Brevet FR2729221A1 — publié le 19960712

Le secteur technique de la présente invention est celui des sondes de mesure de gradients de température, notamment dans des milieux biologiques. En particulier, il conceme une sonde multicapteurs tactile pour mesure de températures dans des tissus vivants. La mesure de gradient de température dans des matériels biologiques a toujours posé un certain nombre de problèmes au niveau technologique. En effet, la sonde doit être la plus petite possible afin de ne pas léser les tissus, et, dans un volume restreint, un certain nombre de capteurs doivent être installés pour permettre l'étude des gradients de température. Ces impératifs sont souvent antagonistes. Cependant ces mesures dans les tissus présentent une grande importance en thermophysiologie, mais aussi en physiologie de l'exercice musculaire (température musculaire, etc.), en cryochirurgie et dans le traitement de divers cancers. De façon dassique, on distingue chez l'homme la température cutanée moyen ne relativement variable, par rapport à la température inteme sensiblement constante, mais il faut prendre en compte la diversité des tissus (peau, tissu adipeux, musdes) possédant chacun une conductance thermique propre. A côté de ce gradient axial de température existe également un autre gradient longitudinal du fait, en particulier, de la convection sanguine. Actuellement la poursuite des recherches en thermophysiologie - recherches sur la tolérance au froid, à la chaleur, sur les adaptations au froid, à la chaleur et les réactions thermiques lors de l'exercice physique - se heurtent au problème de la mesure des gradients thermiques dans les différents tissus, notamment muscle-peau. On connaît des sondes rigides ou flexibles, présentant un ou plusieurs capteurs de température, en particulier comme le montre la publication de Michel B. DUCHARME et John FRIM dans Joumal Appl. Physiol. 1988, 65 (5) pages 2337 à 2342. Ces demières sondes sont d'utilisation difficile car trop volumineuses, donc traumatisantes. Elles présentent un ensemble de thermocouples cuivre-constantan distants de 5 mm et noyés dans un tube de polyéthylène. Le tout posséde un diamètre d'environ 1 mm, sa calibration est difficile, les résultats sont affectés par la conductivité thermique élevée de la sonde elle-même et, moyennant un certain nombre de corrections, la précision n'excède pas 0,1 0C. En outre, son procédé de fabrication est complexe et conduit à des prix de revient élevés. La présente invention pallie ces inconvénients en proposant une sonde multicapteurs tactile, notamment pour mesure thermique in vivo, présentant à la fois une miniaturisation poussée afin de ne pas endommager les tissus et provoquer une gêne minime pour le patient et une grande sensibiiité et précision tant en absolu qu'en mesure de gradient de température avec une conductivité très faible. L'invention a donc pour objet une sonde multicapteurs de mesure de gradients de température, notamment dans des matériels biologiques, caractérisée en ce qu'elle comprend une tige en matériau composite sur laquelle sont déposés des capteurs de température et sont fixées leurs connexions, recouverts d'une couche protectrice d'un matériau non corrosif et chimiquement inerte, un multiplexeur implanté à l'une des extrémités de la tige et relié aux capteurs, et une connectique de sortie permettant le transfert des mesures vers une unité informatique de traitement du signal. Selon une caractéristique supplémentaire, la tige comporte plus de 5 capteurs de température par centimètre de longueur, et qui sont de préférence montés en série et constitués de thermistances, par exemple en nickel. La tige peut présenter une section circulaire ou polygonale régulière. Dans une réalisation particulière, les capteurs sont géométriquement répartis sur la surface de la tige et séparés d'une distance inférieure à 0,5 mm. Dans une variante de réalisation de l'invention, la tige est rigide et comprend un noyau central, enrobé par une enveloppe en matériau dur et de faible conductivité thermique. En particulier, la tige présente une longueur d'environ 7 cm et un diamètre inférieur à 0,5 mm dans le cas de l'utilisation d'une fibre de type KEVLAR combinée à une résine de type époxide comme noyau central, enrobé par une enveloppe de verre ou de saphir. De préférence, la sonde présente une couche mince protectrice, extérieure constituée en un matériau chimiquement inerte et non corrosif, par exemple du nitrure de silicium. Enfin, dans une variante, la tige est constituée par un polymère, au moins partiellement souple, et présentant des jauges de contraintes pour la correction des effets thermiques engendrés par les flexions du matériau constitutif. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une telle sonde, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes: - une étape de fabrication d'une tige en matériau composite destinée à supporter des capteurs de température, - une étape de fabricationifixation de capteurs de température et de leurs connexions, sur tout ou partie de la tige, - une étape de protection des capteurs, de leurs connexions et de la tige par dépôt en couche mince d'un matériau chimiquement inerte et non corrosif. Dans une variante préférée de réalisation, L'étape de fabricationifixation des capteurs et de leurs connexions comporte les opérations suivantes successives: - une opération d'évaporation sous vide d'une couche de métal sur tout ou partie de la surface exteme de la tige, - une opération de découpe de thermistances, au moyen d'un laser, dans le métal déposé sur tout ou partie de la tige, - une opération de découpe des capteurs et de leurs connexions de l'enveloppe métallique, par exemple par photogravure, - une opération de micro-usinage des capteurs et de leurs connexions, par exemple mettant en oeuvre un faisceau laser focalisé. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation, à titre exempiatif et non limitatif, en référence aux figures du dessin parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une sonde selon l'invention, - la figure 2 représente une coupe schématique de la tige, - la figure 3 représente schématiquement le dispositif de mesure de gradients de température, applicable par exemple en thermophysiologie, et la figure 4 montre un exemple de courbe représentant la mesure de gradients de température en trois dimensions. La figure 1 montre, dans la référence générale 1, une sonde tactile pour la mesure thermique dans les tissus vivants, constituée principalement d'une tige 2 présentant une extrémité effilée 21 permettant une pénétration non traumatisante, et une extrémité fonctionnelle 22 pour la manipulation et la connectique électronique décrite plus bas. En coupe, la figure 2 montre les diverses parties coaxiales constitutives de la tige, ici rigide et cylindrique. Successivement, à partir du centre, I'âme ou noyau central 23 est constituée d'un matériau composite, par exemple par une ou plusieurs fibres longitudinales de type KEVLAR, noyées de façon connue dans un liant, par exemple une résine époxide, assurant la rigidité et la tenue mécanique. Le noyau central est enrobé par une enveloppe de verre 24, ou de saphir, assurant une surface extérieure dure et parfaitement lisse nécessaire à l'utilisation et à la réalisation des couches périphériques. Cette enveloppe présente de surcroît une conductivité thermique faible. Elle reçoit un dépôt métallique en couche mince constitutif des capteurs 3, par exemple des thermistances. Puis, une couche protectrice chimiquement inerte 25 et non corrosive, par exemple en nitrure de silicium est enfin superposée. Une telle tige présente une longueur d'environ 8 cm pour un diamètre de l'ordre de 0,5 mm, et un poids de l'ordre de 50 grammes. Le procédé de fabrication décrit plus loin montre comment sont déposés sur cette tige 2 les capteurs de température 3 constitués par des thermistances, ici en nickel, et reliés en sérine par des connexions 31 jusqu'à l'extrémité 22 de la tige. On dénombre ainsi de l'ordre de 5 capteurs par cm de tige. Le métal est choisi pour ses propriétés mécaniques (adhésion au support) et électriques (variation importante de la conductivité avec la température). La conductivité thermique globale obtenue sur un support de verre étant de 0,55WPC x m, on obtient ainsi une conductivité thermique de 2;21 mWrC entre deux capteurs voisins pour une sonde dont le diamètre est de 0,5 mm, pour une distance entre deux capteurs voisins de 0,5 mm. Ainsi la température d'un capteur ne perturbe pas la température d'un capteur voisin. La fabrication d'une telle sonde comprend tout d'abord la réalisation de la tige, en matériau composite, par tout procédé connu. On fabrique et on fixe ensuite, sur tout ou partie de la tige les capteurs et leurs connexions. De préférence, ces opérations sont réalisées, sous vide, par évaporation d'une couche de métal sur la surface externe du support constituée par l'enveloppe de verre. La nature du métal ainsi que la découpe conditionnent les caractéristiques électriques de la sonde. Un métal répondant à ces exigences électriques et mécaniques adéquates est le nickel par exemple. On réalise ensuite, par découpe laser, un ensemble de thermistances. Ce procédé permet de découper un nombre quelconque de thermistances, la densité maximale de celles-ci étant seulement limitée par la technologie utilisée. Les capteurs individuels et leurs connexions sont ensuite découpés dans l'enveloppe de métal au cours d'une étape de micro-usinage utilisant un faisceau laser focalisé. Deux systèmes de micro-usinage de type connu peuvent être envisagés: - système à découpe directe par faisceau laser de forte puissance à impulsions. Ce faisceau est déplacé relativement à la sonde par une commande de position pilotée par système automatisé. - système à étape intermédiaire de photogravure. L'ensemble des capteurs est ensuite protégé par le dépôt d'une couche mince d'un matériau de très bonne inertie chimique et non corrosif tel que le nitrure de silicium pour obtenir la passivation de la surface. Ainsi, la sonde est non corrosive, biologiquement inerte, c'est à dire peu sensible aux caractéristiques chimiques du milieu biologique, et donc bien tolérée par les sujets. Ce procédé de fabrication peut s'appliquer à toute forme de sonde, polygonale ou non, en particulier de forme cylindrique. En référence à la figure 3, L'ensemble des capteurs est alimenté par une source 4 à courant constant de très faible intensité. Afin de limiter la dérive thermique des capteurs, L'ensemble de ceuxci est alimenté en sérine à courant constant. On obtient ainsi un réseau de capteurs dont la variation de la résistance électrique constitue une image des gradients de température. L'intérêt fonctionnel implique une densité de capteurs voisine de 2 par millimètre. C'est la variation de tension aux bomes de chaque capteur qui constitue l'image du gradient de température des tissus environnants. Afin de pouvoir lire L'ensemble des capteurs, un commutateur analogique 5 remplit le rôle d'un multiplexeur. Il est réalisé selon des techniques bien connues des circuits intégrés utilisant des transistors à effet de champ. Le multiplexeur est implanté dans l'extrémité 22 de la sonde. Cette scrutation s'effectue en connectant successivement chacun des capteurs sur un système d'acquisition exteme à la sonde à raide d'un commutateur électronique analogique. La connexion avec l'ensemble des capteurs est assurée par une connectique utilisant des fils d'or par soudage sous ultra-sons. Ainsi l'ensemble des capteurs peut être interrogé à intervalle de temps régulier. Le temps global nécessaire à cette scrutation peut être extrêmement faible de l'ordre de quelques millisecondes. Pour cette application, la scrutation de l'ensemble des capteurs est de l'ordre de la seconde. La sortie multifilaire est réalisée sous gaine résistante (type Téflon) puis reliée à une électronique amplificatrice permettant d'envoyer les signaux recueillis jusqu'à l'unité informatique 6. L'information est représentée sur le terminal d'ordinateur 7 en trois dimensions selon un axe de référence repéré sur la sonde. La figure 4 montre à cet effet une image simplifiée en trois dimensions, représentant la nappe "déroulée" des valeurs de températures mesurées selon deux axes radiaux perpendiculaires OY et OZ, le long de l'axe longitudinal OX représentatif des distances séparant les capteurs. Cette image présente donc deux pointes effilées correspondant aux extrémités de la tige où les capteurs sont moins nombreux. Afin de ne pas contaminer les différents milieux examinés, la sonde doit être stérilisée par utilisation d'un rayonnement ultra violet ou d'un agent chimique tel que: alcool, éther..., ou encore par chauffage. Dans ce demier cas, la température est limitée à 200 "C du fait de l'utilisation du liant époxide réalisant le couplage mécanique entre la sonde et les fibres de renfort. La sonde multicapteurs selon l'invention présente les caractéristiques électriques suivantes. La plage de mesure est limitée par la tenue mécanique de rensemble composite ainsi que la tête électronique de multiplexage. Cette plage de mesure s'étend de - 200 à + 200 "C pour la partie concemant le dépôt des thermistances. Par contre elle est limitée de - 50 à + 50 "C pour l'extrémité de la sonde induant le multiplexeur analogique, cette plage minimale correspondant à rapplication visée. La précision absolue est l'écart existant entre la température effective du capteur et la température estimée par le système de mesure à ce même point est meilleure que 0,1 "C. La résolution relative, plus faible est meilleure que 0,01 "C, variation de température qui peut être décelée entre deux plus proches voisins. L'invention présente de nombreuses applications dans le domaine de la physiologie: mesure des gradients de température dans les tissus vivants, mesure des gradients de température dans la jonction vêtementlpeau..., équipements des mannequins thermiques dans le cadre de l'étude des transferts de chaleur, mesure thermique des tumeurs chaudes (cancer de la thyroïde), mesure de la descente du gradient de température en cryobiologie, et appréciation du délai post mortem. II existe aussi des applications dans le domaine de l'agro alimentaire comme la surveillance des procédés de fabrication dans les conserveries, le dépistage de la fermentation alimentaire, ou la surveillance de la descente en congélation des denrées. Dans le domaine de la physique des matériaux, on peut utiliser la sonde selon l'invention pour mesurer le gradient de température à travers des interfaces solides (bâtiments, métaux, bitumes) mais aussi liquides (stockage, conduites). REVENDICATIONS 1 - Sonde multicapteurs de mesure de gradients de température, notamment dans des matériels biologiques, caractérisée en ce qu'elle comprend une tige (2) en matériau composite sur laquelle sont déposés des capteurs de température (3) et sont fixées leurs connexions (31), recouverts d'une couche protectrice d'un matériau non corrosif et chimiquement inerte, un multiplexeur (5) implanté à une des extrémités de la tige et relié aux capteurs, et une connectique de sortie (6) permettant le transfert des mesures vers une unité informatique (7) de traitement du signal. 2 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que b tige comporte plus de 5 capteurs de température par centimètre de longueur. 3 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les capteurs sont constitués par des thermistances montées en série. 4 - Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que les thermistances sont constituées par du nickel. 5 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tige présente une section circulaire ou polygonale régulière. 6 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les capteurs sont géométriquement répartis sur la surface de la tige et sont séparés d'une distance inférieure à 0,5 mm. 7 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tige est rigide et comprend un noyau central constitué d'une fibre de type KEVLAR combinée à une résine de type époxide, enrobé par une enveloppe en matériau dur et de faible conductivité thermique constituée de verre ou de saphir, et présente une longueur d'environ 70 mm et un diamètre inférieur à 0,5 mm. 8 - Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente une couche mince protectrice, extérieure constituée en un matériau chimiquement inerte et non corrosif, par exemple du nitrure de silicium. 9 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tige est constituée par un polymère, au moins partiellement souple, et présente des jauges de contraintes pour la correction des effets thermiques engendrés par les flexions du matériau constitutif. 10 - Procédé de fabrication d'une sonde selon l'une des revendications précédentes caractérise en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes: - une étape de fabrication d'une tige en matériau composite destinée à supporter des capteurs de température montés en série, - une étape de fabricationfixation sur tout ou partie de la tige de capteurs de température et de leurs connexions, - une étape de protection des capteurs, de leurs connexions et de la tige par dépôt en couche mince d'un matériau chimiquement inerte et non corrosif. 11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que rétape de fabricationilixation des capteurs et de leurs connexions comporte les opérations successives suivantes: - une opération d'évaporation sous-vide d'une couche de métal sur tout ou partie de la surface exteme de la tige, - une opération de découpe de thermistances, au moyen d'un laser, dans le métal déposé sur tout ou partie de la tige, - une opération d'extraction des capteurs et de leurs connexions de l'enveloppe métallique, - une opération de micro-usinage des capteurs et de leurs connexions. 12 - Dispositif de mesure de gradient de température utilisant une sonde multicapteurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison une sonde de mesure de gradient de température (1) portant des capteurs (3) placés en série et leurs connexions, relies à un commutateur analogique (5) jouant le rôle d'un multiplexeur, une source de courant (4) constant de faible intensité alimentant les capteurs, une connectique exteme assurant la connexion avec l'ensemble des capteurs au moyen de fils d'or, et un module électronique (6) amplificateur permettant d'envoyer des signaux jusqu'à une unité informatique (7) de traitement du signal.