Brevet FR3155580A1 — publié le 20250523

La présente invention concerne un dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau exploitant un ou des réseaux de capteurs de formes allongées et entrecroisés dans un matériau élastique. Le matériau élastique et préférentiellement incompressible, est mis en forme directement sur les capteurs qui sont de fines bandes de matériau piézoélectrique, afin d’en assurer une bonne cohésion et accroître le signal des dits capteurs lors de la déformation du matériau. Cette disposition permet ainsi, outre une mesure de la contrainte, de générer suffisamment d’énergie pour alimenter une électronique et une communication sans fil vers un smartphone pour s’affranchir de batterie à recharger. Une des applications est une semelle pour détecter les conditions de pression et température conduisant à des risques d’apparition d’ampoules pour les sportifs, les travailleurs du BTP… ou d’ulcères pour les diabétiques. Figure à publier pour l’abrégé : Figure n3 Dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau avec un réseau de capteurs allongés, entrecroisés dans un matériau élastique et semelle pour détecter ampoules ou ulcères. Les pieds sont les parties du corps les plus sollicitées à cause des conditions de pression, température, espace confiné.... C’est pourquoi, l’ulcère aux pieds est une des complications les plus fréquentes chez les 500 millions de diabétiques dans le monde et dont 15 à 25% seront amputés partiellement pendant leur vie ( Prevention of Diabetic Foot Ulcer , International Journal of Preventive Medicine , Vol 4, No 3, March, 2013). L’article « Temperature and Pressure Regulating Insoles for Prevention of Diabetic Foot Ulcers” (J Foot Ankle Surg. 2020 ; 59(4): 685–688) » décrit bien l’intérêt de surveiller les conditions de pression et de températures au niveau des pieds pour éviter les ulcères. En détectant les conditions à risques d'ulcères, les patients pourraient être prévenus des risques d'aggravation d'ulcères existants et même avant leurs survenues. Les patients seraient alors plus enclins à sortir de chez eux car les ulcères mais aussi et surtout la crainte d'en développer sont un frein aux activités comme la marche qui est pourtant indispensable pour conserver sa forme et son moral. Outre le caractère traumatisant et invalidant des ulcères, il faut aussi prendre en compte le coût des soins voire des amputations qui s’échelonnent entre 5 000 et 100 000€ par opération. Un dispositif de surveillance des conditions d’apparition des risques d’ulcères, comme une semelle dotée d’une multitude de capteurs de pression et température, connectées à un smartphone, permettrait ainsi de ralentir voir stabiliser l'état de santé des pieds des patients et ainsi avoir une incidence importante sur leur qualité de vie. Une interface conviviale sur le smartphone avertirait alors le patient en continu avec une grande précision. De surcroît, avec un historique des mesures de ces conditions à risques, sur cloud sécurisé ou vers un professionnel de la santé pour analyses et conseils sur le type de semelle, chaussure, démarche… préconisées : un dialogue pourrait ainsi s'établir entre le corps médical et le patient sur ses habitudes et activités, correctes ou pas… Mais pour que de tels dispositifs soient largement utilisés, il serait nécessaire que : Le dispositif soit incorporé dans une semelle fine, soupe et confortable apte à se faire oublier, le nombre de points de mesures soit suffisant pour détecter les conditions de risque d’ulcères sur de très petites aires et donc avec au moins une centaine de capteurs par pied, le prix soit bas (par exemple moins de 200€), qu’il n’utilise pas de batterie (pas besoin d’être rechargée) pour qu’il soit toujours opérationnel. Si on regarde l’existant, on s’aperçoit que les seuls dispositifs sur le marché sont très chers, nécessitent des batteries et que le nombre de capteurs est souvent limité, comme le montre l’étude « Concurrent Plantar Stress Sensing and Energy Harvesting Technique by Piezoelectric Insole Device and Rectifying Circuitry for Gait Monitoring in the Internet of Health Things » (https://www.researchgate.net/publication/339992162) De même l’article dans Electronics Review « A Comparative Review of Footwear-Based Wearable Systems » décrit les systèmes suivants qui ne remplissent pas les prérequis pour un dispositif efficient : Le dispositif proposé par « Orpyx LogR »® peut certes disposer jusqu’à 99 capteurs mais nécessite des batteries et coûte environ 3500$ pour la version 8 capteurs. Le dispositif « Moticon »® ne présente qu’une dizaine de capteurs soit bien insuffisant pour détecter des risques sur de petites zones, coûtent près de 2000€ et nécessitent des batteries. Certes, le dispositif « Novel Pedar »® offre jusqu’à 256 points de mesure mais il nécessite des batteries et présente un coût prohibitif (plus de 3500$). Enfin, le dispositif « TekScan F-Scan »® offre jusqu’à 960 points de mesure mais nécessite des batteries et pour un coût là aussi exorbitant (50 à 100$ par capteur !). Si on regarde aussi les bases de brevets, on trouve certes des brevets intéressants mais qui ne répondent toujours pas aux exigences requises pour que de tels dispositifs soient largement utilisés : US2010037709A1 L'invention concerne un appareil de détection de pression de type réseau adapté à la détection et à la quantification, ledit réseau comprenant certes une pluralité de premiers axes, une pluralité de seconds axes … qui peuvent être disposés en croix et une pluralité d'unités piézorésistives…, mais ce ne sont pas les capteurs qui sont disposés suivant les divers axes. En effet, les unités piézorésistives sont disposée sur la croix entre un premier axe et un second axe et les dits capteur ne s’entrecroisent donc absolument pas et pour chaque capteur il est nécessaire d’avoir une entrée de mesure sur un microprocesseur. Il est ainsi revendiqué un appareil de détection de pression de type réseau adapté à la détection de pression avec une pluralité de premiers axes, une pluralité de seconds axes, disposés en croix avec les premiers axes mais ce ne sont pas les capteurs qui sont ainsi disposés en croix. WO03087737A1 Il y est décrit une unité de capteur destinée à détecter des vibrations mécaniques comprenant au moins une bande de feuille piézo-électrique (bande piézo) en tant qu'élément capteur mais en aucun cas il n’est fait mention ni revendiqué de réseau de capteurs entrecroisés, même si plusieurs unités de capteur peuvent être montées ensemble dans un matériau plastique, ils ne sont jamais entrecroisés et encore moins montés dans un matériau élastique indispensable pour accroître les contraintes sur un piézo. Il est ainsi revendiqué une unité de capteur pour capter des vibrations mécaniques avec au moins une bande de feuille piézoélectrique qui est revendiqué mais jamais un réseau de capteurs entrecroisés. US2017146493A1 Il y est décrit un réseau de capteurs piézoélectriques intégrés dans un tissu qui peut comprendre de multiples couches laminaires, telles que des couches de capteurs… C’est donc un tissu de réseau de capteurs piézoélectriques comprenant une ou plusieurs couches laminaires qui est revendiqué et non pas un réseau de capteurs entrecroisés. La présente invention concerne un dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau exploitant un ou des réseaux de capteurs de formes allongées et entrecroisés dans un matériau élastique. Une des applications est une semelle pour détecter les conditions de pression et température conduisant à des risques d’apparition d’ampoules pour les sportifs, les travailleurs du BTP… ou d’ulcères pour les diabétiques. D’autres applications pour la surveillance de contraintes sur des structures métalliques, béton… est envisageable. Dans le cas d’une application à une semelle, celle-ci sera réalisée directement avec le matériau élastique et sera donc souple. Une matrice de capteurs piézoélectriques est incorporés dans le matériau élastique et entrecroisés, offrant plus d’une centaine de points de mesures des pressions et températures. Par incorporation on entend que les capteurs sont noyés dans le matériau élastique afin qu’il y ait une forte cohésion entre le matériau et les capteurs. Ainsi, lors de la déformation du matériau, les capteurs souples suivront cette déformation et leur signaux seront amplifiés. Les dits capteurs sont de formes allongées (bandes fines de piézoélectriques de type PVDF métallisés par exemple) et disposés pour une première partie dans un sens et l’autre partie avec un angle compris entre 1° et 90° par rapport à la première partie et préférentiellement 90°. Idéalement, les dits capteurs sont incorporés dans un matériau élastique et préférentiellement incompressible comme les élastomères (Silicone, caoutchouc, TPU…) afin que lorsqu’une contrainte est exercée, le dit matériau induise flue et induise un étirement plus important des dits capteurs. Les dits capteurs sont soit des piézoélectriques souples soit des piézorésistifs souples. De préférence, les capteurs sont connectés à des pistes ou câbles, les reliant à une électronique de traitement de signal, grâce à des aimants ou des systèmes de contact sous pression (avec des ressorts par exemple). Ce choix est fondamental car une semelle étant soumises à de multiples déformations, les contacts électriques le seront tout autant et une mise en pression de ceux-ci par aimant ou ressort permettra de micro déplacements sans casse. Bien entendu, les capteurs longitudinaux doivent être séparés des capteurs transversaux par une couche isolante pour ne pas court-circuiter les signaux car les films piézo doivent être métallisés sur chaque face pour conduire les charges électriques générées lors de leurs mises en contrainte. On peut par exemple couler d’abord du silicone sur les capteurs longitudinaux et ensuite disposer les capteurs transversaux qui seront ensuite eux aussi recouverts de silicone. L'énergie générée par les capteurs est stockée dans une batterie ou une super capacité et permet d’alimenter l’électronique connectée sans fil au smartphone, sans nécessité de recharge. Une IA sur le smartphone permet alors de comparer les signaux des capteurs entre eux et dans le temps et de calculer précisément les situations à risques. Cette semelle est donc basée sur une matrice de capteurs, bandes piézoélectriques fines de 5 à 200µm et préférentiellement 25µm, entrecroisées et qui permet de quadriller toute la surface de la semelle (et ensuite des chaussettes entières) en gérant seulement quelques entrées au niveau du microprocesseur. Par exemple avec seulement 10 capteurs sur toute la longueur de la semelle et 15 capteurs disposés orthogonalement sur la largeur, cela représentera seulement 25 entrées au niveau du microprocesseur mais bien 150 points de mesure. De plus, l'énergie générée par les capteurs est récupérée dans un super condensateur ou une batterie pour alimenter le microprocesseur choisi à faible de consommation et un module Bluetooth à basse consommation pour la connexion au smartphone. Une intelligence artificielle sur le dit smartphone permet alors de comparer les signaux issus des divers capteurs au fil du temps et de calculer la pression à chaque intersection. Pour limiter la consommation électrique dans la semelle et afin que l’énergie des capteurs suffise à transmettre les informations vers le smartphone, c’est l’application sur le smartphone qui analyse les signaux transmis par les semelles pour les convertir en pression à chaque intersection de capteurs transversaux et longitudinaux par analyse des déphasages temporels des dits signaux. En effet, lorsqu’un appui ou impact est exercé sur la semelle en une superposition/intersection de capteurs, le signal mesuré sur chacune de ces bandes orthogonales impactées donnera une valeur similaire mais surtout en un même temps. Les signaux des bandes adjacentes, avant ou après ces bandes impactées, donneront des signaux plus faibles mais surtout déphasées dans le temps (en positif ou en négatif) par rapport aux bandes impactées ce qui permettra de géolocaliser exactement la zone précise de l’impact. On pourra ainsi cartographier précisément la pression sur chaque pied. D’autre part, l’incorporation des capteurs dans un matériau élastique et préférentiellement incompressible comme le silicone revêt une grande importance. En effet, un capteur piezoélectrique souple de type PVDF (ou autre) génère un signal relativement faible lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique, comme une compression, alors qu’il se trouve sur une surface dure (ou souple d’ailleurs). En effet, ce type de capteur génère un signal plus important lorsqu’il est plutôt étiré que comprimé. Par contre, le fait d’incorporer ce type de capteur piezo dans un matériau élastique et de façon préférentielle incompressible, comme par exemple en coulant du silicone (ou du caoutchouc, TPU…) autour des dits capteurs afin qu’il y ait une bonne adhésion entre le capteur et le silicone, la compression de l’ensemble silicone/capteur va conduire à un étirement important du capteur conduisant à un signal beaucoup plus important (d’un facteur 10). Ainsi, non seulement, il sera possible d’obtenir plus d’énergie pour alimenter la super capacité et le microprocesseur avec son module de communication sans fil Bluetooth, mais en plus le signal sera plus fort et donc plus facilement mesurable avec une meilleure précision. Plus précisément, la FIG. 1 montre une semelle suivant l’invention, en coupe transversale où l’on peut voir les bandes de capteurs piézoélectriques transversales (1), bandes de capteur piézoélectrique longitudinales, soit dans la longueur de la semelle (2), toutes incorporées dans le matériau élastique (3) constitutif de la semelle. La FIG. 2 montre la semelle suivant l’invention en vue de dessus : le silicone étant dans ce cas transparent, il laisse entrevoir les capteurs transversaux (1), longitudinaux (2), la carte électronique (4), le tout incorporés dans le matériau élastique (3). La FIG. 3 montre le pied (5) appuyer dans le sens de la flèche (6) sur la semelle constituée par le matériau élastique (3) ce qui induit un déplacement latéral suivant les flèches (7) et (8) mais également dans le sens orthogonal à ces flèches (non représenté) et donc crée une extension des capteurs transversaux et longitudinaux pour donner un signal plus fort. Détermination des pressions exercées sur la semelle par le pied : Les capteurs piézo produisent de l’énergie lorsque qu’ils sont mécaniquement stressés. Ce signal va être conditionné avec le moins de perte possible pour être ensuite récupéré par un circuit de récolte d'énergie permettant de charger une batterie ou super capacité. Quand le niveau d’énergie est suffisant pour une mesure du signal, les capteurs piézo sont basculés sur un conditionnement analogique pour la mesure de la pression, cette dernière est ensuite convertie en numérique par un convertisseur puis ces données sont mises en forme et transmises en Bluetooth pour être analysée par la suite par un système externe (application mobile, logiciel…). L’énergie nécessaire pour la mesure et la transmission Bluetooth va décharger la source d’énergie et le cycle se répète ensuite pour charger à nouveau ce réservoir d’énergie. Pour optimiser ce système on peut donc jouer sur 2 éléments : - optimiser la récupération d'énergie en jouant sur les points précédents - minimiser la consommation d’énergie lors de la mesure et du transfert par Bluetooth Notre solution peut ainsi être mise en œuvre dans des semelles ou même des chaussettes pour détecter les conditions de pressions et températures propices à la formation d’ulcères ou d’ampoules et comprendront : Des capteurs piézoélectriques ou piezoélectriques souples de formes allongées et disposés pour une première partie dans le sens de la longueur des dites semelles et l’autre partie avec un angle compris entre 1° et 90° par rapport à la première partie, Un matériau élastique qui incorpore les dits capteurs, Une électronique de traitement des signaux des capteurs, pour en calculer les valeurs des pressions exercées par les pieds, et de communication de ces dites valeurs, sans fil et à basse consommation vers un smartphone, Des connections à pression de contact, par aimants ou ressorts, entre les dits capteurs et les câbles ou pistes reliés à la dite électronique, Une batterie ou une super capacité pour stocker l’énergie des dits capteurs, Une application sur le smartphone qui analyse les signaux transmis par les semelles pour les convertir en pression à chaque intersection de capteurs transversaux et longitudinaux par analyse des déphasages temporels des dits signaux L’application sur le smartphone affiche des alertes sonores et/ou visuelles et stocke un historique des valeurs pour futures analyses. Sur 460 Million de diabétiques dans le monde, environ 50 millions auront besoin d'une intervention chirurgicale aux pieds et parfois amputation du pied à cause d'ulcères. En connaissant la pression et la température des pieds toute la journée, pendant la marche… notre solution permettra d’éviter de nombreux ulcères et par conséquent une intervention chirurgicale : Les praticiens (podologues…) pourront comprendre quand les ulcères apparaissent et les soigner plus rapidement Les clients peuvent adapter leurs activités ou modifier leur chaussures… . Dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau comprenant un ou des réseaux de capteurs, caractérisé en ce que les dits capteurs sont de formes allongées et disposés pour une première partie dans un sens et l’autre partie avec un angle compris entre 1° et 90° par rapport à la première partie. Dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau comprenant un ou des réseaux de capteurs suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les dits capteurs sont incorporés dans un matériau élastique. Dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau comprenant un ou des réseaux de capteurs suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les dits capteurs sont des piézoélectriques souples. Dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau comprenant un ou des réseaux de capteurs suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les dits capteurs sont incorporés dans un matériau élastique incompressible afin que lorsqu’une contrainte est exercée, le dit matériau induise un étirement des dits capteurs. Dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau comprenant un ou des réseaux de capteurs suivant les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les dits capteurs sont connectés à des pistes ou câbles, les reliant à une électronique de traitement de signal, grâce à des aimants. Dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau comprenant un ou des réseaux de capteurs suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’énergie générée par les dits capteurs est stockée dans une batterie ou une super-capacité, Semelles pour détecter les conditions de pressions et températures propices à la formation d’ulcères ou d’ampoules comprenant un dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau selon l'une quelconque des revendications n°1 à 6, caractérisées en ce qu’elles comprennent : Des capteurs piézoélectriques souples de formes allongées et disposés pour une première partie dans le sens de la longueur des dites semelles et l’autre partie avec un angle compris entre 1° et 90° par rapport à la première partie, Un matériau élastique qui incorpore les dits capteurs, Une électronique de traitement des signaux des capteurs, pour en calculer les valeurs des pressions exercées par les pieds, et de communication de ces dites valeurs, sans fil et à basse consommation vers un smartphone, Des connections à pression de contact, par aimants, entre les dits capteurs et les câbles ou pistes reliés à la dite électronique, Une batterie ou une super capacité pour stocker l’énergie des dits capteurs, Une application sur le smartphone qui analyse les signaux transmis par les semelles pour les convertir en pression à chaque intersection des capteurs transversaux et longitudinaux par analyse des déphasages temporels des dits signaux, L’application sur le smartphone qui affiche des alertes sonores et/ou visuelles et stocke un historique des valeurs pour de futures analyses. Chaussettes pour détecter les conditions de pressions et températures propices à la formation d’ulcères ou d’ampoules comprenant un dispositif de mesure de contraintes mécaniques dans un matériau selon l'une quelconque des revendications n°1 à 6, caractérisées en ce qu’elles comprennent : Des capteurs piézoélectriques souples de formes allongées et disposés pour une première partie dans le sens de la longueur des dites semelles et l’autre partie avec un angle compris entre 1° et 90° par rapport à la première partie, Un matériau élastique qui incorpore les dits capteurs, Une électronique de traitement des signaux des capteurs, pour en calculer les valeurs des pressions exercées par les pieds, et de communication de ces dites valeurs, sans fil et à basse consommation vers un smartphone, Des connections à pression de contact, par aimants, entre les dits capteurs et les câbles ou pistes reliés à la dite électronique, Une batterie ou une super capacité pour stocker l’énergie des dits capteurs, Une application sur le smartphone qui analyse les signaux transmis par les semelles pour les convertir en pression à chaque intersection de capteurs transversaux et longitudinaux par analyse des déphasages temporels des dits signaux, L’application sur le smartphone qui affiche des alertes sonores et/ou visuelles et stocke un historique des valeurs pour de futures analyses.