicateur correspondant au coefficient directeur de la droite de régression.Such a device is used as follows:
a first weight is placed in contact with the tissues so as to exert a pre-stress on the tissues,
the rod is passed through the opening of the first weight so that the distal end of the rod comes into contact with the tissues when the first weight exerts a preload on the tissues,
an impact force is exerted with the impactor on the impact surface of the rod,
we calculate by means of the processing unit, a first value of the first indicator representative of the rigidity of the prestressed tissues,
the previous steps are repeated with at least a second weight having a mass different from that of the first weight so as to calculate at least a second value of the first indicator representative of the rigidity of the prestressed tissues,
we calculate by means of the processing unit, a linear regression model which estimates a linear relationship between the value of the first indicator and the mass of the weights, and
a third indicator representative of the non-linear behavior of the tissues is calculated, the third indicator corresponding to the slope coefficient of the regression line.
Les inventeurs ont démontré que le coefficient directeur de la droite de régression était corrélé au comportement non-linéaire des tissus et constituait un indicateur fiable.The inventors demonstrated that the slope of the regression line was correlated with the non-linear behavior of tissues and was a reliable indicator.
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du dispositif et du procédé proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.The above-mentioned features and advantages, as well as others, will become apparent from the following detailed description of exemplary embodiments of the proposed device and method. This detailed description refers to the attached drawings.
Les dessins annexés sont schématiques et ne sont pas nécessairement à l'échelle, ils visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. Sur ces dessins, d'une figure (Fig) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.
Des modes de réalisation particuliers du dispositif proposé sont décrits en détail ci-après, en référence à l'exemple représenté sur les dessins annexés. Ces modes de réalisation illustrent les caractéristiques et les avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite ni à ces modes de réalisation, ni à l'exemple représenté.Particular embodiments of the proposed device are described in detail below, with reference to the example shown in the accompanying drawings. These embodiments illustrate the characteristics and advantages of the invention. It is however recalled that the invention is not limited either to these embodiments or to the example shown.
La
Dans certains modes de réalisation, comme dans l'exemple représenté, l'impacteur 10 est de type marteau et comprend un manche 13 surmonté d'une tête de frappe 11.In some embodiments, as in the example shown, the impactor 10 is of the hammer type and comprises a handle 13 surmounted by a striking head 11.
La tige 20 a une extrémité proximale 20a formant une surface d'impact 21 que l'utilisateur vient percuter avec l'impacteur 10, la tête de frappe 11 exerçant alors une force F1 représentée par une flèche sur la tige 20.The rod 20 has a proximal end 20a forming an impact surface 21 which the user strikes with the impactor 10, the striking head 11 then exerting a force F1 represented by an arrow on the rod 20.
La tige 20 a une extrémité distale 20b formant une surface de contact 22 adaptée pour être disposée contre les tissus 4 à caractériser. La surface de contact 22 peut être comprise entre 0,5 mm2 et 12 cm2. En deçà de 0,5 mm2, les contraintes au niveau de la surface de contact 22 sont très importantes et il existe un risque d'endommager, notamment de transpercer, les tissus 4 lors de l'impact. De plus, la zone tissulaire sollicitée n'est pas assez profonde. Au-delà de 12 cm2, la zone tissulaire sollicitée est trop importante pour la plupart des applications envisagées car la résolution axiale est trop mauvaise. Dans certains modes de réalisation, la surface de contact 22 est une surface de révolution, en particulier une surface plane circulaire ou une surface hémisphérique. Ceci permet de minimiser les concentrations de contraintes dues aux parties anguleuses susceptibles de réduire la reproductibilité de la mesure.The rod 20 has a distal end 20b forming a contact surface 22 adapted to be arranged against the tissues 4 to be characterized. The contact surface 22 can be between 0.5 mm2 and 12 cm2. Below 0.5 mm2, the stresses at the contact surface 22 are very significant and there is a risk of damaging, in particular piercing, the tissues 4 during the impact. In addition, the stressed tissue area is not deep enough. Beyond 12 cm2, the stressed tissue area is too large for most of the applications envisaged because the axial resolution is too poor. In certain embodiments, the contact surface 22 is a surface of revolution, in particular a circular flat surface or a hemispherical surface. This makes it possible to minimize the stress concentrations due to the angular parts likely to reduce the reproducibility of the measurement.
La tige 20 est réalisée, par exemple, en matière métallique, polymère ou composite et, plus généralement, en un matériau rigide, non ou peu viscoélastique, ayant une loi de comportement linéaire dans le domaine d'utilisation, de manière à transmettre aux tissus 4, sans amortissement ni modification, la force F1 exercée par l'impacteur 10.The rod 20 is made, for example, of metallic, polymer or composite material and, more generally, of a rigid material, non or slightly viscoelastic, having a linear behavior law in the field of use, so as to transmit to the tissues 4, without damping or modification, the force F1 exerted by the impactor 10.
Le capteur de force peut être situé soit sur la surface d'impact 21 de la tige 20, soit sur la face de frappe de l'impacteur 10. Dans l'exemple représenté, le capteur 12 est situé sur la face de frappe de la tête de frappe 11.The force sensor can be located either on the impact surface 21 of the rod 20 or on the striking face of the impactor 10. In the example shown, the sensor 12 is located on the striking face of the striking head 11.
Lors de l'utilisation du dispositif, l'utilisateur saisit la tige 20 d'une main et le manche 13 de l'impacteur 10 de l'autre main. Il frappe ensuite la surface d’impact 21 avec la tête de frappe 11 de l'impacteur. La force F1 générée par l'impacteur 10 est transmise aux tissus 4 par l'intermédiaire de la tige 20.When using the device, the user grasps the rod 20 with one hand and the handle 13 of the impactor 10 with the other hand. He then strikes the impact surface 21 with the striking head 11 of the impactor. The force F1 generated by the impactor 10 is transmitted to the tissues 4 via the rod 20.
Le capteur de force 12 est apte à détecter la force d'impaction exercée au niveau de la surface d'impact 21 et à fournir un signal de mesure représentant la variation temporelle de la force d'impaction lors d'un impact. Un exemple de capteur de force de ce type est décrit dans le document de brevet EP 2923677 B1. Il s'agit, par exemple, d'un capteur à jauge de déformation, ou jauge de contrainte, ou d'un accéléromètre ou d'un capteur piézo-électrique. Le capteur de force est connecté selon un montage approprié à l'unité de traitement 30, via une connexion sans fil (i.e. par ondes radioélectriques) ou une connexion filaire.The force sensor 12 is capable of detecting the impact force exerted at the impact surface 21 and of providing a measurement signal representing the temporal variation of the impact force during an impact. An example of a force sensor of this type is described in patent document EP 2923677 B1. It is, for example, a strain gauge sensor, or strain gauge, or an accelerometer or a piezoelectric sensor. The force sensor is connected according to an appropriate assembly to the processing unit 30, via a wireless connection (i.e. by radio waves) or a wired connection.
L'unité de traitement 30 comprend, par exemple, un microcontrôleur. L'unité de traitement 30 peut être logée dans un boîtier externe ou être intégrée à l'impacteur 10. En variante, l'unité de traitement 30 peut être formée d'éléments séparés comme un micro-ordinateur relié à un module d'acquisition de données lui-même relié au capteur 12. La fréquence d'échantillonnage de l'unité de traitement 30 est au minimum de 50 kHz.The processing unit 30 comprises, for example, a microcontroller. The processing unit 30 may be housed in an external housing or be integrated into the impactor 10. Alternatively, the processing unit 30 may be formed of separate elements such as a microcomputer connected to a data acquisition module itself connected to the sensor 12. The sampling frequency of the processing unit 30 is at least 50 kHz.
Lors de chaque impact, le capteur 12 mesure la force d'impaction exercée au niveau de la surface d'impact 21 et fournit un signal de mesure représentant la variation temporelle de cette force pendant l'impact. On considère que l'impact commence à partir de l'instant où l'impacteur 10 et la tige 20 entrent en contact et dure pendant un certain laps de temps après cet instant. En tout état de cause, ce laps de temps est inférieur à 50 ms. Un exemple de signal fourni par le capteur 12 est représenté sur la
La
Le deuxième pic d'amplitude P2 apparaît quelques millisecondes après le premier pic P1, à l'instant t2. L'amplitude A2 du deuxième pic P2 reflète la force F2 exercée lors du premier rebond de la tige 20 sur l'impacteur 10. Cette force F2 est représentée par une flèche sur la
Les rebonds successifs de la tige 20 sur l'impacteur 10 conduisent à l'apparition d'autres pics d'amplitude après le deuxième pic P2. Seul le troisième pic P3, qui apparait à l'instant t3, est représenté sur la
Les inventeurs ont mis en évidence le fait que la durée (t2 - t1) entre les deux premiers pics P1 et P2, était un indicateur IN1 fiable et pertinent pour évaluer la rigidité des tissus 4.The inventors have highlighted the fact that the duration (t2 - t1) between the first two peaks P1 and P2, was a reliable and relevant IN1 indicator for evaluating the stiffness of tissues 4.
Ils ont également mis en évidence le fait que le rapport A1/A2 de l'amplitude A1 du premier pic P1 sur l'amplitude A2 du deuxième pic P2 ou le rapport A2/A3 de l'amplitude A2 du deuxième pic P2 sur l'amplitude A3 du troisième pic P3 du signal de mesure était un indicateur IN2 fiable et pertinent pour évaluer la viscoélasticité des tissus 4.They also highlighted that the A1/A2 ratio of the A1 amplitude of the first peak P1 to the A2 amplitude of the second peak P2 or the A2/A3 ratio of the A2 amplitude of the second peak P2 to the A3 amplitude of the third peak P3 of the measurement signal was a reliable and relevant IN2 indicator for assessing tissue viscoelasticity 4.
En particulier, des tests ont été réalisés sur des échantillons fabriqués à partir d’agar-agar, gélifiant naturel puissant dont l'action est perceptible en solution aqueuse à partir d'une concentration massique très faible. De tels échantillons sont des fantômes de test reproduisant les propriétés des tissus mous biologiques, largement utilisés dans le domaine de la recherche. Afin de pouvoir comparer différentes rigidités, la concentration massique en agar-agar est comprise entre 1% et 5%, ce qui correspond à des modules d'élasticité compris dans la gamme de rigidité des tissus mous biologiques, à savoir entre 1,5 kPa et 400 kPa environ. Par exemple, des tissus mammaires sains ont un module d'élasticité compris entre 12 et 72 kPa et des tissus mammaires cancéreux ont un module d'élasticité compris entre 56 et 450 kPa.In particular, tests were carried out on samples made from agar-agar, a powerful natural gelling agent whose action is perceptible in aqueous solution from a very low mass concentration. Such samples are test phantoms reproducing the properties of biological soft tissues, widely used in the field of research. In order to be able to compare different stiffnesses, the mass concentration of agar-agar is between 1% and 5%, which corresponds to elastic moduli in the stiffness range of biological soft tissues, namely between approximately 1.5 kPa and 400 kPa. For example, healthy breast tissues have an elastic modulus between 12 and 72 kPa and cancerous breast tissues have an elastic modulus between 56 and 450 kPa.
Ces tests ont été réalisés avec un impacteur 10 ayant une tête de frappe 11 pesant 5 g et une surface de contact circulaire en forme de disque de 1 mm de diamètre. Le capteur 12 était un capteur piézoélectrique. La fréquence d’échantillonnage de l'unité de traitement 30 était d'environ 100 kHz, en l'occurrence de 102 kHz.These tests were carried out with an impactor 10 having a striking head 11 weighing 5 g and a circular contact surface in the form of a disc of 1 mm in diameter. The sensor 12 was a piezoelectric sensor. The sampling frequency of the processing unit 30 was approximately 100 kHz, in this case 102 kHz.
Afin d’évaluer la reproductibilité de la mesure par le capteur 12 et du traitement du signal de mesure associé, dix impacts ont été réalisés sur le même échantillon d’agar-agar et dix mesures effectuées, i.e. une mesure par impact. Pour chaque impact, le premier indicateur IN1 correspondant à la durée de la fenêtre temporelle (t2-t1) entre les deux premiers pics d'amplitude P1, P2, a été calculé. Les moyennes et écart-types ont été comparés pour des échantillons de rigidité différentes obtenus en faisant varier la concentration massique en d’agar-agar. Les résultats sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous.In order to evaluate the reproducibility of the measurement by the sensor 12 and the processing of the associated measurement signal, ten impacts were carried out on the same agar-agar sample and ten measurements were made, i.e. one measurement per impact. For each impact, the first indicator IN1 corresponding to the duration of the time window (t2-t1) between the first two amplitude peaks P1, P2, was calculated. The means and standard deviations were compared for samples of different rigidity obtained by varying the mass concentration of agar-agar. The results are presented in Table 1 below.
en agar-agarConcentration
in agar-agar
Les résultats montrent une bonne reproductibilité de la mesure avec une erreur sur l’indicateur IN1 inférieure à 5% sur toutes les concentrations en agar-agar. On remarque également que la mesure est d’autant plus précise que la concentration en agar-agar, et donc la rigidité de l’échantillon, est grande.The results show good reproducibility of the measurement with an error on the IN1 indicator of less than 5% on all agar-agar concentrations. It is also noted that the measurement is all the more precise as the agar-agar concentration, and therefore the rigidity of the sample, is high.
Dans un deuxième temps, des tests ont été réalisés afin de comparer les résultats obtenus pour des échantillons de concentrations différentes et, ainsi, d’évaluer si la mesure présente une bonne sensibilité. Pour réduire l’incertitude liée à la préparation des échantillons (incertitude de la balance, quantité d’eau), trois échantillons ont été fabriqués pour la même concentration en agar-agar. Pour chaque concentration en agar-agar, les moyennes et écart-types sont calculés sur la base de trente tests, à savoir dix impacts sur chacun des trois échantillons.In a second step, tests were carried out to compare the results obtained for samples of different concentrations and, thus, to assess whether the measurement has good sensitivity. To reduce the uncertainty related to sample preparation (uncertainty of the balance, quantity of water), three samples were made for the same agar-agar concentration. For each agar-agar concentration, the means and standard deviations are calculated on the basis of thirty tests, namely ten impacts on each of the three samples.
L’évolution de l’indicateur IN1 en fonction de la concentration en agar-agar est présentée sur le graphique de la
Ces tests montrent que les écart-types de mesure sont faibles par rapport à la variation de l’indicateur IN1 selon la rigidité des échantillons. La méthode de caractérisation proposée permet donc de discriminer deux échantillons de rigidités différentes à partir de la mesure de l’indicateur IN1. De plus, l’erreur sur l’estimation de la concentration en agar-agar des échantillons, et donc de leur rigidité, est de 0,17% d’agar-agar, ce qui équivaut à une variation du module d'élasticité de l’ordre de 17 kPa. Pour comparaison, les mesures obtenues par des méthodes basées sur l’élastographie sont autour de 0,07% d’agar-agar selon la littérature (voir, par exemple, la publication de Hamhaber, U., et al, 2003, "Comparison of quantitative shear wave MR-elastography with mechanical compression tests", Magnetic Resonance in Medicine, 49(1), 71-7–. Ces tests confirment la capacité de la méthode de caractérisation proposée à évaluer la rigidité de tissus mous biologiques de manière fiable, avec une bonne sensibilité.These tests show that the measurement standard deviations are low compared to the variation of the IN1 indicator according to the stiffness of the samples. The proposed characterization method therefore makes it possible to discriminate between two samples of different stiffnesses based on the measurement of the IN1 indicator. In addition, the error in estimating the agar-agar concentration of the samples, and therefore their stiffness, is 0.17% agar-agar, which is equivalent to a variation in the elastic modulus of around 17 kPa. For comparison, measurements obtained by elastography-based methods are around 0.07% agar-agar according to the literature (see, for example, the publication of Hamhaber, U., et al, 2003, "Comparison of quantitative shear wave MR-elastography with mechanical compression tests", Magnetic Resonance in Medicine, 49(1), 71-7–. These tests confirm the ability of the proposed characterization method to reliably assess the stiffness of biological soft tissues, with good sensitivity.
Enfin, des tests ont été réalisés afin de démontrer la capacité de la méthode de caractérisation proposée à déterminer la non-linéarité de la loi de comportement des tissus mous biologiques. Pour cela, des précontraintes croissantes ont été appliquées sur les échantillons et le premier indicateur IN1 a été calculé pour chaque précontrainte.Finally, tests were carried out to demonstrate the ability of the proposed characterization method to determine the nonlinearity of the constitutive law of biological soft tissues. For this, increasing prestresses were applied to the samples and the first indicator IN1 was calculated for each prestress.
Pour précontraindre l’échantillon, une série de poids W a été utilisée. Un exemple de poids W est représenté sur la
L'idée sous-jacente est de précontraindre les tissus (l'échantillon) en leur appliquant une masse de manière à effectuer une mesure locale de la loi de comportement des tissus à la contrainte correspondante.The underlying idea is to prestress the tissues (the sample) by applying a mass to them in order to perform a local measurement of the tissue behavior law at the corresponding stress.
Pour réaliser les tests, cinq poids W1 à W5 ayant des masses respectives de 10g, 20g, 30g, 40g et 50g ont été utilisés pour précontraindre l'échantillon avant et pendant l’impact. Les tests ont été réalisés pour des échantillons de concentrations massiques en agar-agar différentes, à savoir 1%, 2%, 3%, 4% et 5%.To perform the tests, five weights W1 to W5 with respective masses of 10g, 20g, 30g, 40g and 50g were used to prestress the sample before and during impact. The tests were performed for samples with different agar-agar mass concentrations, namely 1%, 2%, 3%, 4% and 5%.
Les résultats présentés sur la
En calculant au moyen de l'unité de traitement 30, pour chaque échantillon, un modèle de régression linéaire qui estime une relation linéaire (i.e. qui détermine une droite de régression) entre la valeur du premier indicateur IN1 et la masse M, il est possible de déterminer le coefficient directeur (i.e. la pente) de la droite de régression. Les droites de régression calculées pour les cinq échantillons figurent en pointillés sur la
Les résultats de la
Ces tests confirment la capacité de la méthode de caractérisation proposée à évaluer le caractère non-linéaire de la loi de comportement des tissus mous biologiques, de manière fiable et avec une bonne sensibilité.These tests confirm the ability of the proposed characterization method to evaluate the non-linear nature of the behavior law of biological soft tissues, reliably and with good sensitivity.
Les différentes caractéristiques des modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé peuvent être considérées isolément ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques précédemment décrites. En particulier, sauf précision contraire ou incompatibilité technique, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation.The various features of the embodiments or examples described herein may be considered in isolation or combined with each other. When combined, these features may be as described above or differently, the invention not being limited to the specific combinations previously described. In particular, unless otherwise specified or technically incompatibility, a feature described in relation to one embodiment or example may be applied in an analogous manner to another embodiment or example.
Claims (12)
un impacteur (10) adapté pour impacter une surface d’impact (21),
une tige (20) ayant une extrémité proximale (20a) formant la surface d'impact (21) et une extrémité distale (20b) adaptée pour être disposée au contact des tissus (4), la tige (20) étant adaptée pour transmettre aux tissus (4) une force (F1) exercée par l'impacteur (10) sur la surface d'impact (21),
au moins un capteur de force (12) apte à détecter la force d’impaction exercée au niveau de la surface d'impact (21) et à fournir un signal de mesure représentant la variation temporelle de la force d'impaction lors d'un impact, et
une unité de traitement (30) du signal de mesure, reliée au capteur (12),
dans lequel:
l'unité de traitement (30) est configurée pour calculer, à partir de la variation temporelle de la force d'impaction lors de l'impact, un premier indicateur (IN1) représentatif de la rigidité des tissus, et
le premier indicateur (IN1) correspond à la durée d'une fenêtre temporelle, le début de cette fenêtre temporelle étant défini par rapport à un instant (t1) correspondant au premier pic d'amplitude (P1) du signal de mesure et la fin de cette fenêtre temporelle étant définie par rapport à un instant (t2) correspondant au deuxième pic d'amplitude (P2) du signal de mesure.Device for characterizing biological soft tissues, comprising:
an impactor (10) adapted to impact an impact surface (21),
a rod (20) having a proximal end (20a) forming the impact surface (21) and a distal end (20b) adapted to be arranged in contact with the tissues (4), the rod (20) being adapted to transmit to the tissues (4) a force (F1) exerted by the impactor (10) on the impact surface (21),
at least one force sensor (12) capable of detecting the impact force exerted at the impact surface (21) and of providing a measurement signal representing the temporal variation of the impact force during an impact, and
a processing unit (30) of the measurement signal, connected to the sensor (12),
in which:
the processing unit (30) is configured to calculate, from the temporal variation of the impaction force during the impact, a first indicator (IN1) representative of the rigidity of the tissues, and
the first indicator (IN1) corresponds to the duration of a time window, the start of this time window being defined relative to an instant (t1) corresponding to the first amplitude peak (P1) of the measurement signal and the end of this time window being defined relative to an instant (t2) corresponding to the second amplitude peak (P2) of the measurement signal.
le deuxième indicateur (IN2) correspond au rapport (A1/A2) de l'amplitude (A1) du premier pic (P1) sur l'amplitude (A2) du deuxième pic (P2) ou au rapport (A2/A3) de l'amplitude (A2) du deuxième pic (P2) sur l'amplitude (A3) du troisième pic (P3) du signal de mesure.Device according to claim 1, in which the processing unit (30) is also configured to calculate, from the temporal variation of the impaction force during the impact, a second indicator (IN2) representative of the viscoelasticity of the tissues, and
the second indicator (IN2) corresponds to the ratio (A1/A2) of the amplitude (A1) of the first peak (P1) to the amplitude (A2) of the second peak (P2) or to the ratio (A2/A3) of the amplitude (A2) of the second peak (P2) to the amplitude (A3) of the third peak (P3) of the measurement signal.
Device according to claim 1 or 2, in which the impactor (10) comprises a striking head whose mass is between 3 and 50 g.
on fournit un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9,
on dispose l'extrémité distale (20b) de la tige au contact des tissus de manière non-invasive,
on exerce avec l'impacteur (10) une force d’impaction sur la surface d’impact (21) de la tige, et
on calcule au moyen de l'unité de traitement (30), le premier indicateur (IN1) représentatif de la rigidité des tissus.Method for characterizing biological soft tissues (4), in which:
a device according to any one of claims 1 to 9 is provided,
the distal end (20b) of the rod is placed in contact with the tissues in a non-invasive manner,
an impact force is exerted with the impactor (10) on the impact surface (21) of the rod, and
the first indicator (IN1) representative of the stiffness of the tissues is calculated using the processing unit (30).
on fournit un dispositif selon la revendication 7,
on dispose un premier poids (W1) au contact des tissus (4) de manière à exercer une précontrainte sur les tissus (4),
on passe la tige (20) à travers l'ouverture (42) du premier poids (W1) de sorte que l'extrémité distale (20b) de la tige (20) vienne au contact des tissus (4) lorsque le premier poids (W1) exerce une précontrainte sur les tissus (4),
on exerce avec l'impacteur (10) une force d’impaction sur la surface d’impact (21) de la tige (20),
on calcule au moyen de l'unité de traitement (30), une première valeur (V1) du premier indicateur (IN1) représentative de la rigidité des tissus (4) précontraints,
on reproduit les étapes précédentes avec au moins un deuxième poids (W2) ayant une masse différente de celle du premier poids (W1) de manière à calculer au moins une deuxième valeur (V2) du premier indicateur (IN1) représentative de la rigidité des tissus (4) précontraints,
on calcule au moyen de l'unité de traitement (30), un modèle de régression linéaire qui estime une relation linéaire entre la valeur du premier indicateur (IN1) et la masse des poids (W1, W2), et
on calcule un troisième indicateur (IN3) représentatif du comportement non-linéaire des tissus (4), le troisième indicateur (IN3) correspondant au coefficient directeur de la droite de régression.A method according to claim 10 or 11, wherein:
a device according to claim 7 is provided,
a first weight (W1) is placed in contact with the tissues (4) so as to exert a pre-stress on the tissues (4),
the rod (20) is passed through the opening (42) of the first weight (W1) so that the distal end (20b) of the rod (20) comes into contact with the tissues (4) when the first weight (W1) exerts a prestress on the tissues (4),
an impact force is exerted with the impactor (10) on the impact surface (21) of the rod (20),
a first value (V1) of the first indicator (IN1) representative of the rigidity of the pre-stressed tissues (4) is calculated by means of the processing unit (30),
the previous steps are repeated with at least a second weight (W2) having a mass different from that of the first weight (W1) so as to calculate at least a second value (V2) of the first indicator (IN1) representative of the rigidity of the prestressed tissues (4),
a linear regression model is calculated using the processing unit (30) which estimates a linear relationship between the value of the first indicator (IN1) and the mass of the weights (W1, W2), and
a third indicator (IN3) representative of the non-linear behavior of the tissues is calculated (4), the third indicator (IN3) corresponding to the slope coefficient of the regression line.
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