Brevet FR2623388A1 — publié le 19890526

L'invention concerne un procédé et un dispositif de surveillance de la respiration d'un individu, notamment en vue de détecter un défaut de respiration, apnée ou dyspnée, durant le sommeil d'un nourrisson ou d'un malade alité. Il a été constaté de nombreux cas de mort subite de nourrissons ou jeunes enfants &gés de une semaine & deux ans en raison d'un disfonctionnement des automatismes respiratoires. Environ 75% de ces cas d'arrêt respiratoire ne présentent aucun signe prémonitoire. La détection précoce de ces accidents nécessite donc de surveiller en permanernce la régularité de la respiration des enfants. Pour cela, différents appareils ont été proposés, que l'on peut classer en deux catégories. Un premier type d'appareil de détection nécessite un contact direct avec le sujet. Ces appareils utilisent un capteur de déplacement qui enregistre les variations de l'ampliation thoracique (jauge d'extensiométrie, capteur à effet Hall, etc...) ou la modification de la répartition des pressions sous le matelas supportant le nouveau-né (capteurs à effet capacitif, résistif ou inductif, ou cap- teurs de mesure de la pression locale). Les premiers sont peu commodes d'utilisation et sources d'accidents en rai- son de la liaison permanente qui doit exister entre l'enfant qui sommeille et l'appareil de détection, tandis que les seconds sont coûteux en raison de l'adaptation nécessaire du réseau de capteurs au lit de l'enfant et d'une fiabilité discutable sauf à recourir à des capteurs d'une très grande sensibilité. Les appareils de nécessitant pas de contact direct avec le sujet présentent l'avantage de ne pas gêner celui- ci dans ses mouvements pendant son sommeil. Ces appareils peuvent être basés sur la détection du souffle expiratoire (thermistance, photodétecteur infrarouge, etc...), mais ils peuvent alors être mis en défaut lors des déplacements importants du sujet (retournement antérieurpostérieur ou latéral). D'autres appareils font appel à des capteurs volumétriques à ultrasons, infrarouges ou autres: ces -2- capteurs sont bien adaptés lorsque la scène est relative- ment statique, c'est-à-dire que le seul mouvement de l'individu est dé à sa respiration, mais l'information qu'ils délivrent est plus difficile à exploiter lorsque le sujet se déplace dans le champ d'observation. Les facteurs de risques de ces accidents respira- toires n'étant pas connus, seule une surveillance & très grande échelle des enfants après leur naissance permettrait d'assurer une prévention efficace. Le besoin se fait donc sentir d'un moyen permettant de surveiller, tant en milieu hospitalier qu'à domicile, la respiration de jeunes enfants, de détecter de manière précoce un défaut de res- piration, apnée ou dyspnée, et de déclencher une alarme en réponse à une telle détection. Un tel moyen doit être adaptable à toutes les situations de couchage, ne pas né- cessiter de réglage et être facile à mettre en oeuvre. La présente invention vise à fournir un tel moyen qui pallie les inconvénients des solutions connues. Elle propose à cet effet un procédé de surveillance de la respiration d'un individu, caractérisé en ce qu'il consiste à former sur un ensemble d'éléments photosensibles une image d'au moins une partie du corps dudit individu susceptible de présenter des mouvements quasi périodiques liés à la respiration, à mesurer avec une fréquence de récurrence ou de lecture déterminée les niveaux de gris des points de ladite image, à comparer entre eux les ni- veaux de gris des points correspondants d'images successi- ves, et à détecter un défaut de respiration, apnée ou dyspnée, dudit individu en l'absence de variations signifi- catives ou en présence de variations anormales entre les niveaux de gris des points correspondants d'images succes- sives comparées. Selon une caractéristique, le procédé consiste à former sur ledit ensemble d'éléments photosensibles une image composite qui est la superposition des images de plusieurs zones d'observation déterminées d'un espace déterminé dans lequel ledit individu est susceptible de se mouvoir, et à comparer entre elles lesdites images compo- - 3 - sites. Selon une autre caractéristique, lesdites zones sont réparties dans ledit espace de manière qu'en toute position de l'individu dans cet espace une partie de son corps susceptible de présenter des mouvements liés à la respiration se trouve dans au moins l'une desdites zones. L'espace en question peut être le lit sur lequel repose un enfant. En choisissant une répartition judicieuse des zones observées et en superposant les images de ces différentes zones sur l'ensemble d'éléments photosensibles, on limite le champ d'observation et le coût de l'appareil- lage de surveillance tout en assurant qu'une apnée ou dyspnée pourra être détectée quelle que soit la position de l'enfant dans son lit. De préférence, on assurera un éclairement sensi- blement constant de la partie de l'individu dont une image est formée de façon à s'affranchir des variations de niveau de gris qui seraient dues à des modifications des condi- tions d'éclairage. L'invention a également pour objet un dispositif de surveillance de la respiration d'un individu susceptible de se mouvoir dans un espace déterminé, caractérisé en ce qu'il comprend un objectif formant une image d'au moins une zone de cet espace sur un ensemble d'éléments photo- sensibles, des circuits de pilotage et de lecture des élé- ments photosensibles, un convertisseur analogique-numéri- que, des moyens de traitement de l'information, tels qu'un microcalculateur, pour comparer entre eux les signaux fournis successivement par les éléments photosensibles et déterminer les variations significatives ou anormales de ces signaux qui.sont dues à la respiration dudit individu, et des moyens d'alarme déclenchés par lesdits moyens de traitement de l'information en réponse à la détection d'une absence de variations significatives ou d'une pré- sence de variations anormales. Selon une forme préférée de réalisation, le dispo- sitif comprend des moyens optiques tels que des prismes pour former sur l'ensemble d'éléments photosensibles -4- l'image composite qui est la superposition des images de plusieurs zones déterminées dudit espace. Selon encore une autre caractéristique, le dispo- sitif comporte une source lumineuse de rayonnement infra- rouge du domaine non visible. En faisant "l'obscurité" dans la pièce dans laquelle l'enfant dort, cette solution permet d'assurer l'éclairement sensiblement constant du champ d'observation du dispositif sans perturber le som- meil de l'enfant. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion résulteront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple et illustré par les dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente schématiquement l'installa- tion du dispositif selon l'invention sur un lit d'enfant. La figure 2 est un schéma montrant les composants essentiels du dispositif selon l'invention. La figure 3 est une vue schématique en élévation latérale montrant la répartition des zones d'observation du dispositif de la figure 1. Les figures 4A et 4B représentent schématiquement le déroulement dans le temps des étapes essentielles du procédé selon l'invention. On se référera d'abord à la figure 1 sur laquelle le dispositif 10 selon l'invention est fixé, par exemple, par un ensemble de pieds 11 au-dessus du lit 12 o se trouve l'enfant 13 à surveiller. Il va de soi que si la nature du lit le permet, ce dispositif 10 peut éventuelle- ment être disposé sur le côté de celui-ci. Au dispositif 10 proprement dit sont associés un dispositif d'alarme locale lumineuse ou sonore 14 et un dispositif d'alerte à distance 15 placé dans un autre local. La liaison entre le dispositif 10 et le dispositif d'alarme à distance 15 peut être assurée par tout moyen approprié, par exemple par interphone ou par un canal de transmission d'informations spécialisé ou non (par exemple via un réseau électrique). Les composants essentiels du dispositif 10 seront maintenant décrits en référence à la figure 2. Le disposi- -5- tif 10 comprend un objectif 16, tel qu'un objectif d'appa- reil photographique, dans le champ d'observation duquel se trouve le lit 12 sur lequel repose l'enfant 13. L'objectif 16 est associé & un ensemble d'éléments photosensibles constituées de préférence par une barrette ou rangée 17 de photodétecteurs élémentaires 19 tels que des photodétecteurs à transfert de charge, qui peuvent être par exemple au nombre de 512 ou 1024. L'objectif 16 forme sur la barrette 17 de photodé- tecteurs l'image d'un plan de l'espace compris dans son champ d'observation, ce plan correspondant au plan du dessin de la figure 2. Les positions de l'objectif 16 et de la barrette 17 l'un par rapport à l'autre et par rapport au lit 12 sont choisies de manière que le plan de l'espace observé coupe le plan défini par la surface du matelas du lit 12 dans une zone de celui-ci o se trouve une partie du corps de l'enfant 13 susceptible de présenter des mouvements liés à la respiration, à savoir le thorax ou l'abdomen. Toutefois, comme l'enfant est susceptible de se mouvoir dans son lit pendant son sommeil, il est préférable de former des images de plusieurs zones distinctes du lit 12 qui sont réparties de manière qu'en toute position de l'enfant dans son lit une image d'une partie de son thorax ou de son abdomen est formée sur la barrette 17. C'est ainsi que, selon le mode de réalisation de la figure 3, des moyens optiques complémentaires tels que des prismes 18 sont associés à l'objectif 16 pour former des images suivant trois plans Pl, P2 et P3 s'étendant transversale- ment par rapport à la longueur du lit 12. L'optique 16,18 est réalisée de telle manière que les images de trois ban- des Z1, Z2 et Z3 se superposent et donnent lieu à une image composite sur la barrette 17 de photodétecteurs. Bien entendu, il s'agit là d'un exemple particulier de réalisation qui peut faire l'objet de nombreuses va- riantes, tant en ce qui concerne le nombre de plans de l'espace observé que les orientations de ces plans les uns par rapport aux autres et par rapport au plan P du matelas - 6 - sur lequel repose l'enfant. Ces différents paramètres peu- vent être optimisés en fonction de la taille du lit 12, de celle de l'enfant, etc... afin d'assurer qu'en toute posi- tion de celui-ci dans son lit au moins une image d'une partie de son thorax ou de son abdomen soit formée sur la barrette 17 de photodétecteurs. Toutefois, il n'y a pas lieu de multiplier à l'excès le nombre d'images superpo- sées sur la barrette 17 car il risquerait d'en résulter une diminution excessive de la sensibilité du dispositif par superposition d'images significatives (parties du corps de l'enfant présentant des mouvements liés à la res- piration) et d'images non significatives (observation de zones du lit dans lequel ne se trouve aucune partie du corps de l'enfant ou de parties de celui-ci qui ne présen- tent pas de mouvements liés à la respiration). En effet, chaque photodétecteur de la barrette 17 est sensible à la moyenne des points homologues des images superposées for- mées dans les différents plans d'observation. Les photodétecteurs 19 de la barrette 17 sont associés à des circuits généralement désignés par la réfé- rence 20, qui comprennent des circuits de mesure ou lectu- re des charges des détecteurs 19 et au moins une horloge de détermination du temps d'intégration ou de la fréquence de lecture des photodétecteurs 19. Les circuits de lecture sont reliés par un convertisseur analogiquenumérique 21 à un microcalculateur 22 effectuant le traitement des signaux de sortie des photodétecteurs 19 et la commande des cir- cuits 20. Ce microcalculateur 22 commande également, à l'aide des circuits 20, un système d'éclairage 23 qui assure un éclairage sensiblement constant des bandes Z1, Z2 et Z3 dont des images sont formées sur la barrette 17. De préfé- rence, le système d'éclairage 23 est constitué d'un ensemble de diodes photoémissives éclairant les zones pré- citées à une longueur d'onde qui ne se trouve pas dans le domaine du visible tout en restant dans le domaine de sen- sibilité des photodétecteurs 19. Un éclairage par infra- rouge non visible a l'avantage de ne pas être nocif pour 7- l'enfant aux intensités exigées par la sensibilité des photodétecteurs et de présenter un degré de réflexion sa- tisfaisant sur les nombreux types de matériaux - dont l'enfant 13 peut être revêtu. Si le système d'éclairage est alimenté par une source de tension alternative, la fréquence de lecture des photodétecteurs doit être égale à ou être un sous-multiple entier de deux fois la fréquence de la source de tension afin que le niveau de gris des photodétecteurs soit indépendant de la phase de la source. A titre d'exemple, une fréquence de lecture de 20 Hz est compatible avec des sources de tension à 50 Hz et 60 Hz. Le système d'éclairage ou source lumineuse 23 peut être disposé au voisinage immédiat de la barrette de pho- todétecteurs 17, ou bien être quelque peu éloigné de celle- ci de manière à éclairer obliquement les différentes zones observées Z1, Z2 et Z3 afin de contribuer, par la forma- tion d'ombres portées au niveau de ces zones, à accro tre les différences de luminosité entre les images d'une même zone qui sont formées au cours d'un cycle de respiration de l'enfant. On notera à ce sujet que de préférence l'enfant ne sera pas recouvert d'une couverture ou vête- ment qui soit susceptible de rendre non perceptibles les mouvements de son corps liés à& la respiration. Il pourra être vêtu, par exemple, d'un vêtement moulant. D'autre part, en l'absence de système d'éclairage spécifique, la source lumineuse peut être constituée par la lumière natu- relle. Dans ce cas, des moyens d'asservissement de sensi- bilité peuvent être prévus pour que le niveau de gris moyen vu par les photodétecteurs soit sensiblement cons- tant et indépendant des conditions d'éclairage. Par ailleurs, le microprocesseur 22 est relié au dispositif d'alarme lumineux ou sonore 14 associé au dispositif ainsi qu'au système d'alerte à distance 15. Ces moyens d'alarme locale ou d'alerte à distance sont déclenchés par le microcalculateur 22 lorsqu'il ne détecte plus de respiration. -- 8 -- On va maintenant décrire les principales étapes du procédé selon l'invention, ainsi que le fonctionnement du dispositif en référence aux figures 4A et 4B. Les courbes a et b des figures 4A et 4B représen- tent les signaux vidéo obtenus par lecture des photodétec- teurs élémentaires 19 de la barrette 17 à deux instants qui sont séparés d'un intervalle de temps prédéterminé. Chaque courbe a, b représente les niveaux de gris qui sont vus par l'ensemble des photodétecteurs 19. Lorsque la scène observée n'a pas changé entre les deux instants d'observation, les courbes a et b sont identiques (figure 4B), l'éclairage étant supposé sensiblement constant. Par contre, lorsqu'il y a un mouvement respiratoire, ceci se traduit par une variation des niveaux de gris vus par les photodétecteurs correspondants (figure 4A). La détection des variations des niveaux de gris vus par les photodétec- teurs permet donc de mettre en évidence les mouvements du corps liés à la respiration et, en corollaire, l'absence de ces mouvements ou leur caractère anormal permet de dé- clencher l'alerte. Le traitement des signaux vidéo fournis par la barrette 17 de photodétecteurs 19 est, pour l'essentiel, le suivant: deux signaux successifs tels que ceux représentés par les courbes a et b sont comparés, et leur différence est effectuée pour obtenir le signal représenté par la courbe c. Ce signal est amplifié (courbe d) puis est re- dressé et transformé en signaux binaires par comparaison & un seuil déterminé parmettant d'éliminer le bruit rési- duel des photodétecteurs 19. Le signal résultant, repré- senté par la courbe e, comprend un premier créneau ou écho 24, de largeur relativement importante (figure 4A), et un second créneau ou écho 25 de largeur beaucoup plus faible. Ce signal est ensuite appliqué à un filtre, pour ne conserver que le premier écho 24 (courbe f) qui corres- pond à un mouvement lié à la respiration, et pour éliminer le second écho 25, dont la longueur est beaucoup trop faible pour correspondre à un tel mouvement (cas d'un - 9 - insecte se déplaçant dans le champ d'observation). De façon plus détaillée, le déroulement dans le temps des diverses opérations du procédé selon l'inven- tion peut être le suivant: Les images formées sur la barrette 17 de photodé- tecteurs sont lues à une fréquence déterminée et les char- ges électriques de l'ensemble des photodétecteurs 19 explorés successivement produisent les signaux vidéo a et b des figures 4A et 4B. Ces signaux lus par le circuit 20 et numérisés par le convertisseur 21 sont enregistrés par le microcalculateur 22 à une fréquence qui est au plus égale à la fréquence de lecture et qui est le plus souvent un sous-multiple de cette fréquence de lecture. Supposons par exemple que cet intervalle de temps soit de 3 secondes et que la fréquence d'enregistrement soit telle que l'on ait un enregistrement toutes les 0,5 seconde. En d'autres termes, le premier signal enregistré à l'instant 0 est comparé 3 secondes plus tard au signal qui vient d'être enregistré et leur différence est traitée comme décrit en référence à la figure 4 (amplification, redressement, transformation en signaux binaires et fil- trage) pour donner le signal de résultat qui est enregistré à l'instant t = 3 secondes. Le signal enregistré au temps t = 0,5 seconde est comparé au signal enregistré au temps t = 3,5 secondes, et ainsi de suite. L'étape suivante consiste, lorsqu'un résultat est négatif (pas de respiration) à accumuler les résultats suivants un nombre prédéterminé de fois ou un temps prédé- terminé et de donner l'alarme après un nombre consécutif et prédéterminé de résultats négatifs signifiant que l'apnée ne correspond pas à une pause mais à un arrêt res- piratoire. Ce nombre cumulé d'images statiques correspond à la durée de la pause respiratoire acceptable qui peut, soit être déterminée empiriquement et mémorisée dans le microcalculateur 22, soit réglée au moyen d'un sélecteur à commande manuelle 24 prévu sur le dispositif 10 (figure 1). - 10 - Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et l'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. - il - REVENDICATIONS 1. Procédé de surveillance de la respiration d'un individu, caractérisé en ce qu'il consiste à. former sur un ensemble d'éléments photosensibles (17) une image d'au moins une partie du corps dudit individu (13) susceptible de présenter des mouvements quasi périodiques liés & la respiration, à mesurer avec une fréquence de récurrence ou de lecture déterminée les niveaux de gris des points de ladite image, à comparer entre eux les niveaux de gris. des points correspondants d'images successives, et à& déclencher une alarme en l'absence de variations significatives ou en présence de variations anormales entre les niveaux de gris des points correspondants d'images successives comparées. 2. Procédé selon la revendication - 1, caractérisé en ce qu'il consiste à former sur ledit ensemble d'éléments photosensibles (17) une image composite qui est la super- position des images de plusieurs zones d'observation dé- terminées (Pl, P2, P3) d'un espace déterminé (12) dans lequel ledit individu est susceptible de se mouvoir, et à comparer entre elles lesdites images composites. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites zones (Pl, P2, P3) sont réparties dans ledit espace (12) de manière qu'en toute position de l'individu (13) dans cet espace une partie de son corps susceptible de présenter des mouvements liés à la respira- tion se trouve dans au moins l'une desdites zones. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 & 3, caractérisé en ce qu'il consiste à enregistrer des images successives à une fréquence qui est un sous- multiple de la fréquence de lecture et à comparer entre elles deux à deux des images successives enregistrées séparées l'une de l'autre par un nombre déterminé d'images enregistrées. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à former un signal électrique analo- gique représentatif du niveau de gris de tous les points de chaque image enregistrée, à comparer les signaux élec- Z623388 - 12 - triques de deux images successives enregistrées, et à dé- clencher une alarme en l'absence de différence significa- tive entre les amplitudes des signaux comparés. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer la différence entre les signaux électriques comparés, à amplifier, redresser et convertir sous forme numérique, par comparaison à un seuil déterminé, le signal différence obtenu, et à filtrer ledit signal numérique pour éliminer les signaux de dimension trop faible pour correspondre à un mouvement respiratoire. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à comparer entre eux un nombre prédéterminé de résultats de compa- raisons successives pour éliminer des résultats erronés dus, en particulier, à des pauses du cycle respiratoire dudit individu. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 7, caractérisé en ce qu'il consiste à comparer plusieurs images successives au cours de chaque cycle respiratoire de l'individu. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer un éclairement sensiblement constant de ladite partie de l'individu dont une image est formée. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que dans le cas o on assure ledit éclairement au moyen d'une source lumineuse alimentée par une source de tension alternative, ladite fréquence de lecture est égale à ou est un sous-multiple entier de deux fois la fréquence de la source de tension alternative. 11. Dispositif de surveillance de la respiration d'un individu susceptible de se mouvoir dans un espace déterminé, caractérisé en ce qu'il comprend un objectif (16) formant une image d'au moins une zone (Pl, P2, P3) de cet espace sur un ensemble (17) d'éléments photosensi- bles (19), des circuits (20) de pilotage et de lecture des éléments photosensibles, un convertisseur analogique- numérique (21), des moyens (22) de traitement de l'infor- - 13 -388 mation, tels qu'un microcalculateur, pour comparer entre eux les signaux fournis successivement par les éléments photosensibles (19) et déterminer les variations signifi- catives ou anormales de ces signaux qui sont dues à la respiration dudit individu, et des moyens d'alarme (14, ) déclenchés par lesdits moyens de traitement de l'information en réponse à la détection d'une absence de variations significatives ou d'une présence de variations anormales. 12. Dispositif selon la revendication 11, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens pour enregistrer les signaux fournis par les éléments photosensibles à une fréquence qui est un sous-multiple de la fréquence de lecture des éléments photosensibles, et des moyens pour comparer deux à deux des signaux enregistrés succes- sifs séparés l'un de l'autre par un nombre déterminé de signaux et pour effectuer leur différence. 13. Dispositif selon la revendication 12, caracté- risé en ce qu'il comprend des circuits de transformation en signaux binaires des différences des signaux comparés et des circuits de filtrage pour l'élimination des diffé- rences non significatives. 14. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de comparaison d'un nombre déterminé de résultats obtenus successifs et d'élimination des résultats aberrants. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 11 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques (18) pour former sur ledit ensemble (17) d'éléments photosensibles une image composite qui est la superposition des images de plusieurs zones déterminées (Pl, P2, P3) dudit espace. 16. Dispositif selon la revendication 15, caracté- risé en ce que lesdits moyens optiques comprennent des prismes (18). 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 11 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse (23) de rayonnement infrarouge du domaine non visible.