Brevet FR2707112A1 — publié le 19950106

La présente invention concerne un dispositif pour la mesure des propriétés rhéologiques d'un tissu mou, en particulier mais non exclusivement la peau. On a proposé un dispositif comportant une sonde comprenant une cuve pourvue d'un orifice à appliquer sur le tissu, des moyens d'aspiration pour provoquer une dépression dans la cuve et déformer par succion une région du tissu délimitée par ledit orifice et des moyens de mesure des déformations de cette région. Ces moyens de mesure connus évaluent la distance sur laquelle se déforme la surface du tissu à l'intérieur de la cuve, au moyen d'un émetteur et d'un récepteur d'ultrasons fixes et séparés, situés dans la cuve, la propagation des ultrasons s'effectuant dans l'air. Ce dispositif connu ne donne pas entièrement satisfaction car il ne permet pas d'explorer le tissu en profondeur et ne délivre pas d'informations sur la cinématique et l'étendue de la déformation des différentes structures constitutives du tissu. La présente invention a pour objet de proposer un dispositif perfectionné du type précité permettant de suivre la cinématique de la déformation du tissu en profondeur et de mesurer les propriétés rhéologiques de ce dernier. Selon l'invention, lesdits moyens de mesure comportent un transducteur ultrasonore adapté à fonctionner en émission / réception selon une technique écho graphique déterminée, la cuve contient un liquide de sorte que la propagation des ultrasons entre le transducteur et ladite région s'effectue en milieu liquide et le dispositif comporte des moyens de traitement des signaux délivrés par le transducteur, adaptés à fournir des informations sur l'amplitude et la cinématique des déformations en profondeur dudit tissu. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ledit orifice est porté par une partie amovible de Ia sonde. De préférence, celui-ci est circulaire, bordé par une paroi annulaire de la sonde. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, lesdits moyens d'aspiration comportent un convertisseur électropneumatique relié à une source d'air sous pression réduite et à une source d'air comprimé, adapté à délivrer une pression variable en fonction d'un signal de commande électrique. De préférence, les moyens d'aspiration comportent un réservoir relié audit convertisseur électropneumatique et à la cuve par l'intermédiaire d'une électrovanne d'isolement, ledits moyens d'aspiration comportant en outre une électrovanne d'échappement pour permettre la mise à pression ambiante rapide de la cuve. De préférence, ladite électrovanne d'échappement est une vanne trois voies commandée pour faire communiquer dans un cas ladite vanne d'échappement et la cuve et dans un autre cas la cuve et l'extérieur à pression ambiante. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la sonde comporte un compartiment inférieur portant à sa base ledit orifice et un compartiment supérieur formant piège à liquide, ces deux compartiments communiquant par un passage étroit situé à la base du compartiment supérieur, ce dernier étant en outre relié à sa partie supérieure par un conduit auxdits moyens d'aspiration. De préférence, le compartiment supérieur est séparé selon son diamètre en deux parties par une paroi, l'une des parties contenant l'arrivée dudit conduit dans le compartiment supérieur et l'autre contenant ledit passage, ces parties communiquant entre elles au travers d'un tube en U ouvert vers le bas et dont le dos traverse ladite paroi. Dans un mode de réalisation de l'invention, le transducteur est situé dans une cellule étanche contenant un liquide et située à l'intérieur de la cuve, cette cellule comportant une paroi souple au contact du liquide de la cuve, sur le trajet des ondes ultrasonores. Dans un mode de réalisation de l'invention, le transducteur est monté à l'extrémité d'un bras oscillant autour d'un axe transversal à la perpendiculaire au plan dudit orifice de façon à effectuer un balayage sectoriel du tissu. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un schéma synoptique des moyens d'aspiration utilisés pour provoquer une dépression dans la cuve, - les figures 3A et 3B représentent l'évolution théorique de la dépression dans la cuve selon deux modes de fonctionnement du dispositif, - la figure 4 est une vue schématique en coupe axiale d'une première réalisation de la sonde, - la figure 5 est une vue schématique en coupe axiale d'une deuxième réalisation de la sonde, - la figure 6 est une vue schématique en coupe axiale d'une troisième réalisation de la sonde, - la figure 7 est une vue en section transversale selon le trait de coupe VII VII de la figure 6, et - la figure 8 montre un support utilisé pour maintenir la sonde. On a représenté sur la figure 1 le schéma synoptique d'un dispositif de mesure des propriétés rhéologiques d'un tissu mou par échographie selon l'invention. Ce dispositif comporte une sonde 100 à appliquer sur un tissu mou, tel que la peau, un tendon ou un muscle dont on cherche à évaluer les propriétés rhéologiques. Dans toute la description on entend par "propriétés rhéologiques" l'ensemble des paramètres liés à la déformation du tissu au cours du temps sous l'effet d'une contrainte qui lui est appliquée, notamment son élasticité, sa viscosité, sa plasticité, son coefficient de Poisson, etc.... Conformément à l'invention, la sonde 100 comporte une cuve partiellement remplie de liquide et pourvue d'un orifice à appliquer sur le tissu et un transducteur ultrasonore adapté à fonctionner en émission / réception selon une technique échographique connue. En émission, le transducteur, connu en lui-même, est alimenté en énergie électrique par un module d'émission 110 également connu et en réception, ce même transducteur délivre des signaux analogiques électriques correspondant aux échos réfléchis aux interfaces des différentes structures constitutives du tissu (par exemple dans le cas de la peau, l'épiderme, le derme et l'hypoderme) vers un module de réception 120 connu. Le temps séparant l'émission par le transducteur d'une onde ultrasonore et la réception d'un signal représentatif d'un écho à l'interface de deux structures du tissu correspond à un aller-retour de l'onde ultrasonore jusqu'à cette interface. L'amplitude des signaux analogiques délivrés par le transducteur est représentative de la différence d'impédance acoustique à ladite interface. Le transducteur fonctionne avantageusement à une fréquence supérieure à 20 MS. Un capteur de pression 130 est associé à la sonde 100 pour suivre en permanence la pression à l'intérieur de la cuve. Des moyens d'aspiration 140 sont reliés à la cuve par un conduit C' pour établir à l'intérieur de celle-ci une pression choisie et les moyens d'aspiration 140 sont commandés en 153 selon un programme défini par un microcontrôleur 150, comme cela sera décrit plus en détail dans la suite. Le microcontrôleur 150 est relié en 151 au module d'émission 110 pour commander l'émission des ultrasons. Le microcontrôleur 150 est également relié en 152 au capteur de pression 130 et forme une boucle d'asservissement de la pression régnant dans la cuve à une valeur choisie par l'utilisateur. Le module de réception 120 est relié à une carte d'acquisition numérique 160 connue en elle-même, adaptée à mettre sous forme numérique les signaux analogiques délivrés par le transducteur. Le fonctionnement de la carte d'acquisition numérique 160 est contrôlé par le microcontrôleur 150 relié à celle-ci en 154 et la carte 160 est reliée par ailleurs en 171 à un micro-ordinateur 170 assurant la mémorisation et le traitement des données numériques délivrées par la carte d'acquisition 160. Le micro-ordinateur 170 est relié en 155 au microcontrôleur pour lui indiquer le mode d'évolution de la pression dans la cuve choisi par l'utilisateur. Le micro-ordinateur 170 sert par ailleurs à l'affichage des images d'échographie représentatives de l'évolution des différentes structures du tissu au cours de sa déformation, calcule différents paramètres rhéologiques du tissu et donne le volume de l'élément de tissu sollicité par la contrainte de succion. La programmation du micro-ordinateur 170 est effectuée sans difficultés par l'homme de métier pour accomplir les différentes tâches précitées et ne sera pas décrite davantage. Le microcontrôleur 150 gère le fonctionnement des différents éléments constitutifs du dispositif (module d'émission, module de réception, carte d'acquisition, moyens d'aspiration, ...). n est connu en lui-même et aisément programmé par l'homme de métier. Le microcontrôleur 150 ne sera donc pas décrit plus en détail. On a représenté sur la figure 2 le schéma synoptique des moyens d'aspiration 140. Ces moyens d'aspiration 140 comportent un convertisseur électropneumatique 141 connu en lui-même et adapté à délivrer dans l'exemple de réalisation décrit une pression proportionnelle à un signal électrique de commande issu du microcontrôleur 150. Ce convertisseur 141 est relié en 142 à une pompe à vide 143 et en 144 à une source d'air comprimé comprenant un compresseur 145, un filtre à air 146 et un régulateur de pression 147. La pompe à vide est choisie en fonction des caractéristiques du convertisseur électropneumatique 141 et de la dépression que l'on cherche à obtenir dans la cuve. Dans l'exemple de réalisation décrit, le compresseur 145 délivre de l'air comprimé sous la pression de 2 bars (2.105 Pa). Un réservoir tampon 148 est relié à la sortie du convertisseur électropneumatique 141. Une première électrovanne 149a est reliée en entrée au réservoir 148. Cette électrovanne fonctionne en tout ou rien et elle est commandée par le microcontrôleur 150. Une deuxième électrovanne 149b est reliée à la sortie de la première. I1 s'agit d'une électrovanne trois voies, commandée par le microcontrôleur 150. Ce dernier est programmé pour commander le convertisseur 141 et les électrovannes 149a et 149b de façon à faire évoluer la pression dans la cuve selon un programme prédéterminé, sélectionné par l'utilisateur au moyen du micro-ordinateur 170. Dans l'exemple de réalisation décrit, le microcontrôleur 150 est programmé pour établir, dans un premier mode de fonctionnement indiqué par le micro-ordinateur 170, une dépression statique évoluant de façon cyclique dans la cuve, comme représenté sur la figure 3A et dans un deuxième mode de fonctionnement indiqué par le microordinateur 170, une variation en dents de scie comme représenté sur la figure 3B. Sur ces figures, on a indiqué en abscisse le temps, et en ordonnée la dépression régnant dans la cuve. Pour réaliser l'évolution cyclique de type impulsionnel représentée sur la figure 3A, l'électrovanne 149a est d'abord fermée pour isoler le réservoir tampon 148 et la sonde 100, puis ce dernier est mis à la pression réduite choisie au moyen du convertisseur 141 et l'électrovanne 149a est alors ouverte. La pression dans la cuve s'équilibre d'autant plus rapidement avec celle du réservoir 148 que le volume de ce dernier est important. Dans l'exemple de réalisation décrit, le volume du réservoir vaut 200 cm3. La deuxième électrovanne 149b est passante dans le sens reliant les voies A et B. Pour annuler la dépression régnant dans la cuve, la deuxième électrovanne 149b est actionnée pour faire communiquer les voies B et C et provoquer une mise à pression ambiante rapide de la cuve, la voie C débouchant à l'extérieur. A titre indicatif, dans l'exemple de réalisation décrit, le temps de retour à la pression atmosphérique est d'environ 50 ms. Pour réaliser l'évolution en dent de scie représentée sur la figure 3B, la première électrovanne 149a est passante en permanence et la deuxième électrovanne 149b relie en permanence les voies A et B. Le convertisseur électropneumatique 141 est commandé de façon adéquate par le microcontrôleur 150. De préférence, des moyens sont placés sur le conduit C' pour piéger d'éventuelles remontées du liquide contenu dans la cuve, risquant d'endommager les moyens d'aspiration 140. I1 s'agit avantageusement d'un filtre à air connu en lui-même et non représenté, équipé d'une purge. On a représenté sur la figure 4 une première réalisation de sonde 100 conforme à l'invention. La sonde 100 comporte une cuve 101 destinée à être mise en dépression. Cette cuve 101 présente une forme générale symétrique de révolution autour d'un axe X. La dépression est créée par les moyens d'aspiration 140 précités, reliés à la sonde 100 par le conduit C' débouchant en 104 à l'intérieur de la cuve, à sa partie supérieure. Le volume intérieur 101d de la cuve est partiellement rempli par un liquide L dont la surface S est située en deçà de l'arrivée 104 du conduit C' dans la cuve. De préférence, le liquide L est constitué d'une solution aqueuse. La cuve 101 présente à sa base un orifice 103 circulaire centré sur l'axe X, destiné à être appliqué contre le tissu à étudier. L'orifice 103 est bordé par une paroi de base 102 plane, annulaire, centrée sur l'orifice 103. Le diamètre de l'orifice 103 délimite la surface du tissu soumis à la dépression. Sur la figure 4, le volume intérieur 101d de la cuve 101 est soumis à une dépression de sorte que la peau P se déforme en étant aspirée par l'orifice 103. La paroi latérale de la cuve comprend une partie tronconique 101a divergente vers le haut, s'étendant sur un peu plus de la moitié de la hauteur de la cuve à partir de sa paroi de base 102 et une paroi 101b cylindrique de révolution autour de l'axe X, prolongée supérieurement et transversalement à l'axe X par une paroi supérieure 101c plane, traversée en son centre de façon étanche par un boîtier 109 cylindrique de révolution autour de l'axe X. Le boîtier 109 est terminé à sa partie inférieure par une cellule 105 de forme générale tronconique convergente vers le bas. Le boîtier 109 loge un moteur M destiné à entraîner en rotation autour d'un axe Y perpendiculaire à l'axe X un bras oscillant 108 monté à rotation sur une articulation J de façon connue en soi. La cellule 105 est rapportée de façon étanche sur le boîtier 109 par tout moyen approprié connu de l'homme de métier et le bras 108 débouche à son extrémité inférieure de façon étanche à l'intérieur de la cellule 105. Ce bras 108 porte à son extrémité inférieure un transducteur ultrasonique connu en lui-même T. Ce transducteur T est relié électriquement aux modules d'émission 110 et de réception 120 précités par des câbles électriques connus en eux-mêmes et non représentés, s'étendant à l'intérieur du bras 108. La cellule 105 est remplie d'un liquide jusqu'à un niveau suffisant pour immerger le transducteur T. De préférence, il s'agit d'une solution aqueuse. La cellule 105 comporte à sa partie inférieure un orifice circulaire centré sur l'axe X, obturé par une membrane souple 106 perméable aux ultrasons, immergée dans le liquide L de la cuve 101, de sorte que la propagation des ultrasons s'effectue en milieu liquide entre le transducteur T et la peau P. Lors du fonctionnement de la sonde, le moteur M entraîne en rotation le transducteur T pour effectuer un balayage sectoriel du tissu selon une technique échographique connue de l'homme de métier sous la dénomination d'échographie mode B. Cette réalisation du dispositif selon l'invention permet d'obtenir des images d'échographie bidimensionnelles et de repérer les différentes structures du tissu soumis à la dépression et permet la mesure simultanée de l'amplitude de la déformation de ces différentes structures. Chaque écho est positionné sur l'écran en fonction de la profondeur de l'interface qui lui a donné naissance et de l'orientation du transducteur. n est représenté sur l'écran du micro-ordinateur 170 par un point dont la brillance est d'autant plus grande que l'énergie réfléchie est importante. De préférence, les parois 101a et 101b sont reliées par un filetage étanche de sorte que la partie inférieure de la cuve constituée par la réunion des parois tronconiques 101a et de la paroi de base 102 est amovible et permet à la sonde d'être équipée d'orifices de succion 103 de différents diamètres, en fonction de la surface de tissu que l'on désire soumettre à la dépression. Les variantes de réalisation représentées sur les figures 5 et 6 concernent des sondes dans lesquelles le transducteur T est fixe. Les éléments constitutifs de ces sondes, identiques ou analogues à ceux de la sonde qui vient d'être décrite portent des références identiques et ne seront pas décrits à nouveau Les sondes représentées sur les figures 5 et 6 sont avantageusement destinées au fonctionnement du transducteur T selon une technique échographique connue de l'homme de métier sous la dénomination de mode TM (temps-mouvement), dans laquelle les différents échos sont représentés en fonction de la profondeur sous forme de points lumineux d'autant plus brillants que l'énergie réfléchie est grande et dans laquelle la position en profondeur de chaque écho est enregistrée en fonction du temps. Les structures immobiles sont ainsi représentées par des traits parallèles à l'axe des temps, à profondeur constante. Le transducteur T est monté sur une tige 108' immobile et enregistre le mouvement du tissu suivant une ligne d'exploration choisie, définie par l'orientation du transducteur. La ligne de présentation des échos par le micro-ordinateur 170, sous forme de points lumineux, traduit la mobilité des différentes structures du tissu pendant la déformation qui est appliquée par la sonde. La sonde représentée sur la figure 5 comprend une cuve 101 reliée par un filetage à sa-partie supérieure à un boîtier 109 et isolée de celui-ci par une paroi 107' plane et perpendiculaire à l'axe X, traversée par un petit tube 107'a vertical formant saillie vers le bas à l'intérieur de la cuve 101. L'extrémité inférieure de ce tube 107'a se situe au-dessus de la surface S du liquide L dans la cuve. Le niveau de ce liquide est suffisant pour immerger le transducteur T de sorte que la propagation des ultrasons s'effectue en milieu liquide entre le transducteur T et la peau P. Le volume intérieur 109b du boîtier 109 permet de piéger d'éventuelles remontées d'eau lors de la mise brutale en dépression de la cuve. Le conduit C' reliant la cuve aux moyens d'aspiration 140 débouche en 104' dans le volume intérieur 109a du boîtier 109, au voisinage de la paroi de dessus de ce dernier. On a référencé D une broche de sortie traversant la paroi de dessus du boîtier 109 pour permettre la connexion du transducteur T aux modules d'émission 110 et de réception 120. Pour améliorer davantage encore le piégeage d'éventuelles remontées d'eau vers les moyens d'aspiration 140, le volume intérieur 109a du boîtier 109 est avantageusement divisé en deux parties 202 et 203 au moyen d'une paroi 201 s'étendant selon un diamètre du boîtier 109, contenant l'axe X, de part et d'autre de la tige 108'. Les deux parties 202 et 203 communiquent respectivement avec le tuyau 107' et avec le conduit C' et communiquent entre elles au moyen d'un tube en U 200 ouvert vers le bas et dont le dos traverse la paroi 201. Sur la vue en section de la figure 7, on n'a pas représenté, pour un souci de clarté du dessin, les câbles reliant le transducteur T à la broche de sortie D. Sur la figure 5, à titre d'illustration seulement, le volume intérieur 101d de la cuve est en dépression et la peau P obture l'orifice 103 en se déformant. Sur la figure 6, à titre d'illustration seulement, le volume intérieur 101d de la cuve 101 est à la pression ambiante de sorte que la peau P obture simplement l'orifice 103 sans être déformée. La sonde peut être simplement posée sur le tissu à étudier ou maintenue par un effet de ventouse par l'intermédiaire de l'anneau 102 ou collée sur celui-ci au moyen d'une pastille adhésive double face, ce qui permet alors d'améliorer la reproductibilité des mesures. Cela supprime l'intervention de l'expérimentateur pendant la mesure, ce qui en augmente la reproductibilité. La sonde est avantageusement maintenue avec l'axe X orienté perpendiculairement à la surface du tissu au repos, à l'aide d'un support articulé tel que représenté sur la figure 8. Ce support repose sur un socle 300 et comprend quatre segments 301 à 304 articulés entre eux au moyen de rotules. Le dernier segment 304 est relié au moyen d'une rotule à une pince 305 comprenant des mâchoires 306 destinées à enserrer la sonde. Finalement, l'invention permet l'étude des modifications internes des différentes structures constitutives du tissu, la visualisation de la cinématique de la déformation de ces structures et l'évaluation de la profondeur du tissu concernée par la déformation. Le fait que dans l'invention les ultrasons émis et reçus par le transducteur se propagent en milieu liquide, de préférence aqueux, permet d'utiliser des transducteurs de large bande passante, supérieure à 20 M à - 6 dB et d'obtenir ainsi une bonne résolution axiale, inférieure à 80 ccm. On peut bien entendu proposer, sans sortir du cadre de la présente invention, d'utiliser des technique échographiques autres que celle de balayage sectoriel mécanique et d'enregistrement temps-mouvement. On peut ainsi proposer, par exemple, un balayage électronique au moyen d'un transducteur adapté. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour la mesure des propriétés rhéologiques d'un tissu mou, notamment la peau (P), ce dispositif comprenant une sonde (100) comportant une cuve (101) pourvue d'un orifice (103) à appliquer sur le tissu, des moyens d'aspiration (140) pour provoquer une dépression dans la cuve et déformer par succion une région de peau délimitée par ledit orifice et des moyens de mesure des déformations de ladite région en réponse à ladite dépression, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure comportent un transducteur ultrasonore (T) adapté à fonctionner en émission / réception selon une technique écho graphique déterminée, en ce que la cuve contient un liquide (L) de sorte que la propagation des ultrasons entre le transducteur et ladite région s'effectue en milieu liquide et en ce que le dispositif comporte des moyens de traitement (120, 160, 170) des signaux délivrés par le transducteur, adaptés à fournir des informations sur l'amplitude et la cinématique des déformations en profondeur dudit tissu. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit orifice est porté par une partie amovible de ladite sonde. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'aspiration (140) comportent un convertisseur électropneumatique (141) relié à une source d'air sous pression réduite (143) et à une source d'air comprimé (145, 146, 147), adapté à délivrer une pression variable en fonction d'un signal de commande électrique. 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'aspiration (140) comportent un réservoir (148) relié audit convertisseur électropneumatique (141) et à la cuve par l'intermédiaire d'une électrovanne d'isolement (149a), ledits moyens d'aspiration comportant en outre une électrovanne d'échappement (149b) pour permettre la mise à pression ambiante rapide de la cuve. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite électrovanne d'échappement est une vanne trois voies (A, B, C) commandée pour faire communiquer dans un cas ladite vanne d'échappement et la cuve et dans un autre cas la cuve et l'extérieur à pression ambiante. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la sonde comporte un compartiment inférieur portant ledit orifice et un compartiment supérieur formant piège à liquide, ces deux compartiments communiquant par un passage (107'a) situé à la base du compartiment supérieur, ce dernier étant en outre relié à sa partie supérieure par un conduit (C') auxdits moyens d'aspiration. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compartiment supérieur est séparé selon son diamètre en deux parties par une paroi (201), l'une des parties contenant l'arrivée dudit conduit (C') dans le compartiment supérieur et l'autre partie contenant ledit passage, ces parties communiquant entre elles au travers d'un tube en U (200) ouvert vers le bas et dont le dos traverse ladite paroi. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit orifice (103) est circulaire, bordé par une paroi annulaire (102) de la sonde. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le transducteur (T) est situé dans une cellule étanche (105) contenant un liquide et située à l'intérieur de la cuve, cette cellule comportant une paroi souple (106) au contact du liquide de la cuve, sur le trajet des ondes ultrasonores. 10/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le traducteur est monté à l'extrémité d'un bras oscillant autour d'un axe (Y) transversal à la perpendiculaire (X) au plan dudit orifice, de façon à effectuer un balayage sectoriel du tissu.