Brevet FR2830740A1 — publié le 20030418

B. 0530 1 APPAREIL DE MESURE DE LA COMPOSITION CORPORELLE La présente invention concerne un appareil de mesure de la composition corporelle comportant un circuit électrique de mesure associé à une unité de calcul de l'impédance bioélectrique d'une personne. La mesure de la composition corporelle donne des indications sur l'état de santé d'une personne. Plus particulièrement, la connaissance de la quantité de masse grasse de l'organisme et de son évolution dans le temps constitue une aide efficace lors d'un régime. Parmi les méthodes de mesure de la masse grasse, on relève la mesure de l'impédance du corps humain corrélée avec la quantité d'eau dans le corps : le corps humain est composé de masse maigre, constituée par les muscles, les os, les organes, les tissus, de masse grasse. L'eau constitue environ 70% de la masse maigre, alors que la masse grasse n'en contient presque pas. Par conséquent, en mesurant l'impédance électrique du corps humain et le poids total d'une personne, on peut calculer, moyennant quelques paramètres d'ajustement, la masse grasse et la masse maigre de la personne. La mesure de l'impédance bioélectrique est basée sur la conductibilité des tissus lors du passage d'un courant alternatif bref de haute fréquence et faible intensité. Le Dr. Boulier-Université Paris V-Paris-France est à l'origine d'un concept utilisant la seule mesure d'un segment corporel (tronc ou membres inférieurs) parcouru par un signal électrique de fréquence très élevée (supérieur à 100kHz) pour établir la composition corporelle globale permettant ainsi l'utilisation d'un pèse-personne comme support de mesure. Il a établi la première validation scientifique de ce concept en 1994 (Thèse de Doctorat de Biologie HumaineUniversité René Descartes-Paris V-1994 p85-86). Un tel appareil de mesure est décrit dans le document FR-A-2698779 où la valeur de l'impédance du corps est obtenue en utilisant l'association d'un plateau de pèse-personne et d'une plaque munie de quatre électrodes, dont deux sont associées à un circuit comportant un générateur de courant et les deux autres sont reliées à un appareil de mesure. Ainsi, on calcule la valeur de l'impédance de la partie du corps mesurée en fonction de la tension mesurée, en connaissant le courant constant appliqué, et ensuite on calcule la masse maigre ou la masse grasse en appliquant des facteurs d'ajustement en fonction entre autres de la taille, de l'âge et en intégrant le poids de la personne. Cet appareil est d'une utilisation simple, mais les mesures ne sont pas complètement fiables, celles-ci pouvant être faussées par exemple dans le cas des personnes présentant des oedèmes ou des problèmes de rétention d'eau. En étudiant le comportement électrique du corps humain, on constate qu'il peut être assimilé a une suspension de cellules dans une solution électrolytique conductrice et homogène. Les milieux conducteurs intracellulaire et extracellulaire sont séparés par une membrane lipoprotéique constituant la membrane cellulaire. Le modèle de Fricke assimile le comportement électrique du corps humain à un circuit électrique composé d'une capacité C représentant la membrane cellulaire reliée en série avec une résistance intracellulaire R, représentant la résistance électrique du milieu intracellulaire, les deux étant reliées en parallèle avec la résistance extracellulaire Re. Afin d'associer d'une manière fiable les mesures d'impédance effectuées à la présence et la localisation de l'eau dans l'organisme, notamment dans le milieu intracellulaire et dans le milieu extracellulaire, il faut connaître leurs résistances respectives R, et Re. Une solution a été proposée dans le document FR-A-2775581 au nom de la demanderesse. Ce document décrit un appareil de mesure de la composition corporelle utilisant une source de courant qui applique un signal de courant de forme carrée et de durée réglable entre les électrodes d'excitation de l'appareil. Des mesures de tension sont effectuées ensuite, à des instants précis prédéterminés, entre les électrodes de mesure. Avec les mesures relevées on détermine l'impédance globale de la partie du corps mesurée et la résistance extracellulaire et on en déduit la résistance intracellulaire. Fonctionnant à satisfaction, cet appareil s'avère d'une réalisation délicate, tout en faisant appel à des composants complexes et coûteux. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités et de proposer un appareil de mesure de la composition corporelle apte à effectuer des mesures précises, qui soit facile à mettre en oeuvre, tout en étant fiable en fonctionnement. Un autre but de l'invention est un appareil de mesure de la composition corporelle qui soit d'une construction simplifiée, qui puisse être fabriqué en grande série pour un moindre coût. Ces buts sont atteints avec un appareil de mesure de la composition corporelle d'un individu comportant un premier module électronique destiné à mesurer une impédance bioélectrique et au moins une source d'énergie électrique destinée à générer un signal électrique variable qui traverse le corps ou une partie du corps de l'individu lorsque ce dernier est relié à l'appareil de mesure, du fait que ledit signal électrique est un signal en tension de forme rectangulaire. Ainsi, le fait d'utiliser, d'une part, un signal de forme rectangulaire et, d'autre part, en tension permet d'éviter une mesure complexe et moins précise de déphasage, comme dans le cas des appareils de mesure de l'impédance bioélectrique de l'état de la technique qui utilisent un signal sinusoïdal et un traitement multifréquence et, simultanément, permet de s'affranchir de l'effet capacitif des tissus du corps et de mesurer les valeurs des résistances intracellulaire et extracellulaire de manière plus simple, sans faire appel à des mesures à des instants extrêmement précis et sans utiliser des signaux ayant un rapport cyclique parfaitement équilibré, comme dans le cas du brevet susmentionné au nom de la demanderesse. Avec un signal en tension on arrive donc à mesurer les résistances intracellulaire et extracellulaire de manière simplifiée, à partir d'un signal unique et invariant au cours d'une même mesure. Par ailleurs, le signal électrique qui traverse le corps de l'individu est produit par un générateur de tension, générateur qui peut fournir un signal stable, de bonne qualité pour un moindre coût. Avantageusement, l'appareil de l'invention comprend des moyens permettant d'effectuer des mesures de tension à au moins deux instants prédéterminés de la durée dudit signal afin de déterminer directement la résistance équivalente Req du corps ou de la partie mesurée du corps de l'individu à ces deux instants et d'en déduire sa résistance extracellulaire Re et sa résistance intracellulaire Ri. Ainsi, avec seulement deux mesures on peut déduire de la résistance équivalente Req à ces deux instants, en effectuant les calculs nécessaires, les valeurs des résistances intracellulaire et extracellulaire, valeurs qui sont essentielles dans le calcul de la composition corporelle de l'individu, notamment dans la détermination de la répartition de l'eau dans les tissus. De préférence, l'appareil de l'invention comprend des moyens permettant d'effectuer une première mesure de tension, à la fin d'un palier dudit signal de forme rectangulaire, pour déterminer la résistance équivalente Req, égale à la résistance extracellulaire Re, ainsi qu'une deuxième mesure de tension, à la fin d'un front montant dudit signal pour déterminer la résistance équivalente Req égale à Re en parallèle avec R,, et déterminer, sur la base de la première mesure, la résistance intracellulaire Ri du corps ou de la partie mesurée du corps de l'individu. Un palier dudit signal peut être considéré en théorie comme un signal continu et en pratique à très basse fréquence (inférieure à 10 kHz) alors qu'un front de transition, montant ou descendant, dudit signal peut être considéré en théorie comme un signal de fréquence infinie et en pratique supérieure à 100 kHz. Ainsi, en effectuant une mesure en fin de palier dudit signal, la capacité membranaire C de la partie mesurée du corps de l'individu est considérée comme un circuit ouvert, alors qu'à la fin d'un front montant, la capacité membranaire C est comme un court-circuit, ce qui permet de déterminer les valeurs desdites résistances sans prendre en compte les valeurs de la capacité membranaire C. De préférence, ledit signal en tension présente une forme d'onde dont la période, l'amplitude et le rapport cyclique sont réglables. Le réglage de la période et du rapport cyclique dudit signal permet de mesurer au mieux la résistance extracellulaire du corps ou de la partie du corps mesurée en adaptant la durée d'un palier du signal à la fin duquel on effectue la mesure pour réaliser la charge complète de la capacité membranaire C afin de pouvoir la considérer comme un circuit ouvert. Utilement, le signal électrique est un signal basse tension d'amplitude comprise entre 3 et 6V. Le courant électrique délivré n'est pas supérieur à 800uA. Une telle tension protège l'individu lors de l'utilisation de l'appareil, tout en assurant un signal suffisamment important pour effectuer des mesures précises. De préférence, l'appareil de l'invention comporte un deuxième module électronique destiné à mesurer le poids de l'individu. Ainsi, le deuxième module peut mesurer le poids de l'individu qui est directement fourni à l'appareil, ce qui évite d'entrer manuellement la donnée du poids en vue du calcul de sa composition corporelle. Utilement, le premier module électronique et le deuxième module électronique sont reliés à une unité de calcul apte à déterminer la composition corporelle de l'individu. Cette unité de calcul peut avantageusement être un microprocesseur. Les données saisies lors des mesures effectuées avec les deux modules électroniques de l'appareil sont transmises à une unité de calcul, notamment un microprocesseur qui stocke en mémoire les équations de calcul et qui produit ensuite les informations sur la composition corporelle de l'individu. Avantageusement, l'invention comporte un moyen d'affichage des valeurs mesurées et des valeurs calculées. Ainsi, l'utilisateur de l'appareil peut être informé à tout moment et en temps réel des valeurs mesurées et/ou calculées par l'appareil. De préférence, l'appareil de l'invention comporte au moins deux électrodes d'excitation destinées à appliquer ledit signal électrique entre un premier point et Un deuxième point sur le corps de l'individu et au moins deux électrodes de mesure aux bornes desquelles est mesurée une tension. On peut en principe réaliser une mesure d'impédance bioélectrique en utilisant seulement deux électrodes appliquées sur le corps de l'individu et reliées au circuit de mesure. Cependant, l'utilisation de quatre électrodes, dont deux d'application du signal et deux de mesure, permet de passer outre la barrière cutanée au point de contact du corps de l'individu avec les électrodes et d'effectuer ainsi des mesures directement aux bornes du circuit électrique représentant la partie mesurée du corps de l'individu. Les caractéristiques de l'invention peuvent avantageusement être retrouvées dans un pèse-personne comportant un premier module électronique destiné à mesurer une impédance bioélectrique et au moins une source d'énergie électrique destinée à délivrer un signal électrique variable qui traverse le corps ou une partie du corps de t'individu lorsque ce dernier est relié à un appareil de \ mesure, du fait que leditsignal électrique est un signal en tension de forme 'ri rectangulaire. L'invention concerne également un, procédé de mesure de l'impédance bioélectrique du corps ou d'une partie du corps d'un individu, où l'on applique un signal rectangulaire en tension entre deux électrodes d'excitation reliées à l'individu, l'on mesure des tensions entre deux électrodes de mesure reliées également à l'individu à au moins deux instants prédéterminés de la durée dudit signal rectangulaire permettant de déterminer directement la résistance équivalente Req à ces deux instants du corps ou de la partie mesurée du corps de l'individu traversée par le signal électrique et d'en déduire sa résistance extracellulaire Re et sa résistance intracellulaire R, et l'on détermine la composition corporelle de l'individu en utilisant les valeurs mesurées et une unité de calcul. De préférence, selon le procédé de l'invention, on effectue une première mesure de tension, à la fin d'un palier dudit signal de forme rectangulaire, pour déterminer la résistance équivalente Req égale à la résistance extracellulaire Re, ainsi qu'une deuxième mesure de tension, à la fin d'un front montant dudit signal pour déterminer la résistance équivalente Req égale à Re en parallèle avec R, et déterminer, sur la base de la première mesure, la résistance intracellulaire Ri du corps ou de la partie mesurée du corps de l'individu. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description et des dessins qui suivent, illustrant, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de mise en oeuvre de l'invention. Ainsi, référence est faite aux figures 1 à 6, où : - la figure 1 représente un schéma de principe de mesure de l'impédance bioélectrique utilisant quatre électrodes ; - la figure 2 représente un schéma bloc d'un appareil de mesure de la composition corporelle selon l'invention ; - la figure 3 représente une vue de dessus de l'appareil de l'invention ; - la figure 4 représente le schéma électrique de mesure des paramètres de la composition corporelle en utilisant l'appareil de l'invention ; - la figure 5 représente la forme d'onde du signal électrique généré selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 représente la forme d'onde du signal électrique généré selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. L'appareil de mesure de la composition corporelle 2 d'un individu, humain ou animal, selon l'invention se présente, tel que représenté à la figure 3, sous forme d'un plateau 12 muni de quatre électrodes dont deux d'excitation ou d'application du signal 20,22 entre deux points du corps de l'individu, et deux autres électrodes de mesure 24,26. Les électrodes peuvent être agencées de manière à venir en contact avec les pieds de l'individu lorsqu'il se tient debout sur le plateau horizontal 12 en vue d'une prise de mesure. Les électrodes 20,22, 24,26 sont réalisées en acier inoxydable ou en tout autre matériau électriquement conducteur, alors que le plateau 12 est réalisé en une matière isolante, par exemple une matière plastique. On peut également disposer sur le plateau 12 un dispositif d'affichage 15 des valeurs mesurées et/ou calculées par l'appareil 2. Avantageusement, le plateau 12 est associé au plateau d'application de charge d'un pèse-personne, dans quel cas les informations lues par ce dernier sont transmises directement au circuit électronique de l'appareil. Tel que visible à la figure 2, le circuit électronique de l'appareil 2 de l'invention comporte un premier module électronique 6 destiné à mesurer l'impédance bioélectrique d'un individu. Ce module est constitué d'une source d'énergie électrique, notamment un générateur de tension 10, permettant d'envoyer un signal électrique 11 traversant le corps ou une partie du corps de l'individu lorsque ce dernier est relié aux électrodes de l'appareil, d'une unité de mesure 30 et d'une unité de traitement des signaux 9. L'unité de mesure 30 récupère le signal électrique 11 après son passage dans le corps de l'individu entre les électrodes de mesure 24,26. L'appareil de l'invention comporte un deuxième module électronique 7 destiné à mesurer le poids de l'individu. Le premier module électronique 6 et le deuxième module électronique 7 sont reliés à une unité de calcul 14, notamment un microprocesseur ou un microcontrôleur adaptés au traitement à effectuer. L'unité de calcul 14 est reliée à un dispositif d'affichage 15 des valeurs mesurées et/ou des valeurs calculées par l'appareil 2. La figure 4 illustre le schéma électrique de l'unité de traitement des signaux 9 selon l'invention du premier module électronique 6 de l'appareil 2. Sur le schéma on retrouve le signal électrique 11 appliqué à l'électrode d'excitation 20. Par la référence 4 on a désigné le modèle électrique du corps ou de la partie mesurée du corps de l'individu, notamment du corps humain, selon le modèle de Fricke, où RI et Re sont les résistances intracellulaire et extracellulaire et C représente la capacité membranaire du corps humain ou de la partie mesurée du corps humain. Les références 24 et 26 désignent les électrodes de mesure et R2 et C2 sont les résistances et capacités de contact cutanées de la partie du corps reliée aux électrodes, notamment des pieds. Par Ro on a représenté une résistance de connexion. Avec le schéma de la figure 4 on se propose de mesurer les tensions Vb et Vc sur chacune des électrodes de mesure 24,26 de l'appareil, ainsi que les tensions Vd et Vr aux bornes d'une résistance de référence Rr calibrée, ayant une bonne précision. Ainsi, en mesurant les tensions Vd et Vr on obtient la différence de potentiel : d'où l'on peut déduire l'intensité du courant électrique du circuit représenté : De la même manière, en mesurant les tensions Vb et Vc on obtient la différence de potentiel : En remplaçant dans cette formule i calculé précédemment, on obtient : où, dans cette relation Req représente la résistance équivalente des membres inférieurs du corps de l'individu aux instants de mesure des tensions Vb, Vc, Vd et Vr. Le signal utilisé présente une tension de forme d'onde rectangulaire ou carrée dont la durée, l'amplitude et le rapport cyclique sont réglables. La figure 5 montre le signal électrique 11 utilisé dans la mesure de la composition corporelle selon un premier mode de réalisation de l'invention. La particularité du signal électrique généré 11 est de présenter au point 31, à front montant, un signal de fréquence infinie et au point 32, en fin de palier, un signal très basse fréquence. On connaît par ailleurs que la capacité membranaire C du circuit représenté se comporte comme un court-circuit en haute fréquence, alors qu'en basse fréquence elle se comporte comme un circuit ouvert. Ainsi, on effectue des mesures des quatre tensions Vb, Vc, Vd et Vr aux instants 31 et 32, ce qui permet de déduire : - au point 31 : 1/Req = 1/Re + 1/Rj, avec C en court-circuit, Re et R, en parallèle, d'où Req = (Re + Ri) 1 (Re * Ri) (2) - au point 32 : Req = Re, avec C en circuit ouvert. Par conséquent, une mesure des tensions Vb, Vc, Vd et Vr au point 32 permet de déduire avec la relation (1) la valeur de Re : Une deuxième mesure des tensions Vb, Vc, Vd et Vr au point 31 permet de déduire par la suite avec la relation (2) la valeur de Rj : où Req se calcule avec la relation (1) en introduisant les valeurs mesurées des tensions au point 31 et la valeur de Re a été déterminée au point 32 avec la relation (3). En conclusion, avec le même signal on peut déterminer Req, ainsi que la résistance intracellulaire R, et la résistance extracellulaire Re. Les valeurs R, et Re sont essentielles pour le calcul de la masse grasse et de la masse maigre. Les calculs sont effectués par l'unité de calcul 14 sur la base des formules mathématiques stockées dans sa mémoire. Ces formules intègrent d'autres paramètres tels : le poids, la taille, l'âge, etc. Ainsi, une mesure précise de la résistance totale représentée par R, en parallèle avec Re permet de déterminer la quantité de masse grasse et de masse maigre, et les mesures précises de R, et Re permettent d'observer la répartition de l'eau et de détecter, par exemple la présence d'un oedème, ou des problèmes de rétention d'eau, ou encore ces mesures permettent de déterminer la quantité de masse grasse et de masse maigre chez les enfants qui présentent une variation brusque dans le temps de la quantité d'eau contenue dans les tissus musculaires. La figure 6 présente un deuxième mode de réalisation de l'invention comportant un signal électrique de tension 11 ayant une forme d'onde rectangulaire ou carrée où le signal 11 est annulé au milieu de chaque alternance. Ainsi, les résistances Ri et Re sont calculées en effectuant des mesures des tensions aux points 31,32 comme précédemment décrit. Ce mode de réalisation permet d'éviter la charge progressive des capacités représentant les parois membranaires. Le premier module électronique 6, l'unité de traitement de signal, l'unité de mesure 30 ensemble avec l'unité de calcul 14 et le dispositif d'affichage 15 peuvent constituer un appareil indépendant de mesure de la composition corporelle ou ils peuvent être intégrés à d'autres appareils par exemple à un pèse-personne, ou à un appareil de massage, de fitness, etc. D'autres variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagées sans sortir du cadre de ses revendications. B. 0530R1ir REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure de la composition corporelle d'un individu comportant un premier module électronique (6) destiné à mesurer une impédance bioélectrique et au moins une source d'énergie électrique destinée à générer un signal électrique variable qui traverse le corps ou une partie du corps de l'individu lorsque ce dernier est relié à l'appareil de mesure (2), caractérisé en ce que ladite source d'énergie est un générateur de tension (10) destiné à fournir un signal en tension (11) de forme rectangulaire. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant d'effectuer des mesures de tension à au moins deux instants prédéterminés de la durée dudit signal (11) afin de déterminer directement la résistance équivalente Req du corps ou de la partie mesurée du corps de l'individu à ces deux instants et d'en déduire sa résistance extracellulaire Re et sa résistance intracellulaire R, . 3. Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant d'effectuer une première mesure de tension, à la fin d'un palier (32) dudit signal (11) de forme rectangulaire, pour déterminer la résistance équivalente Req égale à la résistance extracellulaire Re, ainsi qu'une deuxième mesure de tension, à la fin d'un front montant (31) dudit signal (11) pour déterminer la résistance équivalente Req égale à Re en parallèle avec Ri et déterminer, sur la base de la première mesure, la résistance intracellulaire Ri du corps ou de la partie mesurée du corps de l'individu. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit générateur de tension (10) est destiné à fournir un signal en tension (11) qui présente une forme d'onde dont la période, l'amplitude et le rapport cyclique sont réglables. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit générateur de tension (10) est destiné à fournir un signal en tension (11) qui est un signal basse tension d'amplitude comprise entre 3 et 6V. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième module électronique (7) destiné à mesurer le poids de l'individu. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier module électronique (6) et le deuxième module électronique (7) sont reliés à une unité de calcul (14) apte à déterminer la composition corporelle de l'individu. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'unité de calcul (14) est un microprocesseur. 9. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'affichage (15) des valeurs mesurées et des valeurs calculées. 10. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux électrodes d'excitation (20,22) destinées à appliquer ledit signal électrique (11) entre un premier point et un deuxième point sur le corps de l'individu et au moins deux électrodes de mesure (24,26) aux bornes desquelles est mesurée une tension. 11. Pèse-personne comportant un premier module électronique (6) destiné à mesurer une impédance bioélectrique et au moins une source d'énergie électrique destinée à délivrer un signal électrique variable qui traverse le corps ou une partie du corps de l'individu lorsque ce dernier est relié à un appareil de mesure (2), caractérisé en ce que ladite source d'énergie est un générateur de tension (10) destiné à fournir un signal en tension (11) de forme rectangulaire. 12. Procédé de mesure de l'impédance bioélectrique du corps ou d'une partie du corps d'un individu, caractérisé en ce que l'on applique un signal rectangulaire en tension (11) entre deux électrodes d'excitation (20,22) reliées à l'individu, que l'on mesure des tensions entre deux électrodes de mesure (24,26) reliées également à l'individu à au moins deux instants prédéterminés de la durée dudit signal rectangulaire (11) permettant de déterminer directement la résistance équivalente Req à ces deux instants du corps ou de la partie mesurée du corps de l'individu traversée par le signal électrique et d'en déduire sa résistance extracellulaire Re et sa résistance intracellulaire Ri et que l'on détermine la composition corporelle de l'individu en utilisant les valeurs mesurées et une unité de calcul (14). 13. Procédé de mesure selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'on effectue une première mesure de tension, à la fin d'un palier (32) dudit signal (11) de forme rectangulaire, pour déterminer la résistance équivalente Req égale à la résistance extracellulaire Re, ainsi qu'une deuxième mesure de tension, à la fin d'un front montant (31) dudit signal (11) pour déterminer la résistance équivalente Req égale à Re en parallèle avec Ri et déterminer, sur la base de la première mesure, la résistance intracellulaire R, du corps ou de la partie mesurée du corps de l'individu traversée par le signal électrique.