EP4240234A1 - Procédé non-invasif de mesure d'une grandeur physique représentative de l'élasticité d'un matériau - Google Patents

Procédé non-invasif de mesure d'une grandeur physique représentative de l'élasticité d'un matériau

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Publication number
EP4240234A1
EP4240234A1 EP21805530.9A EP21805530A EP4240234A1 EP 4240234 A1 EP4240234 A1 EP 4240234A1 EP 21805530 A EP21805530 A EP 21805530A EP 4240234 A1 EP4240234 A1 EP 4240234A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measurement
frequency
axis
measuring
frequencies
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21805530.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Roberto Vargiolu
Hassan Zahouani
Alexandre BERGHEAU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Centrale de Lyon
Ecole Nationale des Travaux Publics de lEtat ENTPE
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Centrale de Lyon
Ecole Nationale des Travaux Publics de lEtat ENTPE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Centrale de Lyon, Ecole Nationale des Travaux Publics de lEtat ENTPE filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4240234A1 publication Critical patent/EP4240234A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/44—Detecting, measuring or recording for evaluating the integumentary system, e.g. skin, hair or nails
    • A61B5/441—Skin evaluation, e.g. for skin disorder diagnosis
    • A61B5/442—Evaluating skin mechanical properties, e.g. elasticity, hardness, texture, wrinkle assessment
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0048—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli
    • A61B5/0053—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli by applying pressure, e.g. compression, indentation, palpation, grasping, gauging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235—Details of waveform analysis

Definitions

  • the invention relates to a method and a non-invasive device for measuring a physical quantity representative of the elasticity of a material.
  • the invention relates in particular to a method and a non-invasive apparatus for measuring a physical quantity representative of the elasticity of a viscoelastic and/or deformable material or substrate.
  • the measurement of the mechanical properties of the skin such as elasticity is useful, for example, to aid in the diagnosis of certain skin diseases or, to measure the effectiveness and the consequences of certain cosmetic treatments on the skin, or to measure the elasticity of in-vitro skin reconstructed by tissue engineering (bio-printing), or to measure the effect of mechanical stimulation of in-vitro skin reconstructed by tissue engineering (bio-printing).
  • This known process is advantageous in that it is non-invasive. It is therefore simple to implement on the skin of a patient.
  • This known method makes it possible to measure the Rayleigh speed at the surface of the skin in different directions.
  • the Rayleigh velocity is proportional to a phase velocity representative of the elasticity of the skin.
  • the skin as well as other viscoelastic or deformable materials can resemble, in certain respects, a multilayer substrate.
  • the process described in Ayadh2020 only makes it possible to obtain information on the mechanical properties of the superficial layer of the skin and in particular the epidermis.
  • no information on the mechanical properties of the layers of the skin located under this superficial layer can be obtained using this known method.
  • this known method does not make it possible to measure the mechanical properties of sub-layers such as the dermis and the hypodermis.
  • the invention therefore aims to provide a method for measuring a quantity representative of the elasticity of a material which also makes it possible to measure a physical quantity representative of the elasticity of the sub-layers of the material.
  • this method comprising the following steps: a) the deformation of the material at a point impact using a stimulator to generate a shear wave comprising components at different frequencies, these different components propagating on the surface of the material and causing a displacement of the surface of the material, b) the measurement, using a measuring device, the displacement of the surface of the material over time at at least three measuring points aligned one behind the other along a measuring axis, in which the method also comprises the following steps: c) the determination of the phase velocities of the fundamental mode of the different components of the shear wave generated, along the measurement axis, from the measurements of the measurement device, the set of pairs, each formed by a frequency fi and the phase velocity Vi of the fundamental mode determined for this frequency fi, forming a dispersion curve of the fundamental mode in a measurement direction parallel to the measurement axis, where the index "i" is a number
  • Materials or substrates measured include viscoelastic and/or deformable materials and may include, for example, human skin, artificial skin, animal skin, including skin of marine animals such as fish skin, the skin of vegetables or fruits. These materials can also include synthetic or vegetable leather, as well as certain polymers such as those used for organ phantoms for example.
  • the method can also be implemented with textiles or coatings, such as road surfaces. [0010] The embodiments of this method may comprise one or more of the following characteristics:
  • - Zmax is equal to half the distance which separates the two most distant measurement points from each other along the measurement axis
  • the method comprises the execution of steps a), b), c) and d) for at least a first and a second measurement axes angularly offset from each other, these first and second measurement axes passing through the same point of impact.
  • step c) of determining the phase velocities of the fundamental mode includes the reiteration of the following operations for several different frequencies fi:
  • step c) comprises: - an automatic identification operation, among all the frequencies fi, of a minimum frequency fmin below which the frequencies fi no longer satisfy the following condition (1):
  • - pi,i and pi.o are the coefficients of the straight line, determined by the least squares method, best approaching the coordinate points (x; tj, m (x)),
  • - x p is equal to the position x of the p-th measurement point counted from the first measurement point closest to the point of impact
  • - Pmax is equal to the number of measurement points distributed along the measurement axis
  • step c) comprises:
  • the invention also relates to a non-invasive device for measuring a physical quantity representative of the elasticity of a material, for the implementation of the above method, this device comprising:
  • a stimulator capable of deforming the material at the level of an impact point to generate a shear wave comprising components at different frequencies, these different components propagating on the surface of the material and causing a displacement of the surface of the material
  • a measurement device capable of measuring the displacement of the surface of the material over time at at least three measurement points aligned one behind the other along a measurement axis, in which the device comprises a unit of suitable treatment:
  • the set of pairs each formed by a frequency fi and the phase velocity Vi of the fundamental mode determined for this frequency fi, forming a dispersion curve of the fundamental mode in a measurement direction parallel to the measurement axis, where the index "i" is a sequence number the frequency fi and the phase velocity Vi, and
  • phase velocity at a given depth being a physical quantity representative of the elasticity of the material at this depth.
  • inventions of this apparatus may comprise one or more of the following characteristics:
  • the measuring device comprises a network of sensors each capable of measuring the amplitude of the deformation of the surface of the material at a respective measurement point, this network comprising at least three sensors which each measure the displacement of the surface of the material in three respective measurement points aligned one behind the other along a measurement axis, and
  • the apparatus comprises an articulated arm on which the array of sensors is mounted, this articulated arm being capable of rotating the array of sensors through a predetermined angle around an axis of rotation, in order to align the axis of measurement of the sensor array on a first measurement axis and, alternately, on a second measurement axis offset angularly relative to the first measurement axis.
  • the network of sensors comprises:
  • the measuring device comprises an emitter of a light beam which illuminates each measuring point aligned along the measuring axis.
  • the stimulator is able to project onto the surface of the material a jet of fluid which causes the deformation of the material at the point of impact.
  • the method and the measuring device according to the invention can be implemented in a variety of applications, in various fields such as health, the pharmaceutical industry, cosmetics, quality control, etc.
  • Measurements can in particular be carried out on any type of soft tissue, in vivo or taken for example by biopsy.
  • various pathologies can be monitored and analyzed.
  • Skin tumor analyzes can be performed in vivo or after tissue removal.
  • Collagen pathologies such as scleroderma or osteogenesis imperfecta, can be analyzed.
  • the healing of wounds including chronic wounds, can be monitored.
  • the method and the apparatus according to the invention can be implemented in the study of the effect of cosmetic products, in particular by observing the stimulation of collagen fibers after application to the skin of anti-aging products. -age.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of the architecture of a device for measuring a physical quantity representative of the elasticity of a material
  • FIG. 2 is a schematic illustration of a pacemaker and a measuring device of the apparatus of Figure 1;
  • FIG. 3 is a flowchart of a method for measuring a physical quantity representative of the elasticity of a material using the apparatus of Figure 1;
  • FIG. 4 is a three-dimensional graph illustrating displacement measurements acquired by the apparatus of Figure 2:
  • FIG. 5 is a graph illustrating the calculation of the speed of displacement of a shear wave
  • FIG. 6 is a three-dimensional graph illustrating, for a frequency component, displacement measurements acquired by the apparatus of Figure 2;
  • - Figure 7 is a graph illustrating the determination of a phase velocity of the frequency component of Figure 6
  • - Figure 8 is a graph illustrating the damping of the frequency component of Figure 6;
  • Figure 9 is a graph representing a dispersion curve determined using the apparatus of Figure 1;
  • FIG. 10 is a graph illustrating a phase velocity profile determined using the apparatus of Figure 1;
  • FIG. 11 is a graph illustrating a tomography constructed by the apparatus of Figure 2;
  • FIG. 12 is a graph illustrating the damping of the frequency component of Figure 6 as a function of depth
  • FIG. 13 is a graph illustrating, on the same graphic representation, the phase velocities measured using the method of Figure 3 and those determined using another known method for determining phase velocities.
  • the measured material is human skin.
  • the apparatus and the method as described can be implemented to measure other materials.
  • FIG. 1 represents a non-invasive device 2 for measuring a large body representative of the elasticity of the skin.
  • Device 2 includes:
  • a computer processing unit 12 connected to the stimulator 8 and to the measuring device 10.
  • a proximal end of the arm 4 is fixed without any degree of freedom on a fixed support 14.
  • the arm 4 comprises several joints 20 which allow moving both the stimulator 8 and the measuring device 10 simultaneously in rotation about an axis 22 of projection.
  • the axis 22 is vertical.
  • the joints 20 make it possible to move the stimulator 8 and the measuring device 10 relative to the support 14 with six degrees of freedom.
  • the arm 4 Once the arm 4 has been deformed to place the stimulator 8 and the measuring device 10 in the desired position, the arm 4 maintains this stimulator 8 and this device 10 stationary in this position.
  • the joints 20 are, for example, actuated manually by a user or actuated by electric motors.
  • the arm 4 also serves as a support for electrical conductors which connect the stimulator s and the measuring device 10 to the processing unit 12.
  • the stimulator 8 deforms the skin of a human being at a point of impact when it is activated.
  • the point of impact is located at the intersection of the projection axis 22 and the surface of the skin.
  • the deformation of the skin produced by the stimulator 8 is such that it generates a shear wave which then propagates along the surface of the skin.
  • This shear wave has frequency components at several different frequencies. Typically, in the case of human skin, the frequencies of these components are between 1 Hz and 3000 Hz and, usually, between 1 Hz and 1000 Hz.
  • the device 10 measures the deformation of the surface of the skin, caused by the shear wave, at several measurement points aligned one behind the other along a measurement axis.
  • This measurement axis extends parallel to a direction called "measurement direction" in this text.
  • the device 10 comprises more than three, ten or one hundred measurement points.
  • the device 10 has 400 measurement points.
  • the position of a measurement point along the measurement axis is identified by its abscissa x, for example expressed in mm or in pm, measured from an origin O.
  • the axis measurement and the axis 22 of projection intersect substantially at right angles.
  • the origin O is taken equal to the point of intersection of these two axes.
  • the distance between the measurement point closest to the point of impact and the measurement point farthest from the point of impact is denoted Lmax.
  • the distance Lmax is equal to 7 mm.
  • the measurement points are uniformly distributed along the measurement axis.
  • the distance between two consecutive measurement points is therefore equal here to 17.5 ⁇ m.
  • the processing unit 12 is connected to the device 10 to acquire the measurements of this device. More specifically, the unit 12 acquires over time, with a sampling frequency f e , the displacement measured at each of the measurement points. Thereafter, the displacement measured at the level of a measurement point of abscissa x at time t is denoted u(x, t). For example, here, the frequency f e is equal to 8 kHz.
  • the unit 12 is capable of processing the signals u(x, t) thus acquired in order to extract therefrom a physical quantity representative of the elasticity of the skin at different depths.
  • the unit 12 comprises a central unit 30 and a machine interface 32.
  • the central unit 30 comprises:
  • programmable microprocessor 36 capable of executing the instructions recorded in the memory 34.
  • the interface 32 makes it possible to display the measured physical quantity representative of the elasticity of the skin.
  • the interface 32 comprises a screen 38.
  • the interface 32 also comprises a keyboard 40 to, for example, acquire a command to trigger the execution of the measurement method of FIG. 3.
  • FIG 2 shows in more detail the pacemaker 8 and the device 10 for measurement.
  • the skin is schematically represented under the reference 46 and the surface of the skin 46 bears the reference 48.
  • the surface 48 is represented in a deformed form after having undergone an impact applied by the stimulator 8. The point of impact on the surface of the skin bears the reference 49.
  • the stimulator 8 uses, in this embodiment, a jet of air which strikes the skin at the point of impact 49. To this end, the stimulator 8 comprises:
  • nozzle 56 fluidly connected to an output of the solenoid valve 54.
  • the air pressure contained in the reservoir 50 is greater than 0.6 or 0.8 MPa.
  • the regulator 52 lowers the air pressure.
  • the air pressure at the outlet of the regulator 52 is between 0.1 MPa and 0.6 MPa or between 0.1 and 0.4 MPa.
  • the solenoid valve 56 is movable between an open position and a closed position and vice versa under the control of the unit 12. In the closed position, the solenoid valve 54 prevents air from escaping from the tank 50. In the open position, on the contrary, the solenoid valve 54 allows air to escape from the tank 50. The air which escapes from the tank 50 is then guided by the nozzle 56 to form a jet of air along of the axis 22 which strikes the surface 48 of the skin 46 at the level of the point of impact 49.
  • the solenoid valve 54 makes it possible to adjust the duration of the jet of air projected onto the surface 48.
  • the duration of the jet of air is less than 20 ms or 10 ms.
  • the duration of the air jet is between 5 ms and 10 ms.
  • At least a part of the nozzle 56 extends along the axis 22 to direct the jet of air along this axis.
  • the end of the nozzle 56, facing the surface 48, is mechanically separated from this surface, so that there is no direct mechanical contact between the device 2 and the surface 48 during its use.
  • the measuring device 10 is an optical measuring device. In this embodiment, it comprises for this purpose:
  • a microprocessor 64 programmed to determine the displacement of the surface 48 at each of the measurement points from the reflected light picked up by each of the optical sensors.
  • the device 10 is positioned relative to the pacemaker 8 so that the measurement point closest to the point of impact 49 is separated from this point of impact by a distance greater than 0.5 mm or 0 .8 mm and, typically, less than 5 mm.
  • the distance between the measurement point closest to the point of impact and this point of impact is between 0.7 mm and 1.3 mm or between 0.9 mm and 1.1 mm.
  • this distance is equal to 1 mm.
  • the device 10 is that marketed by the company KEYENCE® under the reference LJ-V 7020.
  • the transmitter 60 is a laser source which emits a monochromatic and collimated light beam.
  • the device 10 is not described in more detail below. The operation of the device 2 will now be described using Figure 3 and with reference to the graphs of Figures 4 to 13.
  • the arm 4 is deformed to place the stimulator 8 and the measuring device 10 close to a part of the human body covered with the skin to be studied.
  • Device 2 makes it possible to study any part of the human body.
  • the experimental results presented in Figures 4 to 13 were obtained on the forearm of a human being.
  • the stimulator 8 and the device 10 are placed relative to the surface 48 of the skin so that the projection axis 22 makes an angle of between 75° and 110°, and preferably between 80° and 100°. °, relative to the direction normal to the skin at the point of impact 49.
  • the lower end of the nozzle 56, facing the surface 48, is separated from the point of impact 49 by a distance greater than 1 mm or 2 mm or 5 mm, and generally less than 20 mm.
  • the unit 12 controls the stimulator 8 to cause the emission of a jet of air and deform the skin.
  • unit 12 controls solenoid valve 54 to generate this air jet.
  • This jet of air then strikes the skin at the point of impact 49.
  • This deformation of the surface 48 in turn generates a wave of shear which propagates along the surface 48 in all directions, and therefore in particular along the measurement axis of the device 10.
  • the device 10 measures, at each of the measurement points, the displacement of the surface 48 caused by the shear wave which propagates on the surface of the skin.
  • the unit 12 acquires the measurement of the device 10.
  • the unit 12 acquires each of the signals u(x , t).
  • FIG. 4 represents on a three-dimensional graph an example of the signals u(x, t) acquired.
  • this graph :
  • the horizontal axis represents the time in milliseconds
  • - the vertical axis represents the amplitude, in millimeters, of the displacement of the surface 48
  • the depth axis represents, in pm, the position x of the measurement point along the measurement axis.
  • Phase 80 is carried out by unit 12.
  • the unit 12 searches for and identifies the instant tmin(x) at which the signal u(x, t) does not pass its absolute minimum.
  • the unit 12 determines the equation of the straight line D which best approximates the cloud of points formed by the coordinate points (x; tmin(x)).
  • the coefficients pi and o are those obtained by implementing the least squares method.
  • FIG. 5 represents the cloud of points formed by the points with coordinates (x; tmin(x)) and the straight line D obtained by the method of least squares.
  • phase velocity we denote here, in the absence of any indication to the contrary, the phase velocity of the fundamental mode of the shear wave.
  • the fundamental mode corresponds to the mode for which the amplitude of the displacement of the surface 48 is maximum.
  • This phase velocity is denoted Vi for the frequency fi, where the index i is a sequence number identifying the frequency fi.
  • the frequencies are classified from the smallest frequency, denoted fi, to the greatest frequency denoted fp max.
  • the various frequency components which propagate in the skin 46 are typically between 1 Hz and 3000 Hz and, most often, between 1 Hz and 1000 Hz or between 1 Hz and 500 Hz or between 1 Hz and 400 Hz.
  • the frequencies fi are chosen in this interval going from 1 Hz to 1000 Hz.
  • the frequency sampling step fi in the interval [1 Hz; 10 Hz] is chosen small, i.e. here less than 2 Hz or 1 Hz.
  • the frequency sampling step fi is chosen larger. For example, in this interval [10 Hz; 1000 Hz], the sample step is greater than 5 Hz or 10 Hz or 20 Hz.
  • the frequencies fi are separated from each other by a step of 1 Hz in the interval [1 Hz; 10 Hz] while they are separated from each other by a step greater than 5 Hz or 10 Hz in the interval [10 Hz; 1000Hz],
  • the unit 12 determines, for each chosen frequency fi, if it exists, the corresponding phase velocity Vi.
  • the unit 12 filters, using a band-pass filter centered on the frequency fi, each signals u(x, t).
  • the signal u(x, t) filtered at the frequency fi is subsequently denoted Ui(x, t).
  • the bandwidth at ⁇ 3 dB of this band-pass filter is between the frequencies fj-i and fj+i. Typically, this bandwidth is less than 20 Hz or 10 Hz for the frequencies fi included in the interval [10 Hz; 1000 Hz] and less than 2 Hz for frequencies fi included in the interval [1 Hz; 10Hz],
  • FIG. 6 represents various signals Ui(x, t) obtained by filtering, at a frequency of 20 Hz, the signals u(x, t) of FIG. 4.
  • This graph is identical to the graph of FIG. 4 except that it represents the signals Ui(x, t) and not the signals u(x, t).
  • the unit 12 searches for and identifies, for each signal Ui(x, t), the instant tj, m (x) where this signal passes through its absolute minimum. For this, if the instant tu , m (x) or tj+i , m (x) has already been identified for, respectively, the frequency fj-i or the frequency fj+i , the unit 12 searches for the instant tj, m (x), in priority, in a time interval centered on this instant tu , m (x) or tj+i , m (x).
  • the unit 12 calculates the phase velocity Vi for the frequency fi from the signals Ui(x, t). For this, the unit 12 determines the equation of the straight line Di which best approximates the cloud of points formed by the points of coordinates (x; tj, m (x)).
  • the coefficients p and pi.o are obtained by implementing the least squares method as described for step 84.
  • FIG. 7 represents the cloud of points with coordinates (x, tj, m (x)) as well as the straight line Di.
  • the unit 12 estimates the approximation error, that is to say the difference which exists between the coordinate points (x; tj ,m(x)) and the coordinate points (x; tj, e (x)) which have the same abscissa and which lie on the line Di.
  • - x p is equal to the position x of the p-th measurement point counted from the first measurement point closest to the point of impact
  • - Pmax is equal to the number of measurement points distributed along the measurement axis
  • - errmax is a predetermined constant.
  • phase velocity Vi is taken equal to 1/pi,i.
  • the phase velocity thus obtained is the phase velocity of the fundamental mode at the frequency fi. Indeed, it is only obtained from the minima of the signals Ui(x, t), that is to say from the points where the amplitude of the displacement is maximum.
  • the unit 12 also determines the attenuation A(x) of the frequency component at the frequency fi.
  • the attenuation A(x) is taken equal to the amplitude of the minimum of the signal Ui(x, t) identified during operation 90.
  • the attenuation A(x) is equal to Ui(x; tj, m (x)).
  • FIG. 8 represents the evolution of the attenuation A(x) as a function of the position x for the signals Uj(x, t) of FIG. 4.
  • - pi is the volumetric density of the skin at depth pi
  • the speed V is directly representative of the Young's modulus Ei at the depth pi.
  • the speed V is representative of the elasticity of the skin at the depth pi.
  • the profile of the velocities V as a function of the depth pi corresponds to a cross-sectional view, along the measurement axis, of the mechanical properties of the skin.
  • the unit 12 transforms the dispersion curve into a velocity profile as a function of the depth pi.
  • the unit 12 converts each frequency fi into a corresponding wavelength ⁇ i.
  • the unit 12 calculates the value of a coefficient a which makes it possible to convert each wavelength ⁇ i into a corresponding depth pi.
  • the depth pi is the distance which separates a point, buried under the skin, from the surface 48 of the skin.
  • This coefficient a is a constant for a given measurement axis.
  • the coefficient a varies according to the direction of measurement. In other words, the coefficient a depends on the direction in which the measurements are made.
  • ⁇ max is the greatest of the wavelengths ⁇ i obtained at the end of operation 102.
  • step 68 and phases 70 and 80 are repeated several times, each time rotating the measurement axis through a predetermined angle around axis 22.
  • the arm 4 is deformed so as to rotate the stimulator 8 and the measuring device 10 on themselves. This rotation does not modify the position of the axis 22 of projection, and therefore the position of the point of impact 49.
  • the axis of measurement is offset angularly with respect to to its previous position by at least 1° or 5°, and for example by 10° or 20°.
  • step 100 is executed again. Indeed, as explained previously, the value of the coefficient a strongly depends on the direction of the measurement axis in the case of human skin.
  • the mechanical properties of the skin as a function of the depth pi are displayed on the screen 38.
  • Different graphic representations are possible.
  • the speed profile such as that represented in FIG. 10, is displayed on the screen 38.
  • the different speed profiles obtained for different measurement directions are simultaneously displayed on the same graph to form a tomography of the skin 46 at the point of impact 49.
  • Such a tomography is represented in FIG. 11.
  • the ordinate axis represents the depth pi.
  • the axis 22 corresponds to the projection axis of the device 2.
  • Different measurement planes P to Pie are represented. These Ph to Pie planes are angularly offset from each other.
  • each of these measurement planes contains the axis 22 and extends parallel to a respective measurement direction.
  • Each measurement plane contains the velocity profile measured along the measurement axis parallel to this measurement direction respectively.
  • the abscissa axes therefore represent the coordinates Vj X and Vj y of the measured speed Vi.
  • FIG. 12 represents the attenuation Ai(x) as a function of depth. More precisely, the abscissa axis represents the x position of the measurement point. The y-axis represents the depth pi in millimeters. The color of each coordinate point (x; p) codes the attenuation of the velocity Vi for this depth p and this abscissa x. To do this, the depth is transformed into a corresponding wavelength ⁇ i using relation (3), then the wavelength ⁇ i thus obtained is transformed into a corresponding frequency fi using relation ( 2). During step 94, the attenuation Ai(x) as a function of the position x has been noted for all the frequencies fi, and therefore for the particular frequency fi corresponding to this depth p.
  • the various phase V velocities can be determined, from the signals u(x, t), by other methods, such as for example the method known by the acronym MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves).
  • the MASW method makes it possible to determine, for each frequency fi, the velocity V of the fundamental mode as well as the phase velocities of the modes of order higher than the order of the fundamental mode.
  • FIG. 13 represents on the same graph the phase velocity V determined by the method of FIG. 3 and the various phase velocities determined by the MASW method.
  • the abscissa axis represents the frequency fi
  • the ordinate axis represents the amplitude of the determined phase velocity.
  • the speeds V determined by the method of FIG. 3 are represented by a dotted curve 120.
  • phase velocities for a given frequency fi as determined by the MASW method are coded by a color that becomes darker the greater the amplitude of this phase velocity.
  • the MASW method determines several phase velocities corresponding, respectively, to the fundamental mode and to the other modes of higher order. Among these various determined phase velocities, the one which has the greatest amplitude corresponds to the phase velocity of the fundamental mode.
  • the velocity Vi determined by the method of Figure 3 passes into the darkest location of the graph of Figure 13. This indicates that the fundamental mode phase velocities determined by the two different methods coincide.
  • phase velocity of the fundamental mode drops sharply before rising just as sharply. Subsequently, these sudden drops in the phase velocity of the fundamental mode are called "phase jumps". Such a phase jump is surrounded by a circle near 90 Hz in Figure 13. Conversely, the process of Figure 13 does not produce such phase jumps.
  • the method of FIG. 13 makes it possible to determine the phase velocity of the fundamental mode for frequencies much higher than what is possible by implementing the MASW method. Because of this, the method of Figure 13 is considered to be more accurate than known methods.
  • the device is able to measure, simultaneously and along several measurement axes angularly offset from each other, the displacement of the surface of the skin or of another material.
  • a measuring device it is not necessary to rotate it around the projection axis 22 or the number of rotations to be performed is smaller.
  • such a measuring device comprises an array of optical sensors for each measurement axis.
  • the measurement axis does not pass through the point of impact 49 but next to this point of impact.
  • the device 10 can also be produced using a camera which acquires images of the surface 48 at a high frequency.
  • the jet of air is replaced by a jet of another gas, such as carbon dioxide, or by a jet of liquid such as water.
  • the stimulator does not necessarily emit a jet of fluid to generate the shear wave at the surface of the material, or substrate, to be measured.
  • a shear wave can also be generated by a stimulator which comes directly into contact with the material using a utensil.
  • the stimulator can be a hammer which strikes the material at the point of impact 49. It can also be a projectile such as a rubber ball or the like which is thrown along the axis 22 to strike the material at the point of impact 49.
  • the measuring device is not necessarily an optical measuring device. This is particularly true when the device 2 is applied to a large-area substrate where the bulk constraints are relaxed.
  • the signals u(x, t) can also be measured by placing a displacement sensor directly on each of the measurement points.
  • this displacement sensor can be an accelerometer.
  • an element radiating electromagnetic waves or reflecting electromagnetic waves at a particular wavelength is placed on each of the measurement points.
  • the sensors of the measuring device measure the displacement of the surface at each of these measuring points from the electromagnetic radiation emitted or reflected at the level of the measuring point.
  • phase velocity of the fundamental mode as a function of the depth.
  • the method known by the acronym MASW can be applied even though it is now considered less accurate.
  • a variant of the MASW method is applied, this variant having been modified to reduce the problem of phase jumps observed in FIG. 13.
  • methods other than the MASW method have been developed in other technical fields such as for example the field of geophysics and can be transposed here from the moment when these methods determine the phase velocity of the fundamental mode.
  • the frequency sampling step fi is the same over the entire analysis interval.
  • the sampling step is the same over the entire range from 1 Hz to 1000 Hz.
  • Other methods for searching for and identifying the instant tj, m (x) are possible. For example, times tj, m (x) are searched without limiting the search to a predetermined time interval. In this case, the search is carried out without taking into account the times tj.i, m (x) or tj+i, m (x) or t m in(x). Thus, steps 82 and 84 can be omitted.
  • the approximation error can be estimated differently.
  • many other relationships are possible to calculate this approximation error.
  • relation (5) can be used instead of relation (1): [MATH 3]
  • the coefficient a is not determined as a function of the signals u(x, t) measured by the device 10.
  • the coefficient a used for a given direction of measurement, is provided by the user of the device 12.
  • the measurements along the same measurement axis can be repeated at different times to see the evolution over time of these measurements. For example, this can be applied to measure the evolution over time of the mechanical properties of a material or substrate, for example the evolution over time of the mechanical properties of the skin following the application of a moisturizer.
  • the device 2 described here can be applied to other viscoelastic and anisotropic materials than the skin.
  • it can be applied to all similar viscoelastic materials such as artificial skin.
  • It can also be applied to animal skin, including marine animal skin such as fish skin.
  • the device 2 can also be applied to other viscoelastic materials such as for example the skin of vegetables or fruits.
  • the interval in which the frequencies fi are located for which the unit 12 calculates the speed Vj can be different from the interval [1 Hz ; 1000 Hz].
  • the coefficient a can be calculated for a first direction of measurement and the same value of this coefficient a is then used for d other measurement directions angularly offset from the first measurement direction. In this case, for these other measurement directions, operation 104 is not repeated.
  • phase velocity Vj Other mechanical properties than the Young's modulus of the material or the substrate at different depths can be deduced from the phase velocity Vj.
  • the viscosity can also be estimated from the velocity Vj.
  • the method of Figure 3 described for constructing the dispersion curve can be implemented in all non-invasive applications for measuring a physical quantity representative of the mechanical properties of a substrate. Indeed, as explained previously, this process makes it possible to obtain a more precise phase velocity of the fundamental mode.
  • the method of Figure 3 can also be implemented in a non-invasive device for measuring the mechanical properties in depth of a substrate such as a road surface or any multilayer structure.
  • the stimulator 8 and the measurement device 10 are adapted to this substrate.
  • the stimulator 8 is formed of a mass which strikes the surface of the road surface.
  • the device 10 measures, in the case of a road surface, the shear wave over a distance typically greater than 7 mm.
  • the determination of the value of the coefficient a according to the measurements of the measuring device can also be implemented in any other device for measuring the mechanical properties of a material or substrate from a phase velocity profile. of the fundamental mode. Indeed, the calculation of the value of the coefficient a as described above makes it possible to increase the accuracy of the conversion of the dispersion curve into a velocity profile.
  • the measurement method described here makes it possible to measure the phase velocity of the fundamental mode of the shear wave at different depths and not only at the surface. It therefore makes it possible to reveal the mechanical properties of a material or a substrate at different depths under the surface of the material or the substrate and not only on the surface.
  • the device 2 makes it possible to reveal the mechanical properties at different depths while remaining non-invasive, that is to say without the need to incise the material or substrate.

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Abstract

Procédé non-invasif de mesure d'une grandeur physique représentative de l'élasticité d'un matériau, comportant : - la détermination (86) des vitesses de phase du mode fondamental des différentes composantes d'une onde de cisaillement générée à la surface du matériau, le long d'un axe de mesure, l'ensemble des paires, formées chacune par une fréquence f, et la vitesse de phase Vi du mode fondamental déterminée pour cette fréquence fi, formant une courbe de dispersion du mode fondamental dans une direction de mesure parallèle à l'axe de mesure, où l'indice "i" est un numéro d'ordre de la fréquence fi et de la vitesse de phase Vi, et - la transformation (100) de cette courbe de dispersion en un profil de vitesses de phase en fonction de la profondeur, la vitesse de phase à une profondeur donnée étant une grandeur physique représentative de l'élasticité d'un matériau à cette profondeur.

Description

Procédé non-invasif de mesure d’une grandeur physique représentative de l’élasticité d’un matériau
[001 ] L'invention concerne un procédé et un appareil non-invasif de mesure d’une grandeur physique représentative de l’élasticité d’un matériau.
[002] L'invention concerne notamment un procédé et un appareil non-invasif de mesure d’une grandeur physique représentative de l’élasticité d’un matériau ou d’un substrat viscoélastique et/ou déformable.
[003] A titre d’exemple, la mesure des propriétés mécaniques de la peau telles que sont l’élasticité est utile, par exemple, pour aider aux diagnostics de certaines maladies de la peau ou, pour mesurer l’efficacité et les conséquences de certains traitements cosmétiques sur la peau, ou pour mesurer l’élasticité de la peau in-vitro reconstruite par ingénierie tissulaire (bio-printing), ou pour mesurer l’effet d’une stimulation mécanique de la peau in-vitro reconstruite par ingénierie tissulaire (bio- printing).
[004] Un tel procédé connu est par exemple décrit dans l’article suivant : M. Ayadh et Al : "Methods for characterizing the anisotropic behavior of the human skin’s relief and its mechanical properties in vivo linked to age effects", IOP Publishing, Surf. Topogr.: Metrol. Prop. 8 (2020) 014002, 19/03/2020. Par la suite, cet article est désigné par le terme "Ayadh2020".
[005] Ce procédé connu est avantageux en ce qu’il est non-invasif. Il est donc simple à mettre en œuvre sur la peau d’un patient. Ce procédé connu permet de mesurer la vitesse de Rayleigh à la surface de la peau dans différentes directions. La vitesse de Rayleigh est proportionnelle à une vitesse de phase représentative de l'élasticité de la peau.
[006] La peau ainsi que d’autres matériaux viscoélastiques ou déformables peuvent ressembler, par certains aspects, à un substrat multicouche. Le procédé décrit dans Ayadh2020 permet uniquement d’obtenir des informations sur les propriétés mécaniques de la couche superficielle de la peau et notamment l’épiderme. Par-contre, aucune information sur les propriétés mécaniques des couches de la peau situées sous cette couche superficielle ne peut être obtenue à l’aide de ce procédé connu. En particulier, ce procédé connu ne permet pas de mesurer les propriétés mécaniques de sous-couches telles que le derme et l’hypoderme. [007] L’invention vise donc à proposer un procédé de mesure d’une grandeur représentative de l’élasticité d’un matériau qui permet en plus de mesurer une grandeur physique représentative de l’élasticité des sous-couches du matériau.
[008] Elle a donc pour objet un tel procédé non-invasif de mesure d'une grandeur physique représentative de l'élasticité d’un matériau, ce procédé comportant les étapes suivantes : a) la déformation du matériau au niveau d'un point d'impact à l'aide d'un stimulateur pour générer une onde de cisaillement comportant des composantes à des fréquences différentes, ces différentes composantes se propageant à la surface du matériau et provoquant un déplacement de la surface du matériau, b) la mesure, à l'aide d'un dispositif de mesure, du déplacement de la surface du matériau au cours du temps en au moins trois points de mesure alignés les uns derrière les autres le long d'un axe de mesure, dans lequel le procédé comporte également les étapes suivantes : c) la détermination des vitesses de phase du mode fondamental des différentes composantes de l'onde de cisaillement générée, le long de l'axe de mesure, à partir des mesures du dispositif de mesure, l'ensemble des paires, formées chacune par une fréquence fi et la vitesse de phase Vi du mode fondamental déterminée pour cette fréquence fi, formant une courbe de dispersion du mode fondamental dans une direction de mesure parallèle à l'axe de mesure, où l'indice "i" est un numéro d'ordre de la fréquence fi et de la vitesse de phase Vi, et d) la transformation de cette courbe de dispersion en un profil de vitesses de phase en fonction de la profondeur, la vitesse de phase à une profondeur donnée étant une grandeur physique représentative de l'élasticité du matériau à cette profondeur.
[009] Des matériaux ou substrats mesurés incluent des matériaux viscoélastiques et/ou déformables et peuvent comprendre, par exemple, la peau humaine, la peau artificielle, la peau des animaux, y compris la peau des animaux marins telle la peau des poissons, de la peau de légumes ou de fruits. Ces matériaux peuvent également comprendre du cuir synthétique ou végétal, ainsi que certains polymères comme ceux utilisés pour les fantômes d’organes par exemple. Le procédé peut être également implémenté avec des textiles ou encore des revêtements, tels que des revêtements routiers. [0010] Les modes de réalisation de ce procédé peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
1 ) la transformation de la courbe de dispersion en un profil de vitesses de phase dans la direction de mesure comporte les opérations suivantes : o1 ) convertir chaque fréquence fi de la courbe de dispersion, en une longueur d'onde Àj correspondante à l'aide de la relation suivante : Ài = Vj/fj, puis o2) calculer la valeur d'un coefficient a pour cette direction de mesure à l'aide de la relation suivante : a = Zmax/ Àmax, où :
- Zmax est égal à la moitié de la distance qui sépare les deux points de mesure les plus éloignés l'un de l'autre le long de l'axe de mesure, et
Àmax est la plus grande des longueurs d'onde Ài obtenue à l'issue de l'exécution de l'opération o1 ) pour cette direction de mesure, o3) convertir chaque longueur d'onde Ài obtenue à l'issue de l'opération o1 ) en une profondeur pi correspondante à l'aide de la relation suivante : pi = aÀj, où a est le coefficient calculé lors de l'opération o2).
2) le procédé comporte l'exécution des étapes a), b), c) et d) pour au moins un premier et un second axes de mesure décalés angulairement l'un par rapport l'autre, ces premier et second axes de mesure passant par le même point d'impact.
3) l'étape c) de détermination des vitesses de phase du mode fondamental comporte la réitération des opérations suivantes pour plusieurs fréquences fi différentes, :
- pour chaque point de mesure :
- le filtrage, à l'aide d'un filtre passe-bande centré sur la fréquence fi et dont la bande passante à -3dB est comprise entre les fréquences fn et fj+i , du signal u(x,t), mesuré au niveau du point de mesure de coordonnée x le long de l'axe de mesure par le dispositif de mesure, pour obtenir un signal filtré Uj(x, t),
- l'identification d'un instant tj,m(x) auquel le signal filtré Uj(x,t) passe par son minimum absolu, puis
- le calcul de la vitesse Vi de propagation de ce minimum le long de l'axe de mesure à partir des instants tj,m(x) et des positions x auxquels ce minimum se produit, la vitesse Vi ainsi calculée étant la vitesse de phase du mode fondamental à cette fréquence fi.
4) l'étape c) comporte : - une opération d'identification automatique, parmi l'ensemble des fréquences fi, d'une fréquence minimale fmin en dessous de laquelle les fréquences fi ne vérifient plus la condition (1 ) suivante :
[MATH 1 ] où :
- pi,i et pi.o sont les coefficients de la droite, déterminée par la méthode des moindres carrés, approchant au mieux les points de coordonnées (x; tj,m(x)),
- xp est égal à la position x du p-ième point de mesure compté à partir du premier point de mesure le plus proche du point d'impact,
- Pmax est égal au nombre de points de mesure répartis le long de l'axe de mesure,
- errmax est une constante prédéterminée,
- ensuite seule les fréquences fi supérieures ou égales à cette fréquence fmin sont retenues pour former la courbe de dispersion.
5) l'étape c) comporte :
- une opération d'identification automatique, parmi l'ensemble des fréquences fi, d'une fréquence maximale fmax au-dessus de laquelle les fréquences fi ne vérifient plus la condition (1 ), cette opération d'identification automatique de la fréquence fmax étant réalisée en testant cette condition (1 ) pour plusieurs fréquences fi, ensuite
- seule les fréquences fi inférieures ou égales à cette fréquence fmax sont retenues pour former la courbe de dispersion.
6) toutes les fréquences fi sont comprises entre 1 Hz et 3000 Hz.
[0011 ] L’invention a également pour objet un appareil non-invasif de mesure d’une grandeur physique représentative de l’élasticité d’un matériau, pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus, cet appareil comportant :
- un stimulateur apte à déformer le matériau au niveau d'un point d'impact pour générer une onde de cisaillement comportant des composantes à des fréquences différentes, ces différentes composantes se propageant à la surface du matériau et provoquant un déplacement de la surface du matériau, - un dispositif de mesure apte à mesurer le déplacement de la surface du matériau au cours du temps en au moins trois points de mesure alignés les uns derrière les autres le long d'un axe de mesure, dans lequel l'appareil comporte une unité de traitement apte :
- à déterminer les vitesses de phase du mode fondamental des différentes composantes de l'onde de cisaillement générée, le long de l'axe de mesure, à partir des mesures du dispositif de mesure, l'ensemble des paires, formées chacune par une fréquence fi et la vitesse de phase Vi du mode fondamental déterminée pour cette fréquence fi, formant une courbe de dispersion du mode fondamental dans une direction de mesure parallèle à l'axe de mesure, où l'indice "i" est un numéro d'ordre de la fréquence fi et de la vitesse de phase Vi, et
- à transformer cette courbe de dispersion en un profil de vitesses de phase en fonction de la profondeur, la vitesse de phase à une profondeur donnée étant une grandeur physique représentative de l'élasticité du matériau à cette profondeur.
[0012] Les modes de réalisation de cet appareil peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
1 )
- le dispositif de mesure comporte un réseau de capteurs apte chacun à mesurer l'amplitude de la déformation de la surface du matériau en un point de mesure respectif, ce réseau comportant au moins trois capteurs qui mesurent chacun le déplacement de la surface du matériau en trois points de mesure respectifs alignés les uns derrière les autres le long d'un axe de mesure, et
- l'appareil comporte un bras articulé sur lequel est monté le réseau de capteurs, ce bras articulé étant apte à faire tourner le réseau de capteurs d'un angle prédéterminé autour d'un axe de rotation, pour aligner l'axe de mesure du réseau de capteur sur un premier axe de mesure et, en alternance, sur un second axe de mesure décalé angulairement par rapport au premier axe de mesure.
2)
- le réseau de capteurs comporte :
- une ligne de capteurs optiques qui captent la lumière réfléchie par chaque point de mesure, et
- un microprocesseur configuré pour déterminer le déplacement de la surface du matériau au niveau de chaque point de mesure éclairé à partir de la lumière réfléchie captée par la ligne de capteurs optiques, - le dispositif de mesure comporte un émetteur d'un faisceau lumineux qui éclaire chaque point de mesure aligné le long de l'axe de mesure.
3) le stimulateur est apte à projeter sur la surface du matériau un jet de fluide qui provoque la déformation du matériau au niveau du point d'impact.
[0013] Le procédé et l’appareil de mesure selon l’invention peuvent être mis en œuvre dans une variété d’applications, dans des domaines variés comme la santé, l’industrie pharmaceutique, la cosmétique, le contrôle qualité, etc.
[0014] Des mesures peuvent notamment être effectuées sur tout type de tissus mous, in vivo ou prélevés par exemple par biopsie. Selon des exemples, diverses pathologies peuvent être suivies et analysées. Des analyses de tumeurs cutanées peuvent être effectuées in vivo ou après prélèvement de tissus. Des pathologies du collagène, comme la sclérodermie ou l’ostéogenèse imparfaite, peuvent être analysées. Aussi, la cicatrisation de plaies, incluant des plaies chroniques, peut être suivie. Selon d’autres exemples, le procédé et l’appareil selon l’invention peuvent être mis en œuvre dans l’étude de l’effet de produits cosmétiques, notamment en observant la stimulation des fibres de collagène après application sur la peau de produits anti-âge.
[0015] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique de l’architecture d’un appareil de mesure d’une grandeur physique représentative de l’élasticité d’un matériau ;
- la figure 2 est une illustration schématique d’un stimulateur et d’un dispositif de mesure de l’appareil de la figure 1 ;
- la figure 3 est un organigramme d’un procédé de mesure d’une grandeur physique représentative de l’élasticité d’un matériau à l’aide de l’appareil de la figure 1 ;
- la figure 4 est un graphe en trois dimensions illustrant des mesures de déplacement acquises par l’appareil de figure 2 :
- la figure 5 est un graphe illustrant le calcul de la vitesse de déplacement d’une onde de cisaillement ;
- la figure 6 est un graphe en trois dimensions illustrant, pour une composante fréquentielle, des mesures de déplacement acquises par l’appareil de la figure 2 ;
- la figure 7 est un graphe illustrant la détermination d’une vitesse de phase de la composante fréquentielle de la figure 6 ; - la figure 8 est un graphe illustrant l’amortissement de la composante fréquentielle de la figure 6 ;
- la figure 9 est un graphe représentant une courbe de dispersion déterminée à l’aide de l’appareil de la figure 1 ;
- la figure 10 est un graphe illustrant un profil de vitesses de phase déterminé à l’aide de l’appareil de la figure 1 ;
- la figure 11 est un graphe illustrant une tomographie construite par l’appareil de la figure 2 ;
- la figure 12 est un graphe illustrant l’amortissement de la composante fréquentielle de la figure 6 en fonction de la profondeur ;
- la figure 13 est un graphe illustrant, sur une même représentation graphique, les vitesses de phase mesurées à l’aide du procédé de la figure 3 et celles déterminées à l’aide d’un autre procédé connu de détermination de vitesses de phase.
[0016] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l’homme du métier ne sont pas décrites en détail.
[0017] Dans cette description, un exemple détaillé de mode de réalisation est d’abord décrit dans un chapitre I en référence aux figures. Ensuite, dans un chapitre II, des variantes de ce mode de réalisation sont présentées. Enfin, les avantages des différents modes de réalisation sont présentés dans un chapitre III.
[0018] Chapitre I : Exemple de mode de réalisation
[0019] Dans l’exemple de réalisation décrit par la suite, le matériau mesuré est la peau humaine. Bien entendu, l’appareil et le procédé tels que décrits peuvent être mis en œuvre pour mesurer d’autres matériaux.
[0020] La figure 1 représente un appareil 2 non-invasif de mesure d’une grande physique représentative de l'élasticité de la peau. L’appareil 2 comporte :
- un bras articulé 4,
- un stimulateur 8 et un dispositif 10 de mesure, fixés sur une extrémité distale du bras 4, et
- une unité 12 de traitement informatique raccordée au stimulateur 8 et au dispositif 10 de mesure.
[0021 ] Une extrémité proximale du bras 4 est fixée sans aucun degré de liberté sur un support fixe 14. Le bras 4 comporte plusieurs articulations 20 qui permettent de déplacer à la fois le stimulateur 8 et le dispositif 10 de mesure simultanément en rotation autour d’un axe 22 de projection. Sur la figure 1 , l’axe 22 est vertical. Ici, les articulations 20 permettent de déplacer le stimulateur 8 et le dispositif 10 de mesure par rapport au support 14 avec six degrés de liberté.
[0022] Une fois que le bras 4 a été déformé pour placer le stimulateur 8 et le dispositif 10 de mesure dans la position souhaitée, le bras 4 maintient ce stimulateur 8 et ce dispositif 10 immobiles dans cette position. Les articulations 20 sont, par exemple, actionnées manuellement par un utilisateur ou actionnées par des moteurs électriques. Le bras 4 sert aussi de support pour des conducteurs électriques qui raccordent le stimulateur s et le dispositif 10 de mesure à l’unité 12 de traitement.
[0023] Le stimulateur 8 déforme la peau d’un être humain au niveau d’un point d’impact lorsqu'il est actionné. Le point d'impact est situé à l’intersection de l’axe 22 de projection et de la surface de la peau. La déformation de la peau produite par le stimulateur 8 est telle qu’elle génère une onde de cisaillement qui se propage ensuite le long de la surface de la peau. Cette onde de cisaillement comporte des composantes fréquentielles à plusieurs fréquences différentes. Typiquement, dans le cas de la peau humaine, les fréquences de ces composantes se situent entre 1 Hz et 3000 Hz et, habituellement, entre 1 Hz et 1000 Hz.
[0024] Le dispositif 10 mesure la déformation de la surface de la peau, causée par l’onde de cisaillement, en plusieurs points de mesure alignés les uns derrière les autres le long d’un axe de mesure. Cet axe de mesure s'étend parallèlement à une direction appelée "direction de mesure" dans ce texte. Typiquement, le dispositif 10 comporte plus de trois, dix ou cent points de mesure. Ici, le dispositif 10 comporte 400 points de mesure. Par la suite, la position d’un point de mesure le long de l’axe de mesure est repérée par son abscisse x, par exemple exprimée en mm ou en pm, mesurée à partir d’une origine O. Ici, l’axe de mesure et l’axe 22 de projection se coupent sensiblement à angle droit. L’origine O est prise égale au point d’intersection de ces deux axes.
[0025] La distance entre le point de mesure le plus proche du point d’impact et le point de mesure le plus éloigné du point d’impact est notée Lmax. Ici, à titre d’illustration, la distance Lmax est égale à 7 mm. Dans ce mode de réalisation, les points de mesure sont uniformément repartis le long de l’axe de mesure. La distance entre deux points de mesure consécutifs est donc égale ici à 17,5 pm. [0026] L’unité 12 de traitement est raccordée au dispositif 10 pour acquérir les mesures de ce dispositif. Plus précisément, l’unité 12 acquiert au cours du temps, avec une fréquence d’échantillonnage fe, le déplacement mesuré en chacun des points de mesure. Par la suite, le déplacement mesuré au niveau d’un point de mesure d’abscisse x à l’instant t est noté u(x, t). Par exemple, ici, la fréquence fe est égale à 8 kHz.
[0027] L’unité 12 est capable de traiter les signaux u(x, t) ainsi acquis pour en extraire une grandeur physique représentative de l'élasticité de la peau à différentes profondeurs. À cet effet, l’unité 12 comporte une unité centrale 30 et une interface machine 32. L’unité centrale 30 comporte :
- une mémoire 34 comportant des instructions pour exécuter le procédé de la figure 3, et
- un microprocesseur 36 programmable apte à exécuter les instructions enregistrées dans la mémoire 34.
[0028] L’interface 32 permet d’afficher la grandeur physique mesurée représentative de l'élasticité de la peau. Typiquement, à cet effet, l’interface 32 comporte un écran 38. Ici, l’interface 32 comporte aussi un clavier 40 pour, par exemple, acquérir une commande de déclenchement de l’exécution du procédé de mesure de la figure 3.
[0029] La figure 2 représente plus en détail le stimulateur 8 et le dispositif 10 de mesure. Sur la figure 2, la peau est schématiquement représentée sous la référence 46 et la surface de la peau 46 porte la référence 48. Sur cette figure, la surface 48 est représentée sous une forme déformée après avoir subi un impact appliqué par le stimulateur 8. Le point d’impact sur la surface de la peau porte la référence 49.
[0030] Pour créer l’onde de cisaillement qui se propage à la surface de la peau, le stimulateur 8 utilise, dans ce mode de réalisation, un jet d’air qui vient percuter la peau au niveau du point d’impact 49. À cet effet, le stimulateur 8 comporte :
- un réservoir 50 d’air sous pression,
- un détendeur 52 fluidiquement raccordé au réservoir 50,
- une électrovanne commandable 54, et
- une buse 56 fluidiquement raccordée à une sortie de l’électrovanne 54.
[0031 ] Par exemple, la pression d’air contenue dans le réservoir 50 est supérieure à 0,6 ou 0,8 MPa. Ici, le détendeur 52 abaisse la pression d’air. Par exemple, la pression de l’air en sortie du détendeur 52 est comprise entre 0,1 MPa et 0,6 MPa ou entre 0,1 et 0,4 MPa. [0032] L’électrovanne 56 est déplaçable entre une position ouverte et une position fermée et vice versa sous la commande de l’unité 12. Dans la position fermée, l’électrovanne 54 empêche l’air de s’échapper du réservoir 50. Dans la position ouverte, au contraire, l’électrovanne 54 autorise l’air à s’échapper du réservoir 50. L’air qui s’échappe du réservoir 50 est alors guidé par la buse 56 pour former un jet d’air le long de l’axe 22 qui vient percuter la surface 48 de la peau 46 au niveau du point d’impact 49.
[0033] L’électrovanne 54 permet de régler la durée du jet d’air projeté sur la surface 48. Typiquement, la durée du jet d’air est inférieure à 20 ms ou 10 ms. Ici, la durée du jet d’air est comprise entre 5 ms et 10 ms.
[0034] Au moins une partie de la buse 56 s’étend le long de l’axe 22 pour diriger le jet d’air le long de cet axe. L’extrémité de la buse 56, en vis-à-vis de la surface 48, est mécaniquement séparée de cette surface, de sorte qu’il n’existe aucun contact mécanique direct entre l’appareil 2 et la surface 48 lors de son utilisation.
[0035] Le dispositif 10 de mesure est un dispositif optique de mesure. Dans ce mode de réalisation, il comporte à cet effet :
- un émetteur 60 d’un faisceau lumineux qui éclaire chaque point de mesure,
- une ligne 62 de capteurs optiques qui captent la lumière réfléchie par chacun des points de mesure, et
- un microprocesseur 64 programmé pour déterminer le déplacement de la surface 48 au niveau de chacun des points de mesure à partir de la lumière réfléchie captée par chacun des capteurs optiques.
[0036] Ici, le dispositif 10 est positionné par rapport au stimulateur 8 de sorte que le point de mesure le plus proche du point d’impact 49 soit séparé de ce point d’impact par une distance supérieure à 0,5 mm ou 0,8 mm et, typiquement, inférieure à 5 mm. De préférence, la distance entre le point de mesure le plus proche du point d'impact et ce point d'impact est comprise entre 0,7 mm et 1 ,3 mm ou entre 0,9 mm et 1 ,1 mm. Ici, cette distance est égale à 1 mm.
[0037] De tels dispositifs de mesure sont connus et commercialisés. Par exemple, dans ce mode de réalisation, le dispositif 10 est celui commercialisé par la société KEYENCE® sous la référence LJ-V 7020. Dans ce cas, l’émetteur 60 est une source laser qui émet un faisceau lumineux monochromatique et collimaté. Ainsi, le dispositif 10 n’est pas décrit plus en détail par la suite. [0038] Le fonctionnement de l’appareil 2 va maintenant être décrit à l’aide de la figure 3 et en référence aux graphes des figures 4 à 13.
[0039] Lors d’une étape initiale 68, le bras 4 est déformé pour placer le stimulateur 8 et le dispositif 10 de mesure à proximité d’une partie du corps humain recouverte de la peau à étudier. L’appareil 2 permet d’étudier n’importe quelle partie du corps humain. Par exemple, les résultats expérimentaux présentés sur les figures 4 à 13 ont été obtenus sur l’avant-bras d’un être humain. Typiquement, le stimulateur 8 et le dispositif 10 sont placés par rapport à la surface 48 de la peau de manière à ce que l’axe 22 de projection fasse un angle compris entre 75° et 110°, et de préférence entre 80° et 100°, par rapport à la direction normale à la peau au niveau du point d’impact 49.
[0040] L’extrémité inférieure de la buse 56, tournée vers la surface 48, est séparée du point d’impact 49 par une distance supérieure à 1 mm ou 2 mm ou 5 mm, et généralement inférieure à 20 mm.
[0041 ] Une fois l’appareil 2 correctement positionné par rapport à la peau 46, il est procédé à une phase 70 d’acquisition des signaux u(x, t).
[0042] Plus précisément, une fois que le stimulateur 8 et le dispositif 10 sont correctement positionnés par rapport à la surface 48, lors d’une étape 72, l’unité 12 commande le stimulateur 8 pour provoquer l’émission d’un jet d’air et déformer la peau. Ici, l’unité 12 commande l’électrovanne 54 pour générer ce jet d’air. Ce jet d’air percute alors la peau au niveau du point d’impact 49. Cela provoque une brève déformation de la surface 48 au niveau de ce point d’impact 49. Cette déformation de la surface 48 génère à son tour une onde de cisaillement qui se propage le long de la surface 48 dans toutes les directions, et donc notamment le long de l’axe de mesure du dispositif 10.
[0043] Lors d’une étape 74, le dispositif 10 mesure, en chacun des points de mesure, le déplacement de la surface 48 causé par l’onde de cisaillement qui se propage à la surface de la peau.
[0044] En parallèle, lors d’une étape 76, à chaque instant d’échantillonnage et pour chaque point de mesure, l’unité 12 acquiert la mesure du dispositif 10. Ainsi, l’unité 12 acquiert chacun des signaux u(x, t).
[0045] La figure 4 représente sur un graphe en trois dimensions un exemple des signaux u(x, t) acquis. Dans ce graphe :
- l’axe horizontal représente le temps en millisecondes, - l’axe vertical représente l’amplitude, en millimètres, du déplacement de la surface 48, et
-l’axe des profondeurs représente, en pm, la position x du point de mesure le long de l’axe de mesure.
[0046] Une fois les différents signaux u(x, t) acquis, la phase 70 d’acquisition se termine et une phase 80 de traitement des signaux u(x, t) débute. La phase 80 est réalisée par l’unité 12.
[0047] Lors d’une étape 82, pour chaque signal u(x, t), l’unité 12 recherche et identifie l’instant tmin(x) auquel le signal u(x, t) passe pas son minimum absolu.
[0048] Ensuite, lors d’une étape 84, l’unité 12 détermine l’équation de la droite D qui approche au mieux le nuage de points formé par les points de coordonnées (x ; tmin(x)). L’équation de la droite est la suivante : t = p-ix + po. Les coefficients pi et o sont ceux obtenus en mettant en œuvre la méthode des moindres carrés.
[0049] La figure 5 représente le nuage de points formé par les points de coordonnées (x ; tmin(x)) et la droite D obtenue par la méthode des moindres carrés.
[0050] L’onde de cisaillement qui se propage dans la peau 46 est une onde dispersive, c’est-à-dire que sa vitesse de phase dépend de la fréquence. La vitesse de phase n'est donc pas la même pour chaque composante fréquentielle de cette onde de cisaillement. Par vitesse de phase, on désigne ici, en absence d’indication contraire, la vitesse de phase du mode fondamental de l’onde de cisaillement. Le mode fondamental correspond au mode pour lequel l’amplitude du déplacement de la surface 48 est maximale. Cette vitesse de phase est notée Vi pour la fréquence fi, où l’indice i est un numéro d’ordre identifiant la fréquence fi. Ici, les fréquences sont classées de la plus petite fréquence, notée fi, à la plus grande fréquence notée fpmax. [0051 ] Dans le cas de la peau, il a été observé que les différentes composantes fréquentielles qui se propagent dans la peau 46 sont typiquement comprises entre 1 Hz et 3000 Hz et, le plus souvent, entre 1 Hz et 1000 Hz ou entre 1 Hz et 500 Hz ou entre 1 Hz et 400 Hz. A titre d'illustration, ici, les fréquences fi sont choisies dans cet intervalle allant de 1 Hz à 1000 Hz.
[0052] La plus petite fréquence, notée fmin, pour laquelle il existe une vitesse de phase a une importance particulière. Il a été observé que cette plus petite fréquence fmin est généralement comprise entre 1 Hz et 10 Hz. Ainsi, dans ce procédé, le pas d’échantillonnage des fréquences fi dans l’intervalle [1 Hz ; 10 Hz] est choisi petit, c’est-à-dire ici inférieur à 2 Hz ou 1 Hz. À l’inverse, dans l’intervalle [10 Hz, 1000 Hz], le pas d’échantillonnage des fréquences fi est choisi plus grand. Par exemple, dans cet intervalle [10 Hz ; 1000 Hz], le pas d’échantillon est supérieur à 5 Hz ou 10 Hz ou 20 Hz. Ainsi, les fréquences fi sont séparées les unes des autres par un pas de 1 Hz dans l’intervalle [1 Hz ; 10 Hz] alors qu’elles sont séparées les unes des autres par un pas supérieur à 5 Hz ou 10 Hz dans l’intervalle [10 Hz ; 1000 Hz],
[0053] Lors d’une étape 86, l’unité 12 détermine, pour chaque fréquence fi choisie, si elle existe, la vitesse de phase Vi correspondante.
[0054] Pour cela, lors d’une opération 88, l’unité 12 filtre, à l’aide d’un filtre passe- bande centré sur la fréquence fi, chaque signale u(x, t). Le signal u(x, t) filtré à la fréquence fi est noté par la suite Ui(x, t). La bande passante à - 3 dB de ce filtre passe- bande est comprise entre les fréquences fj-i et fj+i . Typiquement, cette bande passante est inférieure à 20 Hz ou 10 Hz pour les fréquences fi comprises dans l'intervalle [10 Hz; 1000 Hz] et inférieure à 2 Hz pour les fréquences fi comprises dans l'intervalle [1 Hz; 10 Hz],
[0055] La figure 6 représente différents signaux Ui(x, t) obtenus en filtrant, à la fréquence de 20 Hz, les signaux u(x, t) de la figure 4. Ce graphe est identique au graphe de la figure 4 sauf qu’il représente les signaux Ui(x, t) et non pas les signaux u(x, t).
[0056] Lors d’une opération 90, l’unité 12 recherche et identifie, pour chaque signal Ui(x, t), l’instant tj,m(x) où ce signal passe par son minimum absolu. Pour cela, si l’instant tu ,m(x) ou tj+i ,m(x) a déjà été identifié pour, respectivement, la fréquence fj-i ou la fréquence fj+i , l’unité 12 recherche l’instant tj,m(x), en priorité, dans un intervalle de temps centré sur cet instant tu ,m(x) ou tj+i ,m(x).
[0057] Si aucun instant tj-i,m(x) ou tj+i,m(x) n’a précédemment été identifié, alors l’instant tj,m(x) est recherché dans un intervalle de temps centré sur l’instant tmin(x) identifié lors de l’étape 82.
[0058] Lors d’une opération 92, l’unité 12 calcule la vitesse de phase Vi pour la fréquence fi à partir des signaux Ui(x, t). Pour cela, l’unité 12 détermine l’équation de la droite Di qui approche au mieux le nuage de points formé par les points de coordonnées (x ; tj,m(x)). L’équation de la droite Di est la suivante : tj,e(x) = ps.ix + pi.o. Les coefficients p et pi.o sont obtenus en mettant en œuvre la méthode des moindres carrés comme décrit pour l’étape 84.
[0059] La figure 7 représente le nuage de points de coordonnées (x, tj,m(x)) ainsi que la droite Di. [0060] Une fois que l’équation de la droite Di est déterminée, l’unité 12 estime aussi l’erreur d’approximation, c’est-à-dire l’écart qui existe entre les points de coordonnées (x ; tj,m(x)) et les points de coordonnées (x ; tj,e(x)) qui ont les mêmes abscisses et qui se trouvent sur la droite Di.
[0061 ] Si cette erreur dépasse un seuil prédéterminé errmax, alors il est considéré qu’il n’existe pas de vitesse de phase pour la fréquence fi car l’énergie de la composante fréquentielle de fréquence fi de l’onde de cisaillement est négligeable. Ici, par exemple, l’erreur d’approximation est estimée à l’aide de la relation (1 ) suivante :
[MATH 2] où :
- pi,i et pi.o sont les coefficients de la droite Di,
- xp est égal à la position x du p-ième point de mesure compté à partir du premier point de mesure le plus proche du point d'impact,
- Pmax est égal au nombre de points de mesure répartis le long de l'axe de mesure,
- errmax est une constante prédéterminée.
[0062] Si cette erreur d’approximation est inférieure ou égale au seuil errmax, alors la vitesse de phase Vi est prise égale à 1/pi,i. La vitesse de phase ainsi obtenue est la vitesse de phase du mode fondamental à la fréquence fi. En effet, elle est seulement obtenue à partir des minimums des signaux Ui(x, t), c’est-à-dire à partir des points où l’amplitude du déplacement est maximale.
[0063] Lors d’une opération 94, l’unité 12 détermine aussi l’atténuation A(x) de la composante fréquentielle à la fréquence fi. Ici, l’atténuation A(x) est prise égale à l’amplitude du minimum du signal Ui(x, t) identifié lors de l’opération 90. Ainsi, dans ce mode de réalisation, l’atténuation A(x) est égale à Ui(x ; tj,m(x)).
[0064] La figure 8 représente l’évolution de l’atténuation A(x) en fonction de la position x pour les signaux Uj(x, t) de la figure 4.
[0065] Les opérations 88 à 94 sont réitérées pour chacune des fréquences fi. Par la suite, on note fmin et fmax, respectivement, la plus petite et la plus grande des fréquences fi pour lesquelles une vitesse de phase Vi a été déterminée. La courbe formée par l’ensemble des points de coordonnées (V ; fi) est appelée courbe de dispersion. La figure 9 représente la courbe de dispersion obtenue à partir des signaux u(x,t) de la figure 4.
[0066] Plus la longueur d’onde Ài d’une composante fréquentielle de l’onde de cisaillement est grande, plus cette composante fréquentielle se propage en profondeur sous la surface 48 de la peau 46. Ainsi, la vitesse Vi d’une composante fréquentielle de longueur d’onde Ài représente les propriétés mécaniques de la peau à une profondeur pi. À ce stade, il est rappelé que la vitesse de phase Vi est reliée aux propriétés mécaniques de la peau 46 par la relation suivante : V =(Ej/(2pj(1 +Vj)))° 5, où :
- Ei est le module de Young de la peau à la profondeur pi,
- pi est la densité volumique de la peau à la profondeur pi, et
- Vi est le coefficient de poisson de la peau à la profondeur pi.
[0067] Ainsi, si l’on considère que la densité volumique pi et le coefficient Vi sont des constantes connues, la vitesse V est directement représentative du module de Young Ei à la profondeur pi. Ainsi, la vitesse V est représentative de l’élasticité de la peau à la profondeur pi.
[0068] Dès lors, le profil des vitesses V en fonction de la profondeur pi correspond à une vue en coupe, le long de l’axe de mesure, des propriétés mécaniques de la peau. [0069] Lors d’une étape 100, l’unité 12 transforme la courbe de dispersion en un profil de vitesses en fonction de la profondeur pi.
[0070] Pour cela, lors d’une opération 102, l’unité 12 convertit chaque fréquence fi en une longueur d’onde Ài correspondante. A cet effet, l’unité 12 utilise la relation (2) suivante : Ài = Vj/fi.
[0071 ] Ensuite, lors d’une opération 104, l’unité 12 calcule la valeur d’un coefficient a qui permet de convertir chaque longueur d’onde Ài en une profondeur pi correspondante. Ici, la profondeur pi est la distance qui sépare un point, enfoui sous la peau, de la surface 48 de la peau. Ce coefficient a relie chaque longueur d’onde Ài à la profondeur pi correspondante selon la relation (3) suivante : pi = aÀi.
[0072] Ce coefficient a est une constante pour un axe de mesure donné. Par contre, dans le cas de matériaux viscoélastiques anisotropes comme la peau, le coefficient a varie en fonction de la direction de mesure. Autrement dit, le coefficient a dépend de la direction dans laquelle les mesures sont faites.
[0073] Ici, le coefficient a est calculé par l’unité 12 à l’aide de la relation (4) suivante : O = Zmax/Àmax, OÙ : - Zmax est égal la moitié de la distance Lmax, et
- Àmax est la plus grande des longueurs d’onde Ài obtenues à l’issue de l’opération 102. [0074] Une fois la valeur du coefficient a calculée, lors d'une opération 106, l’unité 12 convertit chaque longueur d’onde Ài en une profondeur pi à l’aide de la relation (3) ci- dessus. Ainsi, une fréquence fi correspond à une longueur d'onde Ài qui elle-même correspond à une profondeur pi. En remplaçant dans chaque point de coordonnées (Vi ; fi), la fréquence fi par la profondeur correspondante pi, le profil de vitesses mesuré par l’appareil 2 est obtenu. Un exemple d’un tel profil de vitesses est représenté sur la figure 10.
[0075] Ici, l’étape 68 et les phases 70 et 80 sont réitérées plusieurs fois en faisant tourner à chaque fois l’axe de mesure d’un angle prédéterminé autour de l’axe 22. Pour cela, lors de chaque nouvelle itération de l’étape 68, le bras 4 est déformé de manière à faire tourner sur eux-mêmes le stimulateur 8 et le dispositif 10 de mesure. Cette rotation ne modifie pas la position de l’axe 22 de projection, et donc la position du point d’impact 49. Par exemple, lors de chaque nouvelle itération de l’étape 68, l’axe de mesure est décalé angulairement par rapport à sa précédente position d’au moins 1 ° ou 5°, et par exemple de 10° ou 20°.
[0076] Lors de chaque nouvelle itération de la phase 80 de traitement des données acquises, l’étape 100 est de nouveau exécutée. En effet, comme expliqué précédemment, la valeur du coefficient a dépend fortement de la direction de l’axe de mesure dans le cas de la peau humaine.
[0077] Enfin, lors d’une étape 110, les propriétés mécaniques de la peau en fonction de la profondeur pi sont affichées sur l’écran 38. Différentes représentations graphiques sont possibles. Par exemple, le profil de vitesses, tel que celui représenté sur la figure 10, est affiché sur l’écran 38. Toutefois, de préférence, les différents profils de vitesses obtenus pour différentes directions de mesure sont simultanément affichés sur un même graphe pour former une tomographie de la peau 46 au niveau du point d’impact 49. Une telle tomographie est représentée sur la figure 11. Dans cette tomographie, l’axe des ordonnées représente la profondeur pi. L’axe 22 correspond à l’axe de projection de l’appareil 2. Différents plans de mesures P à Pie sont représentés. Ces plans Ph à Pie sont décalés angulairement les uns par rapport aux autres. Ici, chacun de ces plans de mesure contient l’axe 22 et s’étend parallèlement à une direction de mesure respective. Chaque plan de mesure contient le profil de vitesses mesuré le long de l’axe de mesure parallèle à cette direction de mesure respective. Les axes des abscisses représentent donc les coordonnées VjX et Vjy de la vitesse Vi mesurée.
[0078] La figure 12 représente l’atténuation Ai(x) en fonction de la profondeur. Plus précisément, l’axe des abscisses représente la position x du point de mesure. L’axe des ordonnées représente la profondeur pi en millimètre. La couleur de chaque point de coordonnées (x ; p) code l’atténuation de la vitesse Vi pour cette profondeur p et cette abscisse x. Pour cela, la profondeur est transformée en une longueur d’onde Ài correspondante à l’aide de la relation (3), puis la longueur d’onde Ài ainsi obtenue est transformée en une fréquence fi correspondante à l’aide de la relation (2). Lors de l’étape 94, l’atténuation Ai(x) en fonction de la position x a été relevée pour toutes les fréquences fi, et donc pour la fréquence fi particulière correspondant à cette profondeur p. Ceci a été illustré sur le graphe de la figure 8. Sur le graphe de la figure 8, l’atténuation A(x) correspondant à l’abscisse x est relevée. C’est la valeur de cette atténuation A(x) relevée qui est codée par une couleur particulière au niveau du point de coordonnées (x ; p) dans le graphe de la figure 12.
[0079] Les différentes vitesses de phase V peuvent être déterminées, à partir des signaux u(x, t), par d’autres méthodes, comme par exemple la méthode connue sous l’acronyme MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves). La méthode MASW permet de déterminer, pour chaque fréquence fi, la vitesse V du mode fondamental ainsi que les vitesses de phase des modes d’ordre supérieur à l’ordre du mode fondamental.
[0080] La figure 13 représente sur un même graphique la vitesse de phase V déterminée par le procédé de la figure 3 et les différentes vitesses de phase déterminées par la méthode MASW. L’axe des abscisses représente la fréquence fi, l’axe des ordonnées représente l’amplitude de la vitesse de phase déterminée. Les vitesses V déterminées par le procédé de la figure 3 sont représentées par une courbe en pointillés 120.
[0081 ] Les vitesses de phase pour une fréquence fi donnée telle que déterminée par la méthode MASW sont codées par une couleur d'autant plus sombre que l’amplitude de cette vitesse de phase est grande. Pour une même fréquence fi, la méthode MASW détermine plusieurs vitesses de phase correspondant, respectivement, au mode fondamental et aux autres modes d’ordre supérieur. Parmi ces différentes vitesses de phase déterminées, celle qui a l’amplitude la plus importante correspond à la vitesse de phase du mode fondamental. Comme le montre ce graphe, dans la plupart des cas, la vitesse Vi déterminée par le procédé de la figure 3 passe à l’emplacement le plus sombre du graphe de la figure 13. Cela indique que les vitesses de phase du mode fondamental déterminées par les deux méthodes différentes coïncident.
[0082] Par contre, il existe des zones, entourées par des ellipses sur le graphe de la figure 13 ou ce n’est pas le cas. Cette situation se rencontre en particulier pour les fréquences élevées, c’est-à-dire ici les fréquences supérieures à 240 Hz, mais aussi pour quelques fréquences plus basses. Dans ces zones, la vitesse de phase du mode fondamental, telle que déterminée par la méthode MASW, chute brusquement avant de remonter tout aussi brusquement. Par la suite, ces brusques chutes de la vitesse de phase du mode fondamental sont appelées "sauts de phase". Un tel saut de phase est entouré par un cercle au voisinage de 90 Hz sur la figure 13. À l’inverse, le procédé de la figure 13 ne produit pas de tels sauts de phase. De plus, le procédé de la figure 13 permet de déterminer la vitesse de phase du mode fondamental pour des fréquences bien plus élevées que ce qui est possible en mettant en œuvre la méthode MASW. À cause de cela, le procédé de la figure 13 est considéré comme étant plus précis que les méthodes connues.
[0083] Chapitre : Variantes
[0084] Variantes du dispositif de mesure :
[0085] Dans une variante particulière, le dispositif est apte à mesurer, simultanément et long de plusieurs axes de mesure décalés angulairement les uns par rapport aux autres, le déplacement de la surface de la peau ou d’un autre matériau. Ainsi, avec un tel dispositif de mesure, il n’est pas nécessaire de le faire tourner autour de l’axe 22 de projection ou le nombre de rotations à réaliser est plus petit. Par exemple, pour cela, un tel dispositif de mesure comporte un réseau de capteurs optiques pour chaque axe de mesure.
[0086] Dans un autre mode de réalisation, l’axe de mesure ne passe pas par le point d’impact 49 mais à côté de ce point d’impact.
[0087] Le dispositif 10 peut aussi être réalisé à l'aide d'une caméra qui acquière des images de la surface 48 à une fréquence élevée.
[0088] D’autres modes de réalisation du stimulateur 8 sont possibles. Par exemple, dans une variante, le jet d’air est remplacé par un jet d’un autre gaz, comme par exemple du dioxyde de carbone, ou par un jet de liquide comme de l’eau. [0089] Le stimulateur n’émet pas nécessairement un jet de fluide pour générer l’onde de cisaillement à la surface du matériau, ou substrat, à mesurer. Une telle onde de cisaillement peut également être générée par un stimulateur qui vient directement toucher le matériau à l’aide d’un ustensile. Par exemple, le stimulateur peut être un marteau qui vient heurter le matériau au niveau du point d’impact 49. Il peut aussi s’agir d’un projectile tel qu’une bille en caoutchouc ou similaire qui est projetée le long de l’axe 22 pour venir percuter le matériau au niveau du point d’impact 49.
[0090] Le dispositif de mesure n’est pas nécessairement un dispositif de mesure optique. Ceci est particulièrement vrai lorsque l'appareil 2 est appliqué sur un substrat de grande surface où les contraintes d'encombrement sont relâchées. Par exemple, les signaux u(x, t) peuvent aussi être mesurés en disposant directement sur chacun des points de mesure un capteur de déplacement. Il existe de très nombreux capteurs de déplacement connus susceptibles de convenir pour une telle application. Par exemple, ce capteur de déplacement peut être un accéléromètre.
[0091 ] Dans un autre mode de réalisation, il est disposé sur chacun des points de mesure un élément rayonnant des ondes électromagnétiques ou réfléchissant des ondes électromagnétiques à une longueur d’onde particulière. Les capteurs du dispositif de mesure mesurent le déplacement de la surface en chacun de ces points de mesure à partir du rayonnement électromagnétique émis ou réfléchi au niveau du point de mesure.
[0092] Variantes du procédé :
[0093] D’autres méthodes sont possibles pour construire la vitesse de phase du mode fondamental en fonction de la profondeur. Par exemple, comme indiqué en regard de la figure 13, la méthode connue sous l’acronyme MASW peut être appliquée même si celle-ci est aujourd’hui considérée comme étant moins précise. Dans un autre mode de réalisation, c’est une variante de la méthode MASW qui est appliquée, cette variante ayant été modifiée pour réduire le problème des sauts de phase observés sur la figure 13. Enfin, d’autres méthodes que la méthode MASW ont été développées dans d’autres domaines techniques comme par exemple le domaine de la géophysique et peuvent être transposées ici à partir du moment où ces méthodes déterminent la vitesse de phase du mode fondamental.
[0094] En variante, le pas d’échantillonnage des fréquences fi est le même sur tout l’intervalle d'analyse. Par exemple, dans l'exemple de mode de réalisation précédent, le pas d'échantillonnage est le même sur tout l'intervalle allant de 1 Hz à 1000 Hz. [0095] D’autres méthodes pour rechercher et identifier l’instant tj,m(x) sont possibles. Par exemple, les instants tj,m(x) sont recherchés sans limiter la recherche à un intervalle de temps prédéterminé. Dans ce cas, la recherche est réalisée sans tenir compte des instants tj.i,m(x) ou tj+i,m(x) ou tmin(x). Ainsi, les étapes 82 et 84 peuvent être omises.
[0096] L’erreur d’approximation peut être estimée différemment. En particulier, de nombreuses autres relations sont possibles pour calculer cette erreur d’approximation. Par exemple, la relation (5) suivante est utilisable à la place de la relation (1 ) : [MATH 3]
[0097] Dans un autre mode de réalisation, le coefficient a n’est pas déterminé en fonction des signaux u(x, t) mesurés par le dispositif 10. Par exemple, dans un mode de réalisation simplifié, le coefficient a, utilisé pour une direction de mesure donnée, est fourni par l’utilisateur du dispositif 12.
[0098] Au lieu de faire tourner sur lui-même le stimulateur 8 pour faire des mesures dans différentes directions de mesure, il est aussi possible de maintenir constante la direction de mesure et de déplacer le point d'impact le long d'une droite pour scanner progressivement une portion du matériau ou substrat.
[0099] Les mesures le long d'un même axe de mesure peuvent être répétées à différents instants pour voir l'évolution dans le temps de ces mesures. Par exemple, cela peut être appliqué pour mesurer l'évolution dans le temps des propriétés mécaniques d’un matériau ou substrat, par exemple l'évolution dans le temps des propriétés mécaniques de la peau suite à l'application d'un produit hydratant.
[00100] Autres variantes :
[00101 ] Bien entendu, et comme mentionné précédemment, l’appareil 2 décrit ici peut être appliqué à d’autres matériaux viscoélastiques et anisotropes que la peau. Par exemple, il peut être appliqué à tous matériaux viscoélastiques similaires comme de la peau artificielle. Il peut aussi être appliqué à la peau des animaux, y compris la peau des animaux marins telle la peau des poissons. [00102] L’appareil 2 peut aussi être appliqué à d’autres matériaux viscoélastiques comme par exemple la peau des légumes ou des fruits.
[00103] Lorsque l’appareil 2 est appliqué à d’autres matériaux viscoélastiques que la peau, l’intervalle dans lequel se situent les fréquences fi pour lesquelles l’unité 12 calcule la vitesse Vj peut être différent de l’intervalle [1 Hz ; 1000 Hz], De même, si le matériau viscoélastique sur lequel est appliqué l’appareil 2 n’est pas anisotrope, le coefficient a peut être calculé pour une première direction de mesure et la même valeur de ce coefficient a est ensuite utilisé pour d’autres directions de mesure décalées angulairement par rapport à la première direction de mesure. Dans ce cas, pour ces autres directions de mesure, l’opération 104 n’est pas réitérée.
[00104] D’autres propriétés mécaniques que le module de Young du matériau ou du substrat à différentes profondeurs peuvent être déduites à partir de la vitesse de phase Vj. Par exemple, la viscosité peut aussi être estimée à partir de la vitesse Vj. [00105] Le procédé de la figure 3 décrit pour construire la courbe de dispersion peut être mis en œuvre dans toutes applications non-invasives de mesure d’une grandeur physique représentative de propriétés mécaniques d’un substrat. En effet, comme expliqué précédemment, ce procédé permet d’obtenir une vitesse de phase du mode fondamental plus précise. Par exemple, le procédé de la figure 3 peut aussi être mis en œuvre dans un appareil non-invasif de mesure de propriétés mécaniques en profondeur d’un substrat tel qu’un revêtement routier ou une structure multicouche quelconque. Dans le cas de tels substrats, il n’est pas nécessaire de mesurer le profil de vitesses dans plusieurs directions différentes angulairement décalées les unes par rapport aux autres. Il n’est pas non plus nécessaire de déterminer la valeur du coefficient a pour chacune des directions de mesure. Enfin, dans le cas d’autres substrats que la peau, le stimulateur 8 et le dispositif 10 de mesure sont adaptés à ce substrat. Par exemple, dans le cas d’un revêtement routier, le stimulateur 8 est formé d’une masse qui vient percuter la surface du revêtement routier. Le dispositif 10 mesure, dans le cas d'un revêtement routier, l’onde de cisaillement sur une distance typiquement plus grande que 7 mm.
[00106] La détermination de la valeur du coefficient a en fonction des mesures du dispositif de mesure peut aussi être mise en œuvre dans tout autre appareil de mesure des propriétés mécaniques d’un matériau ou substrat à partir d’un profil de vitesses de phase du mode fondamental. En effet, le calcul de la valeur du coefficient a comme décrit précédemment permet d’augmenter la précision de la conversion de la courbe de dispersion en un profil de vitesses.
[00107] Chapitre III : Avantages des modes de réalisation décrits
[00108] Les modes de réalisation de l’appareil et du procédé de mesure ayant été décrits pour des mesures sur la peau humaine, les avantages et effets techniques listés ci-dessous s’appliquent de manière équivalente à l’appareil et au procédé selon l’invention lorsqu’ils sont mis en œuvre avec d’autres matériaux ou substrats viscoélastiques et/ou déformables.
[00109] Le procédé de mesure décrit ici permet de mesurer la vitesse de phase du mode fondamental de l’onde de cisaillement à différentes profondeurs et non pas seulement en surface. Il permet donc de révéler des propriétés mécaniques d’un matériau ou d’un substrat à différentes profondeurs sous la surface du matériau ou du substrat et non pas seulement en surface. De plus, l’appareil 2 permet de révéler les propriétés mécaniques à différentes profondeurs tout en restant non-invasif, c’est-à- dire sans nécessité d’incision du matériau ou substrat.
[00110] Pour des mesures sur la peau humaine, le fait de calculer la valeur du coefficient a à partir des signaux u(x, t) mesurés et plus précisément à partir de la courbe de dispersion, permet d’adapter automatiquement la valeur du coefficient a à la peau sur laquelle la mesure est faite et à la direction de mesure choisie. En effet, contrairement à d’autres substrats, il a été observé que la valeur du coefficient a varie de façon importante d’un être humain à un autre et varie également de façon importante en fonction de la direction de mesure choisie. Ainsi, le calcul automatique de la valeur du coefficient a permet donc d’améliorer la précision du profil de vitesses de phase. On obtient ainsi une meilleure précision sur la profondeur d'observation.
[00111 ] Le fait de construire un profil de vitesses de phase pour plusieurs directions décalées angulairement les unes par rapport aux autres permet de générer une tomographie d’une propriété mécanique de la peau ou du matériau mesuré. Une telle tomographie permet notamment d’observer l’anisotropie de cette propriété mécanique en fonction de la direction de mesure. Il est ainsi possible de quantifier des forces de tension dans toutes les directions mesurées en profondeur, cette tension pouvant être représentée en trois dimensions. Par exemple, la cicatrisation des plaies peut être analysée et suivie à l’aide de la mesure des forces de tension, celles-ci indiquant l'activité cellulaire. [00112] Le calcul de la vitesse de phase du mode fondamental à partir des instants tj,m(x) et des positions x où se produit le minimum du signal Ui(x, t) permet de déterminer précisément la vitesse de phase du mode fondamental à la fréquence fi. Cela accroît donc la précision du profil de vitesses de phase construit, et donc la précision sur la mesure des propriétés mécaniques du matériau ou substrat.
[00113] Le fait d’identifier automatiquement la fréquence fmin permet d’augmenter la reproductibilité du procédé de mesure car cette fréquence minimum n’est pas déterminée manuellement par l’utilisateur. De plus, lorsque la condition (1 ) est utilisée, cela permet de déterminer plus précisément la longueur d’onde Àmax, ce qui améliore également la précision de la détermination de la valeur du coefficient a, et donc en fin de compte la précision du profil de vitesses de phase.
[00114] Le fait d’identifier automatiquement la fréquence fmax permet d’éviter de déterminer des vitesses de phase pour des composantes fréquentielles de l’onde de cisaillement qui n’existent pas ou qui sont négligeables. Cela améliore donc la précision du profil de vitesses de phase construit par l’appareil 2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé non-invasif de mesure d'une grandeur physique représentative de l'élasticité d’un matériau, ce procédé comportant les étapes suivantes : a) la déformation (72) du matériau au niveau d'un point d'impact à l'aide d'un stimulateur pour générer une onde de cisaillement comportant des composantes à des fréquences différentes, ces différentes composantes se propageant à la surface du matériau et provoquant un déplacement de la surface du matériau, b) la mesure (74), à l'aide d'un dispositif de mesure, du déplacement de la surface du matériau au cours du temps en au moins trois points de mesure alignés les uns derrière les autres le long d'un axe de mesure, caractérisé en ce que le procédé comporte également les étapes suivantes : c) la détermination (86) des vitesses de phase du mode fondamental des différentes composantes de l'onde de cisaillement générée, le long de l'axe de mesure, à partir des mesures du dispositif de mesure, l'ensemble des paires, formées chacune par une fréquence fi et la vitesse de phase V du mode fondamental déterminée pour cette fréquence fi, formant une courbe de dispersion du mode fondamental dans une direction de mesure parallèle à l'axe de mesure, où l'indice "i" est un numéro d'ordre de la fréquence fi et de la vitesse de phase V, et d) la transformation (100) de cette courbe de dispersion en un profil de vitesses de phase en fonction de la profondeur, la vitesse de phase à une profondeur donnée étant une grandeur physique représentative de l'élasticité du matériau à cette profondeur.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la transformation (100) de la courbe de dispersion en un profil de vitesses de phase dans la direction de mesure comporte les opérations suivantes :
1 ) convertir (102) chaque fréquence fi de la courbe de dispersion, en une longueur d'onde Ài correspondante à l'aide de la relation suivante : Ài = Vj/fi, puis
2) calculer (104) la valeur d'un coefficient a pour cette direction de mesure à l'aide de la relation suivante : a = Zmax/ Àmax, où :
- Zmax est égal à la moitié de la distance qui sépare les deux points de mesure les plus éloignés l'un de l'autre le long de l'axe de mesure, et Àmax est la plus grande des longueurs d'onde Ài obtenue à l'issue de l'exécution de l'opération 1 ) pour cette direction de mesure,
3) convertir (106) chaque longueur d'onde Ài obtenue à l'issue de l'opération 1 ) en une profondeur pi correspondante à l'aide de la relation suivante : pi = aÀj, où a est le coefficient calculé lors de l'opération 2).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le procédé comporte l'exécution des étapes a), b), c) et d) pour au moins un premier et un second axes de mesure décalés angulairement l'un par rapport l'autre, ces premier et second axes de mesure passant par le même point d'impact.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape c) de détermination des vitesses de phase du mode fondamental comporte la réitération des opérations suivantes pour plusieurs fréquences fi différentes, :
- pour chaque point de mesure :
- le filtrage (88), à l'aide d'un filtre passe-bande centré sur la fréquence fi et dont la bande passante à -3dB est comprise entre les fréquences fn et fj+i , du signal u(x,t), mesuré au niveau du point de mesure de coordonnée x le long de l'axe de mesure par le dispositif de mesure, pour obtenir un signal filtré Uj(x, t),
- l'identification (90) d'un instant tj,m(x) auquel le signal filtré Uj(x, t) passe par son minimum absolu, puis
- le calcul (92) de la vitesse Vi de propagation de ce minimum le long de l'axe de mesure à partir des instants tj,m(x) et des positions x auxquels ce minimum se produit, la vitesse Vi ainsi calculée étant la vitesse de phase du mode fondamental à cette fréquence fi.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape c) comporte :
- une opération d'identification automatique, parmi l'ensemble des fréquences fi, d'une fréquence minimale fmin en dessous de laquelle les fréquences fi ne vérifient plus la condition (1 ) suivante :
[MATH 5] où :
- i,i et i.o sont les coefficients de la droite, déterminée par la méthode des moindres carrés, approchant au mieux les points de coordonnées (x; tj.m(x)),
- xp est égal à la position x du p-ième point de mesure compté à partir du premier point de mesure le plus proche du point d'impact,
- Pmax est égal au nombre de points de mesure répartis le long de l'axe de mesure,
- errmax est une constante prédéterminée,
- ensuite seule les fréquences fi supérieures ou égales à cette fréquence fmin sont retenues pour former la courbe de dispersion.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'étape c) comporte :
- une opération d'identification automatique, parmi l'ensemble des fréquences fi, d'une fréquence maximale fmax au-dessus de laquelle les fréquences fi ne vérifient plus la condition (1 ), cette opération d'identification automatique de la fréquence fmax étant réalisée en testant cette condition (1 ) pour plusieurs fréquences fi, ensuite
- seule les fréquences fi inférieures ou égales à cette fréquence fmax sont retenues pour former la courbe de dispersion.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel toutes les fréquences fi sont comprises entre 1 Hz et 3000 Hz.
8. Appareil non-invasif de mesure d'une grandeur physique représentative de l'élasticité d’un matériau, pour la mise en œuvre d'un procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, cet appareil comportant :
- un stimulateur (8) apte à déformer le matériau au niveau d'un point d'impact pour générer une onde de cisaillement comportant des composantes à des fréquences différentes, ces différentes composantes se propageant à la surface du matériau et provoquant un déplacement de la surface du matériau, - un dispositif (10) de mesure apte à mesurer le déplacement de la surface du matériau au cours du temps en au moins trois points de mesure alignés les uns derrière les autres le long d'un axe de mesure, caractérisé en ce que l'appareil comporte une unité (12) de traitement apte :
- à déterminer les vitesses de phase du mode fondamental des différentes composantes de l'onde de cisaillement générée, le long de l'axe de mesure, à partir des mesures du dispositif de mesure, l'ensemble des paires, formées chacune par une fréquence fi et la vitesse de phase Vi du mode fondamental déterminée pour cette fréquence fi, formant une courbe de dispersion du mode fondamental dans une direction de mesure parallèle à l'axe de mesure, où l'indice "i" est un numéro d'ordre de la fréquence fi et de la vitesse de phase Vi, et
- à transformer cette courbe de dispersion en un profil de vitesses de phase en fonction de la profondeur, la vitesse de phase à une profondeur donnée étant une grandeur physique représentative de l'élasticité du matériau à cette profondeur.
9. Appareil selon la revendication 8, dans lequel l'unité (12) de traitement est configurée pour exécuter les opérations suivantes pour transformer la courbe de dispersion en un profil de vitesses de phase dans la direction de mesure:
1 ) convertir chaque fréquence fi de la courbe de dispersion, en une longueur d'onde Àj correspondante à l'aide de la relation suivante : Ài = V fi, puis
2) calculer la valeur d'un coefficient a pour cette direction de mesure à l'aide de la relation suivante : a = Zmax/ Àmax, où :
- Zmax est égal à la moitié de la distance qui sépare les deux points de mesure les plus éloignés l'un de l'autre le long de l'axe de mesure parallèle, et
Àmax est la plus grande des longueurs d'onde Ài obtenue à l'issue de l'exécution de l'opération 1 ) pour cette direction de mesure,
3) convertir chaque longueur d'onde Ài obtenue à l'issue de l'opération 1 ) en une profondeur pi correspondante à l'aide de la relation suivante : pi = a * Ài, où a est le coefficient calculé lors de l'opération 2).
10. Appareil selon la revendication 8 ou 9, dans lequel :
- le dispositif de mesure comporte un réseau (62) de capteurs apte chacun à mesurer l'amplitude de la déformation de la surface du matériau en un point de mesure respectif, ce réseau comportant au moins trois capteurs qui mesurent chacun le déplacement de la surface du matériau en trois points de mesure respectifs alignés les uns derrière les autres le long d'un axe de mesure, et
- l'appareil comporte un bras (4) articulé sur lequel est monté le réseau de capteurs, ce bras articulé étant apte à faire tourner le réseau de capteurs d'un angle prédéterminé autour d'un axe de rotation, pour aligner l'axe de mesure du réseau de capteur sur un premier axe de mesure et, en alternance, sur un second axe de mesure décalé angulairement par rapport au premier axe de mesure.
11 . Appareil selon la revendication 10, dans lequel :
- le réseau de capteurs comporte :
- une ligne (62) de capteurs optiques qui captent la lumière réfléchie par chaque point de mesure, et
- un microprocesseur (64) configuré pour déterminer le déplacement de la surface du matériau au niveau de chaque point de mesure éclairé à partir de la lumière réfléchie captée par la ligne de capteurs optiques,
- le dispositif de mesure comporte un émetteur (60) d'un faisceau lumineux qui éclaire chaque point de mesure aligné le long de l'axe de mesure.
12. Appareil selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le stimulateur (8) est apte à projeter sur la surface du matériau un jet de fluide qui provoque la déformation du matériau au niveau du point d'impact.
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