Brevet FR2498921A1 — publié le 19820806

Le problème s'est souvent posé pour un malade cardiaque de pouvoir mesurer son pouls de façon continue sans le gêner dans ses activités ou ses déplacements, de même pour un sportif de surveiller son rythme cardiaque pendant un effort soutenu. L'invention a pour but de fournir un appareil portatif se fixant au poignet et permettant par lecture directe de connaitre à tout moment cette fréquence cardiaque en nombre de pulsations par minute, et comportant un dispositif qui déclenebeun signal sonore pour une fréquence préréglable par l'utilisateur. La présente invention est caractérisée par le fait qu'elle est basée sur la mesure de l'effet Doppler obtenu en dirigeant une onde acoustique de fréquence élevée sur une des artères du poignet. Selon une première variante tel que le montre la figure 1 pour l'appareil (la forme de l'objet n'étant pas limitative) vu de face et la figure 2 pour l'appareil vu de dos, l'appareil portatif se présente comme une montre bracelet comportant un écran 1 constitué par exemple par des voyants numériques lumineux réalisés au moyen de cristaux liquides sur lequel s'affiche la fréquence des pulsations cardiaques en nombre par minute. Le dispositif comporte en outre une alarme qui émet un signal sonore lorsque cette fréquence dépasse un certain seuil que l'utilisateur peut prérégler grâce aux boutons 2 et 3. Selon une deuxième variante tel que le montre la figure 3 pour l'ap- pareil vu de face et la figure 4 pour l'appareil vu de dos, l'appareil est une montre bracelet fonctionnant à partir d'un mouvement à quartz permettant à volonté d'afficher sur le même écran en cristaux liquides 6 en plus des données habituelles telles que date, heures et secondes, - ces fonctions étant non limitatives des indications fournies par la montre, - et réglable par les boutons 5 les éléments définis dans la première variante. Selon une troisibme variante tel que le montre la figure 5 pour l'appareil vu de face et la figure 4 pour l'appareil vu de dos, l'appareil est une montre bracelet fonctionnant à partir d'un mouvement à quarts et présentant en plus des fonctions habituelles dont la fonction chronomètre, affichées sur l'écran d'affichage 7 un écran séparé 1 affichant les éléments définis dans la première variante. Suivant une quatrième variante tel que le montre la figure 6 l'appareil se présente en deux parties indépendantes reliées par une connexion électrique 10. La première partie de l'appareil 8 permettant la lecture telle que définie dans les différentes variantes précédentes la deuxième partie 9 comportant l'émetteur et le récepteur d'ultra-sons. Dans la figure 6 la partie 9 est placée d titre d'exemple au-dessus de l'arbre radiale 11. La présente invention utilise de préférence la mesure de l'effet Doppler obtenue en dirigeant sur une des artères existantes au niveau du poignet, l'artère radiale par exemple une onde acoustique de fréquence ultrasonore fo. Dans la description suivante sont détaillés successivement le systme de mesure de la fréquence cardiaque, le système d'émission et de réception des ultra-sons désignés sous le nom de transducteurs, puis le système d'alarme. La partie de l'invention relative au système de mesure de la fréquence cardiaque sera mieux comprise A la lecture de la description du schéma de fonctionnement suivant une forme de réalisation non limitative des possibilités de l'appareil en se référant à la figure 7 des dessins indexés. Un émetteur 12 fournit un faisceau d'ultra-sons 13 å la fréquence fo (5 Mhz par exemple) dirigé sur une artère Il l'artère radiale par exemple. Une partie 14 de l'onde diffusée par les globules contenus dans le sang et réfléchie dans la direction du récepteur 15. Comme ces globules se déplacent à la vitesse Y du flux sanguin qui circule dans l'artère, la fréquence f de l'onde acoustique réfléchie par les globules est décalée par rapport à la frdquence-fo de 11 onde incidente par un écart de fréquence f appelé communément fréquence Doppler. 2 fo V Cos e c V étant la vitesse du sang dans l'artère (de l'ordre de 15 à 30 cm par seconde). C la vitesse du son dans le milieu considéré (environ 1400 mètres par seconde dans le sang). fi la fréquence de tonde acoustique incidente (la gamme de fréquence retenue de façon préférentielle mais non limitative pour que l'invention se situe entre 2 et 12 Mhz). 8 l'angle qui fait l'axe du faisceau ultra-sonore avec l'axe moyen de l'artère. Dans ces conditions on voit que suivant les valeurs de e et fO, A f peut varier entre 0 et 3000 hz. Dans une première variante appelée variante continue, le principe utilisé pour mesurer la pulsation cardiaque à p & tir de la mesure de l'écart Doppler de fréquence sera mieux compris à la lecture de la description suivante faite en se référant à la fig.-' 8 des dessins indexés. Un oscillateur électrique 16 désigné sous le nom de pilote à quartz et alimenté par la pile 17 fournit après amplification par l'amplificateur 18 une tension alternative à la fréquence fo qui excite un transducteur piézo électrique 19 qui transforme l'énergie électrique alternative qu'il reçoit en un faisceau ultra-sonore 13 ce faisceau est en partie réfléchie par l'ar - tre Il ; la partie 14 du faisceau réfléchi est détectée par un deuxième transducteur piéso-électrique 20 identique au premier transducteur et qui fournit une tension électrique alternative à la fréquence fo +f. La difc férence S f entre la fréquence émise fo et la fréquence reçue est désignée sous le nom de fréquence Doppler. Aprbs l'amplification dans l'amplificateur accordé 21 le signal qui est à la fréquence fo +f est mélangé dans le mélangeur 22 avec un signal de référence à la fréquence fo fournit par le pilote à quartz. A la sortie du mélangeur après filtrage par le filtre passe-bas 23, on recueille un si gnal à la fréquence DopplerZf Après amplification dans un amplificateur basse fréquence 25 la varia tion de fréquence b f est transformée en une variation de tension v par un discriminateur classique 26. Si la vitesse du sang dans l'artère était conatantedf serait cons tant mais à cause de la pulsation cardiaque, la vitesse du sang est modulée à la fréquence F de la pulsation cardiaque. La fréquence Doppler ar qui est proportionnelle à la vitesse du sang est donc aussi modulée à la fréquence cardiaque F il en est donc également de mame de la tension7fournie par le dis criminateur 26. Un fréquence mètre électronique classique comportant une mémoire électronique où est stockée en permanence la valeur instantanée de la fréquen ce cardiaque permet l'affichage de cette fréquence sur un dispositif d'affi chage numérique 1 (écran à cristaux liquides par exemple). Cette partie du dispositif objet de l'invention sera décrite plus en détail quand sera abordé le système d'alarme. I1 faut noter qu'en plus de l'énergie réfléchie par les globules du sang le transducteur récepteur reçoit des échos parasites dûs en particulier aux reflexions sur l'épiderme, les parois des artères etc... Ces échos sont des échos fixes, leur fréquence Doppler est soit nulle soit très faible, ils sont éliminés par un filtre passe-haut 24 placé à la sortie du mélangeur 22. Une deuxième variante, appelée variante pulsée, utilisée pour mesurer la pulsation cardiaque sera décrite en se référant à la figure 9 des dessins indexés. La tension y fournie par l'oscillateur pilote à quartz 16 alimentée par pile 17 est modulée en impulsion fine (0,5 micro-seconde par exemple) par un commutateur 28 (commutateur à diodes par exemple) commandée par une tension V2 fournie par un diviseur de fréquence 29 commandé par le pilote 16. Le train d'impulsions recueilli à la sortie du commutateur excite un transducteur piézo-électrique 19 qui émet un faisceau ultra-sonore lui-meme modulé en impulsion. Une partie du faisceau émis est réfléchi vers le récepteur qui reçoit des impulsions décalées dans le temps par rapport aux impulsXions émises à cause du trajet que l'onde ultra-sonore doit parcourir de 11 émetteur à l'artè- re puis après réflexion de l'artère au récepteur. Ce décalage t dans le temps est égal à 2 d , c étant la vitesse de l'onde acoustique - et d la distance de l1émetteur0 (ou du récepteur l'artère visée La ligne 30 de la figure 10 donne la variation dans le temps de la tension de sortie de ltoscillateur pilote. La ligne 31 de la figure 10 représente la variation dans le temps du train d'impulsions ultra-sonores émis à la fréquence fo. La ligne 32 de la figure 10 représente la variation dans le temps du train d'impulsions réfléchi par l'artère ce train est retardé de t=2 d/c par rap- port au train 31 et de fréquence f0 + #f. La ligne 33 de la figure 10 représente la variation dans le temps d'un train d'impulsions parasites (réfléchi par exemple par l'épiderme); il est retardé de t' = 2d par rapport au train 31, la distance d' de l'épider c me à l'émetteur étant différente de la distance d de l'artère à l'émetteur. La ligne 34 de la figure 10 représente un train d'impulsions de ré férence décalées dans le temps de t = 2d obtenu à partir du mattre oscillateur c 16, du diviseur 29, du modulateur 28 et du circuit retardateur 35 de la figure 9. Après mélange des trains d'impulsions reçus 32, auxquels se surajoutent les trains parasites 33 avec le train de référence 34, seules les impulsions qui apparaissent de façon synchrone avec le train d'impulsions de référence décalé dans le temps de li fournissent un signal de sortie non nul. c On voit donc que la variante pulsée permet une élimination supplémentaire des échos parasites. I1 est bien connu que si la fréquence de répétition des impulsions est supérieure au double de la fréquence Doppler Af, le détecteur de phase 36 suivi d'un intégrateur 37 et d'un filtre 38 éliminant la fréquence de répétition et ses harmoniques (ce filtre s'ajoute au filtre 24 qui élimine les échos fixes) fournit un signal à la fréquence Doppler Af dont l'exploitation comme dans la variante continue se fait par un discriminateur 26, suivi d'un fréquencemètre électronique 27. Cette variante permet également le blocage du récepteur pendant le 2d temps e d'émission et son déblocage avec un délai de t = c I1 est donc pos- sible pour cette variante de n'utiliser qu'un transducteur. Enfin cette version qui fournit un échantillonnage de la phase du signal Doppler permet un filtrage par des filtres numériques plus facilement miniaturisables que les filtres classiques. Pour répondre à l'objet du brevet, le transducteur doit être minia- turisé, fournir un faisceau d'ultraeons dont l'axe fasse un angle aussi faible que possible avec l'axe de l'artère visée, avoir un bon rendement. Pour tenir compte de la position des deux artères principale qui traversent le poignet (l'artère radiale ou l'artère cubitale), le transduce teur peut Titre logé soit sous le bottier de visualisation qui se porte alors sous le poignet, soit å la partie inférieure d'un fermoir: le bottier de vi- sualisation peut alors être indépendant du fermoir qui supporte le transduc- teur (la figure 6 représente une réalisation conforme à ce principe). Pour éviter que la plus grande partie de l'énergie acoustique ne soit réfléchie par l'interface entre l'air et la peau de l'utilisateur, il peut autre prévu, entre la face avant du transducteur d'émission et la peau, une succession de milieux qui adaptent le transduoteur à l'impédance acoustique de la peau. Le transducteur selon l'invention sera mieux compris h la lecture de la description suivante en se référant aux figures il, 12, 13 et 14. Le transducteur d'émission est constitué par un corps piézo-électri- que ionocristallin ou polycristallin, qui peut être, par exemple, du 4tano- biate de plomb, du titanate et zirconate de plomb, ou tout autre produit courazient commercialisé pour ce type de transducteur (PZT 5 par exemple). Un disque de matière piézo-électrique métallisé de 2 à 3 mi de birr mètre est suffisant pour émettre le faisceau d'ultrasons. La figure 11 repr*- sente une réalisation possible d'un émetteur en PZT 5. Les zones hachurées 39 et 40 constituent les dépôts métalliques qui servent d'électrode et sur les- quels sont raccordées les connections électriques. Les dimensions d'un tel transducteur dans une réalisation donnée à titre indicatif fonctionnant å 7 Mhz sont 2 mm x s a x 0,3 mm; l'épaisseur (0,3 mm) est déterminée par la nécessité de faire résonner le transducteur en n#/2 acoustique à la fréquence de 7 Mhz. La figure 12 représente la cavité qui se trouve au contact de la peau 41 et contient les transducteurs d'émission et de réception. 13 Le transducteur d'émission 19 est orienté de façon que le faisceau d'ultrasons 13 intercepte l'artère 11 sous un angle e inférieur à 300. La cavité peut comporter des surfaces réfléchissantes planes ou concaves 42 pour mieux orienter le faisceau d'ultrasons comme l'indique la figure 13. Dans une réalisation préférentielle représentée t figure ,', la caviré est en plus remplie d'un gel 43, dont la densité a été déterminée pour s'adapter à l'impédance de l'épiderme, et fermée par une rembrane élastique d'épaisseur n #/2 acoustique (# est la longueur d'onde acoustique de la fréquence d'émission utilisée). Cette membrue est appliquée sur la pea @ de e l'utilisateur par le bracelet qui maintien le dispositif au poignet ce l'utilisateur. Dans les versions où l'on utilise un transducteur d'émission 1 e de réception 20 distincts, les deux transducteurs sont placés côte à cote conformément aux figures 15 et 16. Pour signaler à l'utilisateur que sa fréquence cardiaque a atteint ou dépassé un seuil réglable à l'avance (109 pulsations par minute par exemple), l'objet du brevet est équipé d'un dispositif d'alarme. Le fonctionnement d'une réalisation possible du dispositif d'alarme sera mieux compris à la lecture de la description suivante faite en se référant à la figure 17 des dessins indexas (les circuits d'alimentation partir de la pile 17 ne sont pas représenté). Le fréquencemètre digital utilisé comprend un registre 45 (mémoi- re électronique) dans lequel est stockée sous forme binaire la valeur instanée de la fréquence cardiaque F mesurée par effet Dhppler. Un décodeur 46 permet 11 affichage du contenu du registre sur des voyants lumineux numériques 47 à cristaux liquides par exemple. En agissant sur un bouton B1 commandant un contact électrique 2 repéré 48 sur la figure 17, il est possible de déconnecter à l'aide d'un ensemble de portes logiques 49 le registre 45 du fréquencemère du décodeur qui commande les voyants 47 et de connecter le registre d'un compteur 50 dans lequel est enregistrée la valeur de la fréquence cardiaque choisie comme seuil de déclenchement pour l'alarme sonore, cette fréquence apparait alors sur les voyants 47. En agissant sur un deuxième bouton B2 commandant un contact élec- trique 3 repéré 51 sur la figure 17, il est possible de faire évoluer le contenu du compteur 50 en connectant l'entrée du compteur à un train d'impulsions fourni par une chatne de diviseurs de fréquence commandée par le pilote à quartz 16. Les boutons B1 et 32 peuvent être des boutons du type bouton poussoir, les contacts qu'ils commandent s'interrompant des que l'on relâche la pression, ou du type pas à pas: une première pression ferme le contact commandé, une deuxibme pression le rouvre. En agissant à la fois sur les boutons 31 et E2, l'utilisateur peut prérégler une fréquence F1 (109 pulsations , & minute par exemple) en rel- chant le bouton 32 (dans le cas où est utilisé un bouton de type bouton poussoir) au moment où apparait sur les voyants 47 la valeur F1 recherchée, 109 par exemple. Cette valeur sera alors stockée de façon permanente dans le registre 50 dw compteur tant que l'on n'actionnera pas à nouveau le bouton B2. En rouvrant le contact 48 à l'aide du bouton B1, la fréquence cardiaque mesurée par effet Doppler est à nouveau visualisée sur les voyants 47. Un autre ensemble électronique 52 constitué de porte logique, désigné sous le nom de comparateur, permet de comparer à tout moment les nombres enregistrés dans le registre 45 du fréquencemètre et le registre 50 du compteur de préaffichage. Quand le nombre enregistré dans le registre du fréquencemètre dépasse la valeur enregistrée dans le compteur 50 de préaffichage, l'alarme sonore 53 émet un signal sonore qui avertit l'utilisateur. Cette alarme sonore s'arrête dès que la fréquence mesurée redevient inférieure au seuil préaffiché. Les différents ensembles électroniques utilisés (registre, compteur, porte logique, décodeur comparateur) sont paff aitement connus de l'homme de l'art et ne sont donc pas décrits en détail. Ils seront de préférence réalisés en technologie intégrée M.O.S.. Cette technologie utilisée de façon générale, en particulier dans les montres électroniques, les calculatrices de poche, etc... permet en effet une miniaturisation suffisante pour qu'il soit possible de loger toutes les fonctions utilisées dans un bottier de montre. L'alarme sonore (buzzer) est un dispositif du commerce comparable à ceux utilisés dans les montres électroniques. REVENDICATIONS 1. Appareil se portant au poignet et indiquant la fréquence cardiaque par minute, caractérisé par le fait que la mesure se fait de façon continue, par simple contact avec l'épiderme grâce à un faisceau d'ultrasons, sans aucune intervention de l'utibsateur. 2. Appareil basé sur la mesure de la fréquence Doppler d'une onde ultrasonore continue ou pulsée, réfléchie par les globules véhiculées par le flux sanguin d'une artère ou d'une veine. 3. Appareil caractérisé par une source piézo- électrique d'ultrasons adaptée à l'impédance acoustique de l'épiderme par des milieux ayant les masses spécifiques et les épaisseurs convenables. 4. Appareil muni d'une alarme sonore déclenchée dès que la fréquence cardiaque dépasse une valeur préréglable par l'utilisateur. 5. Appareil pouvant en plus de la fréquence cardiaque, afficher les indications foulmies de façon classique par une montre: heures, minutes, secondes, date, sonnerie préréglée.