Brevet FR2990753A1 — publié le 20131122

B11484 1 DISPOSITIF DE MESURE DE VIBRATIONS Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de mesure des vibrations d'un objet. Elle vise plus particulièrement une sonde pour mesurer les vibrations d'un osselet de l'oreille moyenne d'un patient pendant une opération chirurgicale de l'appareil auditif. Exposé de l'art antérieur Il a déjà été décrit, dans l'article "Study of a 3D MEMS-based tactile vibration sensor for the use in middle ear surgery" (Yoann Arthaud et al., DTIP Symposium 2010 P.266-271), une sonde manuelle destinée à être placée en contact avec un osselet de l'appareil auditif d'un patient par l'intermédiaire d'un trou réalisé dans le crâne du patient. Cette sonde peut être utilisée pour mesurer l'amplitude et la fréquence des vibrations de l'osselet lorsque l'appareil auditif reçoit une onde acoustique de test pendant une opération chirurgicale. Ceci permet au chirurgien d'avoir un retour sur son travail, même lorsque le patient est sous anesthésie générale et qu'il ne peut donc pas renseigner lui-même le chirurgien sur le gain (ou la perte) d'audition apporté par l'intervention. La figure 1 représente schématiquement l'oreille moyenne d'un patient, et un exemple d'une sonde 11 du type B11484 2 décrit dans l'article susmentionné, positionnée en appui contre un osselet du patient. L'oreille moyenne est la partie de l'appareil auditif située entre l'oreille externe (pavillon et conduit auditif) et 5 l'oreille interne. Elle comprend une membrane 1 ou tympan, susceptible d'entrer en vibration sous l'effet d'une onde acoustique, ainsi qu'une chaîne de trois osselets, respectivement le marteau 3, l'enclume 5 et l'étrier 7, adaptée à transmettre les vibrations du tympan jusqu'à la fenêtre ovale 9 10 qui est le point de jonction entre le dernier osselet de la chaîne (l'étrier) et l'oreille interne (non représentée). L'oreille interne convertit les vibrations mécaniques en influx nerveux. La sonde 11 comprend un corps macroscopique 13 en 15 forme de cylindre de quelques millimètres de diamètre et quelques centimètres de longueur. Les dimensions du corps 13 sont telles que la sonde est manipulable manuellement, et qu'une extrémité de la sonde peut être placée en contact avec un osselet du patient par l'intermédiaire d'un trou de quelques 20 millimètres de diamètre réalisé dans le crâne du patient. La sonde 11 peut être maintenue en appui contre l'osselet par le chirurgien, ou par un assistant. La figure 2 est une vue schématique agrandie de l'extrémité sensible de la sonde 11, c'est-à-dire son extrémité 25 destinée à venir en contact avec l'osselet. A cette extrémité, le corps cylindrique 13 supporte un capteur de vibrations 15, ou capteur de force dynamique, comportant une membrane élastique sur laquelle sont placées des jauges de contrainte (non représentées) adaptées à générer des signaux électriques représen- 30 tatifs des déformations de la membrane. La sonde comprend en outre une tige 17 de transmission des vibrations dont une extrémité est fixée à la membrane du capteur 15. La tige 17 est disposée sensiblement orthogonalement au plan moyen de la membrane au repos, et sensiblement au centre de la membrane. 35 L'extrémité libre de la tige 17 est destinée à être placée en B11484 3 appui contre l'osselet dont on souhaite mesurer les vibrations. La tige 17 et le capteur 15 sont agencés de sorte que, lorsque l'osselet vibre, la tige 17 transmet les vibrations de l'osselet au capteur 15. Sous l'effet des vibrations, la membrane élastique du capteur 15 se déforme et les déformations de la membrane sont converties en signaux électriques par les jauges de contrainte placées sur la membrane. La sonde 11 est reliée à une unité de traitement 19 adaptée à recevoir les signaux électriques générés par les jauges de contrainte placées sur la membrane, et à convertir ces signaux en un signal représentatif des vibrations de l'osselet, exploitable par l'utilisateur. Dans l'exemple représenté, la sonde 11 est positionnée par rapport à l'osselet de façon que les vibrations de l'osselet soient selon des directions sensiblement orthogonales à l'axe de la tige 17 au repos, c'est-à-dire que la force F exercée sur la tige par l'osselet du fait des mouvements de vibration de l'osselet soit sensiblement orthogonale à l'axe de la tige 17 au repos. La sonde 11 peut toutefois également fonctionner lorsque la force F a une composante parallèle à l'axe de la tige au repos, c'est-à- dire qu'elle peut aussi mesurer des vibrations de l'osselet selon des directions parallèles à l'axe de la tige 17. Un inconvénient de la sonde 11 est que, dans la pratique, le signal qu'elle fournit est représentatif non seulement des vibrations de l'osselet sous l'effet de l'onde acoustique de test reçue par l'appareil auditif du patient, mais également des tremblements de la main de l'opérateur de la sonde. La mesure est donc polluée par des bruits parasites liés aux tremblements de la main de l'opérateur, ce qui la rend difficilement exploitable. Un autre inconvénient est que l'amplitude des tremble- ments de la main de l'opérateur peut être très supérieure à l'amplitude des vibrations de l'osselet sous l'effet d'une onde acoustique. Les efforts mécaniques liés aux tremblements de la main de l'opérateur étant reportés sur la membrane par la tige B11484 4 17, il existe un risque d'endommagement de la membrane du fait de ces tremblements. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la 5 présente invention est de prévoir un dispositif pour mesurer les vibrations d'un objet, ce dispositif palliant au moins en partie certains des inconvénients des dispositifs connus. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une sonde manuelle pour mesurer les 10 vibrations d'un objet, dans laquelle la mesure fournie par la sonde n'est pas ou est peu impactée par les tremblements de la main de l'opérateur. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de réduire les risques d'endommagement du capteur 15 sous l'effet des tremblements de la main de l'opérateur. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif de mesure des vibrations d'un objet, comprenant : un capteur de vibrations ; et une tige de transmission des vibrations de l'objet au capteur, dont une extrémité 20 est fixée au capteur, dans lequel la tige est en un matériau ayant, aux températures d'utilisation du dispositif, un module de Young aux fréquences supérieures à 1000 Hz supérieur d'au moins un facteur 2 à son module de Young aux fréquences allant de 1 à 10 Hz. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la tige est conçue de façon que, aux températures d'utilisation du dispositif, sa raideur à des fréquences supérieures à 1000 Hz soit supérieure d'au moins un facteur 2 à sa raideur aux fréquences allant de 1 à 10 Hz. 30 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le capteur comprend une membrane élastique sur laquelle sont disposées des jauges de contrainte, la tige étant disposée selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan moyen de la membrane au repos. B11484 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif susmentionné est destiné à être utilisé à des températures allant de 15°C à 35°C. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 le matériau de la tige est un polymère thermodurcissable. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau de la tige est un polymère thermoplastique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau de la tige est une résine polyuréthane. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau de la tige est une résine polyuréthane commercialisée par la société WEVO sous la dénomination PU 948. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau de la tige est une résine époxy. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau de la tige est une résine époxy commercialisée par la marque ELANTAS sous la dénomination EC 51. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que 20 d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, représente schématiquement l'oreille moyenne d'un patient, et un exemple 25 d'une sonde de mesure de vibrations positionnée en appui sur un osselet du patient ; la figure 2, précédemment décrite, est une vue schématique agrandie de l'extrémité sensible de la sonde de la figure 1 ; 30 la figure 3 est une vue schématique agrandie de l'extrémité sensible d'un mode de réalisation d'une sonde de mesure des vibrations d'un objet ; et la figure 4 est un diagramme illustrant les caractéristiques d'élasticité de plusieurs matériaux en fonction 35 de la fréquence de vibration de ces matériaux. B11484 6 Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Comme indiqué ci-dessus, un inconvénient de la sonde 11 décrite en relation avec les figures 1 et 2 est qu'elle mesure non seulement les vibrations des osselets, mais également les tremblements de la main de l'opérateur. Ceci résulte du fait que la tige 17 transmet au capteur 15 non seulement des forces liées aux vibrations acoustiques de l'osselet, mais également la force avec laquelle l'opérateur applique la sonde contre l'osselet. Les tremblements de la main de l'opérateur entrainent une variation de la force d'appui de la sonde contre l'osselet. Cette variation est mesurée par le capteur 15, ce qui parasite la mesure dynamique effectuée par le capteur. En outre, la force exercée sur le capteur, liée aux tremblements de la main de l'opérateur, peut être relativement importante et endommager le capteur. Les études menées par les inventeurs ont montré que les tremblements de la main de l'opérateur de la sonde correspondent à des vibrations basse fréquence, typiquement inférieures à 100 Hz et le plus souvent inférieures à 10 Hz. Les vibrations acoustiques de l'osselet sont en revanche à des fréquences plus élevées, généralement supérieures à 1000 Hz. Dans un exemple de réalisation, les fréquences des ondes acoustiques utilisées pour tester de façon suffisamment complète l'appareil auditif du patient pendant une opération chirurgicale peuvent être comprises entre 1000 et 3000 Hz. Pour éliminer les bruits parasites liés aux trem- blements de la main de l'opérateur, on pourrait prévoir un filtrage électronique du signal généré par la sonde 11. On pourrait par exemple inclure un module de filtrage dans l'unité de traitement 19, ce module étant configuré pour filtrer les signaux à basse fréquence correspondant aux tremblements de la main de l'opérateur et ne conserver que les signaux haute B11484 7 fréquence correspondant aux vibrations acoustiques de l'osselet. Toutefois, l'amplitude des déformations de la membrane du capteur 15 sous l'effet des vibrations acoustiques de l'osselet est très faible par rapport à l'amplitude des déformations de la membrane sous l'effet des tremblements de la main de l'opérateur. A titre d'exemple, l'amplitude des déplacements d'un osselet sous l'effet d'une onde acoustique appliquée à un niveau sonore de l'ordre de 105 dB au niveau du tympan est comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de nanomètres. A titre de comparaison, l'amplitude des vibrations liées aux tremblements de la main de l'opérateur peut dépasser plusieurs centaines de micromètres. En d'autres termes, le rapport signal utile sur bruit de la sonde 11 est très faible. Le filtrage électronique des bruits parasites est par conséquent difficile à mettre en oeuvre et conduit inévitablement à distordre de façon significative le signal utile que l'on souhaite mesurer. Par ailleurs, la prévision d'un dispositif de filtrage électronique ne résout pas le problème des risques d'endommagement du capteur sous l'effet de l'effort mécanique lié aux tremblements de la main de l'opérateur. La figure 3 est une vue schématique agrandie de l'extrémité sensible d'un exemple d'un mode de réalisation d'une sonde 31 de mesure des vibrations d'un osselet. Dans cet exemple, la sonde 31 de la figure 3 diffère de la sonde 11 des figures 1 et 2 essentiellement par la nature du matériau dans lequel est réalisée la tige de transmission des vibrations de l'osselet au capteur. Par rapport à la sonde 11, la tige 17 de transmission des vibrations est remplacée par une tige 37 en un matériau dont la rigidité dépend de sa fréquence de vibration. Parmi les matériaux dont la rigidité dépend de la fréquence de vibration, on trouve par exemple des polymères thermoplastiques et des polymères thermodurcissables réticulés. On notera que la rigidité de ces matériaux dépend aussi de leur température, et que, à une température donnée, les variations de rigidité en fonction de la fréquence sont plus importantes dans B11484 8 certains domaines de fréquence que dans d'autres. On prévoit, pour réaliser la tige 37, de choisir un matériau présentant, à la température d'utilisation de la sonde, c'est-à-dire par exemple à une température comprise entre 15°C et 35°C, une augmentation significative de sa rigidité entre une plage de fréquences basses correspondant aux tremblements de la main de l'opérateur, par exemple la plage allant de 1 à 10 Hz, et la plage de fréquences hautes correspondant aux vibrations acoustiques de l'osselet, par exemple les fréquences supérieures à 1000 Hz. Dans un exemple de réalisation, la tige 37 est en un matériau présentant, à la température d'utilisation de la sonde, un module de Young aux fréquences supérieures à 1000 Hz supérieur d'au moins un facteur 2 et de préférence d'au moins un facteur 10 à son module de Young aux fréquences allant de 1 à 10 Hz. Un avantage de la sonde 31 est que, la tige 37 de transmission des vibrations étant plus souple à basse fréquence qu'à haute fréquence, elle atténue plus fortement les vibrations basse fréquence liées aux tremblements de la main de l'opérateur que les vibrations haute fréquence liées aux vibrations acoustiques de l'osselet. La tige 37 se comporte donc comme un filtre passe-haut mécanique. Il en résulte que le rapport signal utile sur bruit de la sonde 31 est plus élevé que celui de la sonde 11 décrite en relation avec les figures 1 et 2. Ceci permet de réduire les besoins en filtrage électronique et d'améliorer la qualité du signal extrait par la sonde. Ceci permet de plus de réduire les risques d'endommagement du capteur sous l'effet des tremblements de la main de l'opérateur de la sonde. On notera que la raideur de la tige 37 ne dépend pas uniquement du module de Young du matériau dont elle est constituée, mais dépend également de ses dimensions. La tige 37 est de préférence conçue de façon que, à la température d'utilisation de la sonde, sa raideur à des fréquences de vibration élevées, par exemple supérieures à 1000 Hz, soit B11484 9 supérieure d'au moins un facteur 2 et de préférence d'au moins un facteur 10 à sa raideur à des fréquences de vibration plus basses, par exemple comprises entre 1 et 10 Hz. La tige 37 et le capteur 15 sont de préférence conçus de façon que la raideur de l'ensemble tige + capteur soit inférieure à 10 N/m (compliance supérieure à 0,1 m/N) pour les fréquences inférieures à 10 Hz, ce qui permet que les tremblements de la main de l'opérateur n'endommagent pas le capteur ou les osselets, et inférieure à 1000 N/m (compliance supérieure à 0,001 m/N) pour les fréquences supérieures à 1000 Hz, ce qui permet que le capteur ne s'oppose pas aux vibrations des osselets au point d'en diminuer l'amplitude de vibration. La figure 4 est un diagramme représentant de façon schématique, à une température donnée (de l'ordre de 30°C dans cet exemple), pour cinq matériaux distincts, l'évolution du module de Young E du matériau en pascals (Pa) en fonction de sa fréquence de vibration F en hertz (Hz) sur une échelle log-log. Les matériaux testés dans l'exemple de la figure 3 sont une résine polyuréthane commercialisée par la société WEVO sous la dénomination PU 948, deux résines époxy commercialisées par la marque ELANTAS respectivement sous les dénominations EC 67 et EC 51, une résine phénol-formaldéhyde commercialisée par la marque POLYSCIENCES sous la dénomination PC 713, et un acrylate d'uréthane commercialisé par la marque DYMAX sous la dénomi- nation 628 VLV. Les courbes 31, 32, 33, 34 et 35 de la figure 4 représentent respectivement l'évolution du module de Young en fonction de la fréquence de vibration du matériau pour le PC 713, le EC 67, le 628 VLV, le PU 948 et le EC 51. On observe qu'il existe, pour chacun des matériaux étudiés, une plage de fréquences dans laquelle le module de Young du matériau augmente de façon significative en fonction de la fréquence de vibration. On observe de plus que, pour chacun des matériaux, il existe un seuil de fréquence haut au-dessus duquel l'augmentation du module de Young en fonction de la B11484 10 fréquence de vibration devient négligeable (palier de stabilisation). Pour le PC 713 (courbe 31), le EC 67 (courbe 32) et le 628 VLV (courbe 33), les plages de fréquence dans lesquelles le module de Young augmente de façon significative en fonction de la fréquence de vibration sont des plages de très basse fréquence, comprises entre environ 10-5 et 10-10 Hz. Au-dessus de 10-2 Hz, le module de Young de ces trois matériaux est relativement stable. En particulier, il n'existe pas d'augmen- tation significative du module de Young entre la plage de fréquence de 1 à 10 Hz (correspondant aux tremblements parasites de l'opérateur de la sonde) d'une part, et les fréquences supérieures à 1000 Hz (correspondant aux vibrations acoustiques d'un osselet) d'autre part. Le PC713, le EC 67 et le 628 -VIN ne conviennent donc pas pour obtenir l'effet recherché de filtrage mécanique des parasites liés aux tremblements de la main de l'opérateur de la sonde. Pour le PU 948 (courbe 34) et le EC 51 (courbe 35), on observe en revanche une augmentation significative du module de Young entre les fréquences de l'ordre de 1 à 10 Hz d'une part et les fréquences supérieures à 1000 Hz d'autre part. A titre d'illustration, le PU 948 et le EC 51 ont un module de Young similaire, d'approximativement 100 MPa, à 1 Hz, et ont respectivement des modules de Young d'approximativement 400 MPa et 800 MPa à 1000 Hz. Ces matériaux conviennent donc pour obtenir l'effet recherché de filtrage mécanique des vibrations parasites liées aux tremblements de l'opérateur de la sonde. D'autres matériaux que le PU 948 et le EC 51, et, plus généralement, d'autres matériaux que des polymères thermo- plastiques et des polymères thermodurcissables, peuvent convenir pour réaliser la tige 37. A titre d'exemple, pour sélectionner les matériaux permettant d'obtenir l'effet recherché de filtrage mécanique des vibrations parasites, on peut effectuer, aux températures d'utilisation de la sonde, une mesure de l'évo- lution du module de Young des matériaux candidats en fonction de B11484 11 leur fréquence de vibration, et choisir des matériaux dont le module de Young à des fréquences supérieures à 1000 Hz est supérieur d'au moins un facteur 2 et de préférence d'au moins un facteur 10 au module de Young à des fréquences allant de 1 à 10 Hz (à la manière de ce qui a été décrit en relation avec la figure 4). La mesure de l'évolution du module de Young en fonction de la fréquence peut être effectuée sur un échantillon du matériau à l'aide d'un visco-analyseur ou analyseur mécanique dynamique. Dans un exemple de réalisation, le capteur 15 comprend une membrane élastique en une résine commercialisée par la société MICROCHEM sous la dénomination SU8, et la tige de transmission des vibrations est réalisée en la résine époxy EC 51 susmentionnée. Dans cet exemple, la membrane élastique a une épaisseur de l'ordre de 23 gm et un diamètre de l'ordre de 440 pin, et la tige de transmission des vibrations a une forme approximativement cylindrique de 3 mm de longueur et de 220 gm de rayon. Pour la réalisation de la membrane, d'autres matériaux peuvent être utilisés, par exemple du silicium ou divers polymères. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'invention ne se limite pas au cas 25 particulier décrit ci-dessus où le capteur de vibrations auquel est fixé la tige de transmission est un capteur comprenant une membrane élastique et des jauges de contrainte placées sur la membrane. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en utilisant d'autres types de capteurs de 30 vibration. Par ailleurs, l'invention ne se restreint pas à l'exemple particulier décrit ci-dessus dans lequel la sonde est destinée à être utilisée pour mesurer des vibrations d'un osselet de l'appareil auditif d'un patient. Plus généralement, 35 l'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement B11484 12 recherché dans d'autres types de dispositifs de mesure des vibrations mécaniques d'un objet. De plus, l'invention ne se restreint pas au cas où la sonde est une sonde manuelle. En effet, dans le cas d'une sonde maintenue en position par des moyens mécaniques, il peut parfois aussi être bénéfique de filtrer des vibrations parasites dans des plages de fréquences peu élevées. REVENDICATIONS1. Dispositif (31) de mesure des vibrations d'un objet, comprenant : un capteur (15) de vibrations ; et une tige (37) de transmission des vibrations de 5 l'objet au capteur, dont une extrémité est fixée au capteur, dans lequel la tige (37) est en un matériau ayant, aux températures d'utilisation du dispositif, un module de Young aux fréquences supérieures à 1000 Hz supérieur d'au moins un facteur 2 à son module de Young aux fréquences allant de 1 à 10 Hz. 10 2. Dispositif (31) selon la revendication 1, dans lequel la tige (37) est conçue de façon que, aux températures d'utilisation du dispositif, sa raideur à des fréquences supérieures à 1000 Hz soit supérieure d'au moins un facteur 2 à sa raideur aux fréquences allant de 1 à 10 Hz. 15 3. Dispositif (31) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le capteur (15) comprend une membrane élastique sur laquelle sont disposées des jauges de contrainte, la tige (37) étant disposée selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan moyen de la membrane au repos. 20 4. Dispositif (31) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, destiné à être utilisé à des températures allant de 15°C à 35°C. 5. Dispositif (31) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit matériau est un polymère 25 thermodurcissable. 6. Dispositif (31) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit matériau est un polymère thermoplastique. 7. Dispositif (31) selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 6, dans lequel ledit matériau est une résine polyuréthane. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel ledit matériau est une résine polyuréthane commercialisée par la société WEVO sous la dénomination PU 948.B11484 14 9. Dispositif (31) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit matériau est une résine époxy. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel 5 ledit matériau est une résine époxy commercialisée par la marque ELANTAS sous la dénomination EC 51.