Brevet FR2432168A1 — publié le 19800222

La présente invention est relative à un dispositif destiné à mesurer la densité dtun corps humain, ce corps vivant dans conditions normales et sans qutil lui soit imposé de contraintes. Il s'agit, bien entendu, de la densité moyenne de ltorga- nisme et elle s'entend, à chaque instant, effectuée dans des conditions physioTogiques déterminées, par exemple avant ou après une inspiration d'air, avant ou après l'ingestion d'un repas etc. Il est difficile de parler d'état de la technique dans un tel domaine. Quelques médecins ont bien évoqué l'utilité de principe d'une telle connaissance tant en recherche physiologique qu'en caractérisation pathologique, mais les techniques mises en oeuvre pour une telle instrumentation se sont heurtées jusqu'8 présent à des difficultés diverses. La mesure directe par déplacement du volume d'eau équivalent se heurte, outre la nécessité d'un artifice respiratoire, à la gêne de principe imposée au patient par l'immersion totale nécessaire. La mesure indirecte par la combinaison des deux mesures indépendantes distinctes d'une part du volume du corps humain, et d'autre part, de sa masse, n'a pu non plus valablement etre mise en oeuvre jusqu'à présent pour les raisons suivantes Les techniques actuellement connues de mesure du volume d'un corps réviennent à l'enfermer dans une enceinte remplie par ailleurs d'un gaz déterminé à une pression déterminée, et à "traiter" ce gaz par différents procédés I - Exciter une fréquence acoustique de résonance fonction du volume résiduel entre l'enceinte et le corps : ce phénomène, bien décrit par HELMOLTZ - de tels "résonateurs" ont pris son nom - s'exprime en une loi relativement complexe où le volume et la fréquence sont liés, mais simultanément avec d'autres grandeurs 2 - Imposer au volume rasiduel entre enceinte et corps une variation de volume connue et mesurer la variation de pression qui en est la conséquence. La méthode peut être "statique", c'est-àdire, mettre en oeuvre une compression unique, ou "dynamique", c'est-à-dire, mettre en oeuvre une compression suivant une loi alternative. Les phénomènes mis en jeu ne sont pas aussi simples qu'il peut paraitre : les problèmes d'étanchéité des enceintes et ceux dus aux variations de température restreignent considérablement les possibilités de la première méthode. Les problèmes de "propa gation", c'est-à-dire, ceux dûs à la vitesse finie de propagation d'un ébranlement dans un gaz, limitent les possibilités de la seconde. Que la méthode soit statique ou dynamique - Il faut tenir compte de la différence entre compression isotherme et compression adiabatique, et faire intervenir le coefficient Y égal au quotient entre les chaleurs spécifiques à pression constante et à volume constant, - I1 faut-connaître avec précision, outre la variation de volume créant le phénomène, la pression régnant dans l'enceinte considérée qui entre directement dans la mesure. Que ce soit la méthode par résonance ou celle par une auscultation volume-pression, il ne faut ni léser, ni perturber ltor- ganisme vivant étudié : cette condition n'a pas été jusqu'à présent respectée. Enfin, quelque soit la méthode de mesure du volume mise en oeuvre, il reste encore à effectuer la mesure du poids du sujet. Considérer cette mesure comme indépendante pour aboutir à la connaissance de la densité recherchée par un simple quotient, pose différents problèmes, non seulement de commodité, mais aussi de rapidité, surtout en expérimentation physiologique où le poids peut varier au cours d'un cycle de mesures, et au cours duquel il faut pouvoir suivre d'une façon continue la valeur de la densité (par exemple ingestion de liquide ou d'aliments, miction, etc.). Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients: - Il ne nécessite pas la connaissance de la pression ambiante à laquelle est soumis le sujet, ni le coefficient de com pressibilité & #du fluide gazeux remplissant l'enceinte. - Il met en jeu une loi physique très simple et la mesure s'effectue par méthode de zéro dans laquelle seules interviennent des grandeurs géométriques, donc connues à grande précision. - Il intègre dans son processus la mesure du poids du sujet et élabore directement la densité recherchée. Il présente, en outre, les avantages remarquables suivants - L'enceinte de mesure ne nécessite pas une étanchéité poussée et les phénomènes thermiques ne troublent pas la mesure. - Il n'y règne qu'une atmosphère "normale" dans laquelle le sujet peut respirer, parler et se mouvoir sans contraintes supérieures, par exemple, à celles d'une cabine téléphonique. - La constante de temps globale de la mesure est suffisamment courte pour suivre un phénomène physiologique comme, par exemple, un mouvement respiratoire. Le dispositif objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte principale destinée à recevoir le patient dont on veut mesurer la densité ; une enceinte auxiliaire, un générateur d'ondes infrasoniques qui soumet, chaque enceinte, en synchronisme à des pressions et à des dépressions, un manomètre différentiel inséré entre les deux enceintes, des moyens pour égaliser les pressions infrasonores entre les deux enceintes, des moyens de mesure commandés par les moyens pour égaliser les pressions infrasonores, des moyens de mesure du poids du sujet prévus dans l'enceinte principale, et des moyens pour élaborer la densité en fonction des données obtenues par les moyens de mesure de l'égalisation des pressions infrasonores et des moyens de mesure du poids du sujet. Les phénomènes acoustiques mis en jeu sont infrasoniques et strictement insensibles pour le sujet, d'une part, du fait de leur fréquence - de l'ordre de 5 Hz - et d'autre part, du fait de leur extraordinaire ténuité : un microphone infrasonore tel que le manomètre différentiel réuni entre les deux enceintes est sensible à des pressions de l'ordre de la barye, c'est-à-dire au millième de millibar, et la pression acoustique qui règnera autour du sujet ne dépassera pas l'ordre de grandeur du millibar; ; L'invention va maintenant etre décrite avec plus de détails en se référant à des modes de réalisations particuliers donnés à titre d'exemple seulement et représentés aux dessins annexés dans lesquels Fig. 1 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention suivant un premier mode de réalisation, Fig. 2 est une vue schématique d'un second mode de réalisation de l'invention, Fig. 3 est une vue schématique d'un troisième mode de réalisation, Fig. 4 illustre schématiquement, en coupe, des moyens pour faire varier la course du piston, soit de l'enceinte principale, soit de ltenceinte auxiliaire, Fig. 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 4 Fig. 6 est une vue en coupe suivant la ligne VI-VI de la figure 4, Fig. 7 est une vue sous forme d'un schéma bloc d'un dispositif selon l'invention. Les figures 1, 2 et 3 représentent un dispositif volontairement didactique, destiné à exposer l'ensemble des éléments mis en jeu dans le dispositif objet de l'invention et leurs relations réciproques. Le dispositif de la figure 1 comprend une enceinte principale 1 destinée à recevoir le corps humain 2 dont on veut connaître la densité. Cette enceinte comporte une porte d'accès 35 représentée en traits mixtes et est normalement en relation avec l'air ambiant, la porte étant fermée seulement au moment de la mesure. Le dispositif comprend une enceinte auxiliaire 4 et entre les deux énceintes un manomètre différentiel 6 relié à l'enceinte principale par une tubulure 7 et à l'enceinte auxiliaire par une tubulure 8. Ce manomètre différentiel commande un dispositif d'affichage 9 qui permet de connaître à tout moment ltécart de pression entre les deux enceintes. Le fond 10 de l'enceinte principale 1 présente une partie indépendante 12 X 1iée par des joints souples 11 audit fond 10. La partie indépendante 12 constitue le plateau d'un dispositif de mesure de poids 15 comportant un contre-poids mobile 16 et un index 17 mobile le long d'une règle graduée 18. Un moteur 20 entraîne par son arbre 21 deux plateaux 22 et 23 sur lesquels sont prévus des manetons respectivement 25 et 26, le maneton 25 entraînant une bielle 27 reliée à un piston 28 mobile dans un cylindre 29 débouchant dans l'enceinte 1. Le maneton 26 entraîne une bielle 30 reliée à un piston 31 mobile dans un cylindre 32 débouchant dans l'enceinte auxiliaire 4. Cet ensemble constitue un dispositif de commande infrasonique double, les déplacements des pistons 28 et 31 étant simultanés et en phase. Dans ce mode de réalisation, l'amplitude des mouvements du piston 28 est variable et celle-ci est mesurée sur un dispositif d'affichage 35. Les indications fournies simultanément par le dispositif de mesure de poids 15 et le dispositif 35 sont combinées et un calculateur 33 détermine directement la densité recherchée. Aux figures 455,6 , on a représenté très schématiquement un ensemble permettant de faire varier cette amplitude du piston 28. Le plateau 22 comporte un logement radial 36 dans lequel est guidée une tige filetée 37 dont l'une des extrémités est solidaire d'un pignon#d'angle 38 qui coopère avec un pignon d'angle 39 solidaire d'un axe 41 tourillonné dans l'arbre 21 qui est creux. Le maneton 25 est solidaire d'un écrou 42 en prise avec la tige filetée 37 et est guidé dans une rainure radiale du plateau 22. Le moteur 20 entraîne l'arbre 21 à travers un arbre 43 sur lequel est calé un pignon 44 engrenant avec un pignon 45 calé sur l'arbre 21. Sur l'arbre 43 est inséré un différentiel 46 avec un portesatellites 47 (voir figure 6) porté par un guide 78 et pourvu d'ur organe de manoeuvre 79 mobile devant une graduation constituant le dispositif d'affichage 35. Le porte-satellites 47 comporte deux satellites 88 et 49 qui engrènent avec des planétaires 50 et 51. Sur l'arbre 43 est calé un pignon 52 entraînant un pignon 53 qui entraîne un pignon 54 calé sur l'axe 41. Avec ce montage l'axe 41 et l'arbre 21 tournent dans le même sens et de telle manière que le pignon 39 tourne sur le pignon 38 sans l'entraîner. Si on agit sur l'organe 79 dans un sens ou dans l'autre, on modifie la vitesse de rotation du pignon 39 par rapport à celle du plateau 22 et ainsi on provoque la rotation de la tige filetée 37 dans un sens ou dans l'autre. Ainsi, le maneton 25 se rapproché ou s'éloigne du centre du plateau 22 et on modifie l'amplitude du piston 28. En faisant varier l'amplitude des mouvements du piston 28, on obtient la mise en équilibre du manomètre différentiel et en introduisant dans un calculateur, d'une part, le poids dupatient obtenu par le matériel de pesage 15, et d'autre part, le volume obtenu par la mise en équilibre du manomètre différentiel et affiché au dispositif 35, on obtient la densité recherchée. A la figure 2, on a représenté une variante de réalisation dans laquelle le maneton 25 du plateau 22 est fixe, mais dans la quelle, par contre, le maneton 26 est monté mobile diamétralement sur le plateau 23, ce dernier étant alors associé à un dispositif d'affichage 35a. Sur cette figure, on a utilisé les mêmes références que celles de la figure 1 pour désigner les mêmes organes. Dans ce mode de réalisation, en faisant varier l'amplitude des mouvements du piston 31, on réalise la mise en équilibre du manomètre différentiel et en introduisant dans un calculateur, d'une part, le poids du patient obtenu par le matériel de pesage 15, et d'autre part, le volume affiché au dispositif 35a, on obtient la densité recherchée. A la figure 3, on a représenté une troisième variante de l'invention. Dans cette figure, les éléments correspondants à ceux des figures 1 et 2 portent les mêmes références affectées de la lettre "a". Les éléments étant identiques, ils ne seront pas décrits en détail. L'enceinte auxiliaire 4a est, dans ce mode de réalisation, de volume variable et elle comporte un piston 55 qui est susceptible de coulisser et dont la tige 56 est solidaire d'un index 57 mobile devant une graduation 58. Le fonctionnement du dispositif est identique à celui des deux précédents modes de réalisations, et pour obtenir la mesure, on déplace le piston 55 jusqu a l'obtention d'une égalité des pressions affichée au dispositif 9a. Dans cette configuration, il est évident qu'il y aura égalité de modulation de pression entre les deux enceintes la et 4a lorsque le volume de l'enceinte la moins le volume du corps 2a sera égal au volume de l'enceinte 4a, le volume du corps 2a étant affiché à ensemble de mesure 57, 58. Comme dans les réalisations précédentes, les mesures obtenues en 18a et en 58 permettent d'obtenir la densité recherchée. Si on appelle - Vm le volume de l'enceinte de mesure 1, - Vx le volume du sujet 2 dont on veut mesurer la densité, - ssVm la variation de volume commandée par le piston 28 dans l'enceinte de mesure, - Va le volume de l'enceinte auxiliaire 4, lu sur l'échel- le 58 - #Va la variation de volume commandée par le piston 31 dans l'enceinte auxiliaire, et lue sur l'échelle 35a, - P la pression atmosphérique. Dans l'enceinte de mesure 1, la variation de volume infrasonore imposée ayant pour amplitude Vm et étant appliquée à un volume Vm - Vx, la pression infrasonique a pour amplitudeAPm définie par où > ( est le coefficient de compressibilité adiabatique. Dans l'enceinte auxiliaire 4, la variation de volume infrasonore imposée ayant pour amplitude 4Va et étant appliquée au volume Va, la pression infrasonore a pour amplitude #Pa, définie par La mesure consiste à amener en équilibre de pression infrasonore les deux enceintes par lecture du dispositif 9 relié au manomètre différentiel infrasonore 6, en agissant - soit sur la commande de AVm, - soit sur la commande de #Va, - soit sur la commande de Va, - soit par une combinaison des commandes précédentes. Dans cette condition d'équilibre Dans cette expression remarquable, la valeur de P comme celle de t a disparu et toutes les mesures sont devenues "géométriques", donc de grande précision. Cette expression s'écrit, plus clairement On aurait pu, par souci de- symétrie, définir que l'enceinte de mesure elle-même pourrait être de volume variable et réglable. En fait, pour des raisons pratiques, cette enceinte sera établie pour une taille normale d'individus et tout au plus il sera prévisible de construire un tel équipement en version "enfants", voire nouveaux-nés. Vm sera ainsi un paramètre parfaitement connu par construction, et non une variable. De même, il ne parait ni souhaitable, ni nécessaire d'envisager, dans les matériels à réaliser, de mettre en oeuvre simultanément, les variations de ssVm, #Va et Va. Chaque mode de mesure à ses avantages : en particulier le fait de laisser fixes Va et hVa et de faire la mesure par commande de AVm a pour avantage d'être assuré que le sujet sera soumis, dans tous les cas, à la même pression sonore infrasonique. Il faut enfin faire remarquer que seul jouant dans l'équation de base le rapport entre Va et ssVa le dispositif d'enceinte auxiliaire et de sa commande d'infrasons peut être miniaturisé, ce qui est un avantage technique considérable, toutes les "annexes" à l'enceinte de mesure pouvant alors occuper un volume réduit. Il est maintenant nécessaire de préciser les raisons du choix de la fréquence infrasonore Un premier critère fait souhaiter que cette fréquence soit la plus basse possible : celui de pouvoir parler valablement de pression instantanée régnant au même instant dans l'enceinte de mesure. Si l'on appelle N la fréquence mise en oeuvre et c la vitesse du son, on sait que la longueur d'onde acoustique corres pondante# A est déterminée par ltexpressionA c 7. Ainsi pour N = 5 Hz,c étant approximativement de 300 m/s, A est de 60 mètres. La distance du générateur de pression aux points extrêmes de l'enceinte étant de l'ordre du mètre, on voit qu'il serait tout à fait impossible d'utiliser des ondes acousti ques de fréquence de l'ordre de 100 Hz, où la longueur d'onde correspondante serait de 3 mètres seulement. Deux autres critères, par contre, limitent le désir de descendre vers des fréquences de plus en plus basses - D'une part il n'est pas facile d'imposer une herméticité totale à une cabine avec porte ou une personne doit pouvoir entrer et sortir rapidement. Cette étanchéité, avec les infrasons, n'est pas strictement nécessaire et la tolérance de fuite est d'autant plus large que la fréquence utilisée est élevée. - Ces fuites sont utiles, par ailleurs pour minimiser les effets thermiques éventuels dûs au fait que le corps dont on mesure la densité n'est pas nécessairement à la même température que l'enceinte de mesure dans laquelle on le contient pendant la mesure. Pour être complet, il faut préciser que les conséquences des phénomènes thermiques peuvent aussi être minimisées par, pendant un bref arrêt des mesures, une égalisation de pression moyenne entre enceinte et extérieur, et par un filtrage adéquat des indications du manomètre infrâsonore différentiel. On peut indiquer que la bande de fréquence utile pratique pour la mise en oeuvre du procédé décrit va approximativement de 2 Hz à 10 Hz. La figure 7 représente l'agencement d'un ensemble de mesure conforme à l'objet de la présente invention, chaque fonction étant représentée par un rectangle symbolique et les liaisons entre les blocs représentatifs signifiant soit la transmission d'une information, soit la transmissinn d'un ordre L'enceinte 1 est schématisée par le rectangle 1 et dans celle-ci règne la pression P + hPm et l'enceinte auxiliaire est figurée par le rectangle 4, dans celle-ci régnant la pression P + apa. Le manomètre différentiel infrasonore 6 reçoit par des canalisations 60 et 61 ces pressions.Son indication de mesure, proportionnelle à la différence entre aPm et apa, est transmise par le câble 62 au discriminateur 63 qui élabore les ordres de rééquilibrage soit de hPm par le câble 64 soit de ÀPa ou de Va par le câble 65, de façon à ramener à l'équilibre le manomètre différentiel infrasonore 6. Les informations de positionnement des commandes de Apm ou ara ou Va ayant aboutit à l'équilibre de pression sont transmises respectivement par les câbles 66 et 67 à un calculateur 68. Ce calculateur 68 reçoit par ailleurs, par l'intermédiaire d'un câble 70, les informations du poids du sujet élaboré par le dispositif de pesée représenté en 15. Le calculateur 68, enfin, élabore la densité cherchée et en transmet la valeur à l'indicateur 71 par le câble 72. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations qui ont été décrits et représentés à titre d'exemple on pourra apporter de nombreuses modifications de détails, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10 - Dispositif pour mesurer la densité d'un corps humain caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte principale destinée à recevoir le patient dont on veut mesurer la densité, une enceinte auxiliaire, un générateur d'ondes infrasoniques qui soumet chaque enceinte, en synchronismenà des pressions et à des dépressions, un manomètre différentiel inséré entre les deux enceintes, des moyens pour égaliser les pressions infrasonores entre les deux enceintes, des moyens de mesure commandés par les moyens pour égaliser les pressions infrasonores des moyens de mesure du poids du sujet prévus dans l'enceinte principale, et des moyens pour élaborer la densité en fonction des données obtenues par les moyens de mesure de l'égalisation des pressions infrasonores et des moyens de mesure du poids du sujet. 20 - Dispositif pour mesurer la densité d'un corps humain selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour égaliser les pressions infrasonores entre les deux enceintes sont constitués par des moyens modifiant l'amplitude du déplacement volumique créant la pression infrasonore dans l'enceinte principale. 30 - Dispositif pour mesurer la densité d'un corps humain selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour égaliser les pressions infrasonores entre les deux enceintes sont constitués par des moyens modifiant l'amplitude du déplacement volumique créant la pression infrasonore dans l'enceinte auxiliaire. 40 - Dispositif pour mesurer la densité d'un corps humain selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour égaliser les pressions infrasonores entre les deux enceintes sont constitués par des moyens de variation du volume de l'enceinte auxiliaire. 50 - Dispositif pour mesurer la densité d'un corps humain selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le générateur d'ondes infrasoniques est constitué de deux ensembles bielles manivelles reliés à un moteur convenable et entraînant chacun un piston coulissant dans un cylindre s'ouvrant dans l'enceinte correspondante, des moyens étant prévus pour modifier l'amplitude des mouvements du piston du cylindre de l'enceinte principale. 60 - Dispositif pour mesurer la densité d'un corps humain selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le généra teur d'ondes infrasoniques est constitué de deux ensembles bielles manivelles reliés à un moteur convenable et entraînant chacun un piston coulissant dans un cylindre s'ouvrant dans l'enceinte correspondante, des moyens étant prévus pour modifier l'amplitude des mouvements du piston du cylindre de l'enceinte auxiliaire. 70 - Dispositif pour mesurer la densité d'un corps humain selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le générateur d'ondes infrasoniques est constitué de deux ensembles bielles manivelles reliés à un moteur convenable et entraînant chacun un piston coulissant dans un cylindre s'ouvrant dans ltenceinte correspondante, des moyens étant prévus pour modifier le volume de l'enceinte auxiliaire. 80 - Dispositif pour mesurer la densité d'un corps humain selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un discriminateur relié au manomètre différentiel et qui élabore les ordres de rééquilibrage des pressions infrasonores entre les deux enceintes, un calculateur qui reçoit, d'une part, les informations des moyens de mesure du poids du sujet et d'autre part, les informations correspondant au rééquilibrage des pressions infrasonores et qui est destiné à élaborer la densité recherchée celle-ci étant transmise à un dispositif d'affichage.