FR2473872A3

FR2473872A3 - Instrument for detecting skin deflections - by deformation of reflective film, for monitoring short term biomedical impulses e.g. heartbeat patterns

Info

Publication number: FR2473872A3
Application number: FR8001074A
Authority: FR
Inventors: Philippe Pinet
Original assignee: Compagnie Generale de Radiologie SA
Current assignee: Compagnie Generale de Radiologie SA
Priority date: 1980-01-18
Filing date: 1980-01-18
Publication date: 1981-07-24
Also published as: FR2473872B3

Abstract

A device for measuring flexural deformation of a (human) body comprises a chamber having one face covered with a diaPhragm of thin flexible material to be placed in contact with the surface being monitored. An angled beam from an internal lamP is reflected off the internal surface of the diaphragm to be collected by a photosensitive receiver. The response of the receiver is transmitted to a circuit for tuning the response and converting the signal due to the film deflection to a linear function of the deflection normal to the plane of the diaPhragm. Pref. the chamber is a conventional stethoscope head, the diaphragm is of metallised polyethylene terephthalate film, the signal/detector system may operate at luminous or infra red wavelengths, may involve use of transparent plastic lenses for focussing. Appts. is esp. suitable for monitoring biomedical functions such as heart imPulse. It is simPler and more sensitive than acoustic sensors. (10pP).

Description

La présente invention concerne les dispositifs permettant de capter les déformations de la surface du corps d'un sujet dont on désire mesurer certains paramètres blo-médicaux et notamment la pulsation des artères et le choc de la pointe du coeur sur la cage thoracique, qui sont respectivement connus sous le nom de pouls artériel, carotidien par exemple, et de mouvement d'apex. Ces dispositifs sont souvent incorporés dans des moniteurs bio-médicaux qui permettent de mesurer tout un ensemble de paramètres physiologiques. The present invention relates to devices making it possible to capture deformations of the surface of the body of a subject for which it is desired to measure certain medical-medical parameters and in particular the pulsation of the arteries and the shock of the point of the heart on the rib cage, which are respectively known as arterial pulse, carotid pulse for example, and apex movement. These devices are often incorporated into bio-medical monitors which allow a whole set of physiological parameters to be measured.

On sait déja réaliser le capteur d'un tel dispositif en utilisant un boîtier muni d'un piston qui excite un élément piézoélectrique. We already know how to make the sensor for such a device using a housing provided with a piston which excites a piezoelectric element.

Un tel capteur est malaisé à utiliser en raison de sa lourdeur et de sa fragilité. De plus les signaux obtenus en sortie sont de faible niveau et difficiles à traiter pour être exploités.Such a sensor is difficult to use because of its heaviness and its fragility. In addition, the signals obtained at the output are of low level and difficult to process in order to be used.

Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un dispositif permettant de capter les déformations de la surface du corps, principalement caractérisé en ce qu'il comprend une membrane déformable destinée à être placée au contact du point de la surface dont on veut capter les déformations; une source permettant d'émettre un rayonnement lumineux sur la membrane, des moyens permettant d'alimenter cette source pour lui faire émettre un rayonnement modulé à une fréquence porteuse, un récepteur photoélectrique permettant de recevoir ce rayonnement réfléchi par la membrane et d'émettre un signal électrique comportant une porteuse modulée en fonction des déformations de la membrane, des moyens permettant d'extraire du signal électrique cette porteuse modulée, et des moyens permettant de démoduler cette porteuse pour délivrer un signal représentant les déformations du point de la surface du corps sur lequel est placée la membrane. To overcome these drawbacks, the invention proposes a device making it possible to capture deformations of the surface of the body, mainly characterized in that it comprises a deformable membrane intended to be placed in contact with the point on the surface whose deformations are to be captured. ; a source making it possible to emit light radiation on the membrane, means making it possible to supply this source to make it emit radiation modulated at a carrier frequency, a photoelectric receiver making it possible to receive this radiation reflected by the membrane and to emit a electrical signal comprising a carrier modulated as a function of the deformations of the membrane, means making it possible to extract this modulated carrier from the electrical signal, and means making it possible to demodulate this carrier to deliver a signal representing the deformations of the point on the surface of the body on which is placed the membrane.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées suivantes:
- la figure 1, qui représente une vue en coupe du capteur destiné à être placé sur la peau du sujet;
- la figure 2, qui représente le schéma électrique du capteur et du boîtier de mesure permettant de l'alimenter et d'en extraire les signaux utiles.Other features and advantages of the invention will appear clearly in the following description presented by way of nonlimiting example and made with reference to the following appended figures:
- Figure 1, which shows a sectional view of the sensor intended to be placed on the subject's skin;
- Figure 2, which shows the electrical diagram of the sensor and the measurement unit for supplying and extracting useful signals.

Le capteur destiné à être placé sur le patient et représenté en figure 1 comprend un boîtier circulaire 201 dont la face inférieure est obturée par une membrane 204 maintenue par un jonc 205. Les dimensions et la forme de ce boîtier sont semblables à celles de la tête d'un stéthoscope et on peut avantageusement utiliser une telle tête en la modifiant légèrement pour cet usage. The sensor intended to be placed on the patient and represented in FIG. 1 comprises a circular housing 201 whose underside is closed by a membrane 204 held by a rod 205. The dimensions and the shape of this housing are similar to those of the head of a stethoscope and one can advantageously use such a head by modifying it slightly for this use.

A l'intérieur et sur le fond du boîtier 201 une diode photoémettrice 102 est fixée sur un support incliné de manière à émettre un faisceau lumineux, infrarouge par exemple, vers la membrane 204. Inside and on the bottom of the housing 201 a light emitting diode 102 is fixed on an inclined support so as to emit a light beam, infrared for example, towards the membrane 204.

Ce faisceau est réfléchi par cette membrane, qui est par exemple en plytéréphtalate d'éthylène métallisé, vers. un phototransistor récepteur 103 fixé lui aussi au fond du boîtier sur un support incliné de manière à être orienté vers l'axe du faisceau réfléchi. On peut munir la diode 102 et le photo-transistor 103 de petites lentilles en plastique moulé pour obtenir un certain effet de concentration, dans le cas où, contrairement à ce qui est usuel, leurs faces.actives ne sont pas déjà lenticulaires. This beam is reflected by this membrane, which is for example made of metallized ethylene plyterphthalate, worms. a receiving phototransistor 103 also fixed to the bottom of the housing on an inclined support so as to be oriented towards the axis of the reflected beam. Diode 102 and photo-transistor 103 can be provided with small molded plastic lenses to obtain a certain concentration effect, in the case where, contrary to what is usual, their active faces are not already lenticular.

Cette diode 102 et ce photo-transistor 103 sont d'un type tout à fait courant. Il peut être utilise d'utiliser une diode émettant dans l'infrarouge pour minimiser les effets d'une transparence parasite éventuelle de la membrane 204, mais il est alors inutile de sélectionner un photo-transistor particulièrement sensible à l'infrarouge car la sensibilité des transistors usuels dans ce domaine de longueur d'onde est largement suffisante. This diode 102 and this photo-transistor 103 are of a very common type. It can be used to use a diode emitting in the infrared to minimize the effects of a possible parasitic transparency of the membrane 204, but it is then unnecessary to select a photo-transistor particularly sensitive to infrared because the sensitivity of the usual transistors in this wavelength range is more than sufficient.

Les fils de connexion de la diode émettrice et du transistor récepteur sortent du boîtier 101 par un cable 104. The connection wires of the emitting diode and the receiving transistor exit from the housing 101 by a cable 104.

Le boîtier de mesure relié par le cable de connexion 104 à la tête de mesure comprend d'une part des moyens d'alimentation de la diode 102, et d'autre part des moyens de mesure du signal fourni par le transistor 103. The measurement unit connected by the connection cable 104 to the measurement head comprises on the one hand means for supplying the diode 102, and on the other hand means for measuring the signal supplied by the transistor 103.

Un oscillateur intégré 105 fournit un signal alternatif à une fréquence porteuse d'environ 900 hertz. Dans l'exemple de réalisation décrit cet oscillateur est du type connu 555, et il est connecté selon un schéma lui-même connu par un ensemble - de résistances et de condensateurs pour délivrer ce signal à 900 hertz. An integrated oscillator 105 provides an alternating signal at a carrier frequency of about 900 hertz. In the embodiment described, this oscillator is of the known type 555, and it is connected according to a diagram itself known by a set - of resistors and capacitors to deliver this signal at 900 hertz.

Un potentiomètre 106 permet d'ajuster la fréquence à la valeur désirée.A potentiometer 106 makes it possible to adjust the frequency to the desired value.

Le signal en sortie de la borne 3 de cet oscillateur est appliqué par une résistance 108, d'une valeur de 10 kilo-ohms par exemple, sur la base d'un transistor PNP 107. La base de ce transistor est d'autre part connectée au pole + d'une source de tension stabilisée par l'intermédiaire d'une résistance 109, d'une valeur de 2,2 kiloohms. Cette alimentation fournit une tension de 12 volts par exemple. L'émetteur du transistor 107, qui est du type 2N 2907 par exemple, est lui-mêm-e connecté à cette borne +. Son collecteur est relié à l'anode de la diode électroluminescente 102 par une résistance 110, d'une valeur de 470 ohms par exemple. La cathode de cette diode électroluminescente est reliée à la masse générale, qui est aussi celle de la source d'alimentation du transistor 107. The signal at the output of terminal 3 of this oscillator is applied by a resistor 108, of a value of 10 kilo-ohms for example, on the basis of a PNP transistor 107. The base of this transistor is on the other hand connected to the pole + of a stabilized voltage source via a resistor 109, with a value of 2.2 kiloohms. This power supply provides a voltage of 12 volts for example. The emitter of transistor 107, which is of the 2N 2907 type for example, is itself connected to this + terminal. Its collector is connected to the anode of the light-emitting diode 102 by a resistor 110, of a value of 470 ohms for example. The cathode of this light-emitting diode is connected to the general ground, which is also that of the power source of transistor 107.

Avec ce montage la diode électroluminescente 102 est alimentée par un courant pulsé à la fréquence de 900 hertz et de forme sensiblement carrée. La lumière émise par cette diode reproduit très fidèlement les variations du courant dans celle-ci. With this arrangement the light-emitting diode 102 is supplied by a pulsed current at the frequency of 900 hertz and of substantially square shape. The light emitted by this diode very faithfully reproduces the variations of the current in it.

L'émetteur du phototransistor 103, qui est de type PNP, est relié à la masse. Sa base est bien entendu en l'air, puisque c'est elle qui est excitée par les photons provenant de la photodiode 102 après réflexion sur la membrane-204. Son collecteur est alimenté à partir d'une source de tension positive par une résistance 111. Cette source d'alimentation doit être très stable, et dans l'exemple décrit elle est obtenue à partir de la source d'alimentation du transistor 107 par un stabilisateur qui délivre une tension de 6 volts, la résistance 1 Il étant alors d'une valeur de 820 ohms. The emitter of phototransistor 103, which is of PNP type, is connected to ground. Its base is of course in the air, since it is it which is excited by the photons coming from the photodiode 102 after reflection on the membrane-204. Its collector is supplied from a positive voltage source by a resistor 111. This power source must be very stable, and in the example described it is obtained from the power source of transistor 107 by a stabilizer which delivers a voltage of 6 volts, the resistance 1 It then being of a value of 820 ohms.

Le courant qui traverse le phototransistor 103 est modulé par le signal lumineux appliqué sur sa base. Il en résulte un signal modulé sur le collecteur du transistor. Ce signal est appliqué à l'entrée + d'un amplificateur différentiel 116 par deux condensateurs 112 et 113 en série. Le point commun à ces deux condensateurs est réuni à la masse par une résistance 115 et l'entrée + est elle-même réunie à la masse par une résistance 114. The current flowing through the phototransistor 103 is modulated by the light signal applied to its base. This results in a modulated signal on the collector of the transistor. This signal is applied to the input + of a differential amplifier 116 by two capacitors 112 and 113 in series. The point common to these two capacitors is joined to ground by a resistor 115 and the + input is itself joined to ground by a resistor 114.

La sortie de l'amplificateur 116 est bouclée sur son entrée-par l'intermédiaire d'un réseau RC de contre-réaction sélective. Ce réseau est composé d'une résistance 117 qui réunit directement la sortie de l'amplificateur à son entrée-. Cette résistance 117 est shuntée par deux condensateurs 118 et 119 en série. Le point commun à ces condensateurs est réuni à la masse d'une part par une résistance 121, et d'autre part par un condensateur 120. The output of the amplifier 116 is looped on its input-via an RC network of selective feedback. This network is composed of a resistor 117 which directly joins the output of the amplifier to its input-. This resistor 117 is shunted by two capacitors 118 and 119 in series. The common point of these capacitors is joined to ground on the one hand by a resistor 121, and on the other hand by a capacitor 120.

L'amplificateur 116 ainsi connecté amplifie avec un grand gain les composantes du signal en sortie de transistor 103 dont la fréquence est égale à la fréquence du signal délivré par l'oscil- lateur 105. Dans la la réalisation décrite pour la fréquence déjà citée de 900 hertz, on a pris comme amplificateur l'un des deux amplificateurs d'un circuit du type 5558, et pour valeurs des résistances 114, 115, 117 et 121 respectivement 68,1 kilo-ohms, 68,I kiloohms, 100 kilo-ohms, et 121 ohms, avec une précision de 1 # Les valeurs des condensateurs 112, 113, 119, 118, et 120 sont respectivement de 10 nanofarads, 10 nanofarads, 47 nanofarads, 47 nanofarads, et 4,7 nanofarads, avec une précision de 2 %. The amplifier 116 thus connected amplifies with a large gain the components of the signal at the output of transistor 103 whose frequency is equal to the frequency of the signal delivered by the oscillator 105. In the embodiment described for the frequency already mentioned of 900 hertz, we took as amplifier one of the two amplifiers of a circuit of type 5558, and for resistance values 114, 115, 117 and 121 respectively 68.1 kilo-ohms, 68, I kiloohms, 100 kilo- ohms, and 121 ohms, with a precision of 1 # The values of capacitors 112, 113, 119, 118, and 120 are respectively 10 nanofarads, 10 nanofarads, 47 nanofarads, 47 nanofarads, and 4.7 nanofarads, with precision 2%.

On a donc en sortie de l'amplificateur 116 une porteuse à 900 hertz avec une modulation qui représente uniquement les variations d'intensité du faisceau lumineux - issu de la diode 102 et atteignant le photo-transistor 103. Ces variations d'intensité sont dues aux variations de direction et de convergence du faisceau réfléchi par la membrane 204 dont la surface réagit aux sollicitations mécaniques qu'elle reçoit et qui par exemple bombe sous
k l'effet de la pulsation d'une artère affleurant sous la peau du patient.There is therefore at the output of the amplifier 116 a carrier at 900 hertz with a modulation which represents only the variations in intensity of the light beam - coming from the diode 102 and reaching the photo-transistor 103. These variations in intensity are due variations in direction and convergence of the beam reflected by the membrane 204, the surface of which reacts to the mechanical stresses which it receives and which, for example, bombs under
k the effect of the pulsation of a flush artery under the patient's skin.

La porteuse ayant servi à traduire les variations de la membrane plus aisément que patliamplification d'un signal continu, n'est plus nécessaire pour la suite du traitement du signal. On l'élimine alors par un årcuit qui réalise une détection crête. The carrier having served to translate the variations of the membrane more easily than patliamplification of a continuous signal, is no longer necessary for the further processing of the signal. It is then eliminated by an årcuit which performs peak detection.

Pour cela la sortie de l'amplificateur 116 est connectée à l'entrée + d'un autre amplificateur différentiel 137, constitué par exemple par l'autre amplificateur du circuit 558. L'entrée-de cet amplificateur est réunie par l'intermédiaire d'une résistance 138, de 100 kilo-ohms par exemple, à une source positive de tension, cellè-là même qui alimente le transistor 107 par exemple. Cette entrée - est réunie à la sortie de l'amplificateur 137 par une diode 140, du type 1N914 par exemple, connectée dans le sens passant entre cette entrée- et cette sortie.La sortie de l'amplificateur 137 est aussi réunie à la cathode d'une diode 139, par exemple aussi une 1N914, dont l'anode est réunie à l'armature négative d'un condensateur électrochimique 141 de forte capacité, 100 micro-farads par exemple, dont l'armature positive est réunie à la masse. Ce condensateur est shunté à la masse par une résistance 122, de 4,2 kilo-ohms par exemple. Le signal ainsi redressé et présent sur l'anode de la diode 139 est enfin filtré par une cellule RC composée d'un condensateur 121, de 0,22 micro-farads par exemple, réuni d'un côté à cette anode, et de l'autre à la masse par une résistance 123, de 680 kilo-ohms par exemple. For this, the output of the amplifier 116 is connected to the input + of another differential amplifier 137, constituted for example by the other amplifier of the circuit 558. The input-of this amplifier is brought together via a resistance 138, of 100 kilo-ohms for example, to a positive source of voltage, the same cell which supplies the transistor 107 for example. This input - is connected to the output of amplifier 137 by a diode 140, of the type 1N914 for example, connected in the passing direction between this input - and this output. The output of amplifier 137 is also connected to the cathode a diode 139, for example also a 1N914, the anode of which is joined to the negative armature of an electrochemical capacitor 141 of high capacity, 100 micro-farads for example, the positive armature of which is connected to ground . This capacitor is shunted to ground by a resistor 122, of 4.2 kilo-ohms for example. The signal thus rectified and present on the anode of diode 139 is finally filtered by an RC cell composed of a capacitor 121, of 0.22 micro-farads for example, joined on one side to this anode, and of the other to ground by a resistance 123, of 680 kilo-ohms for example.

On dispose ainsi au point commun à ce condensateur 121 et à cette résistance 123 de la modulation de la porteuse à 900 hertz, qui représente par exemple le pouls artériel du patient auquel est fixé le capteur. There is thus in common with this capacitor 121 and this resistance 123 the modulation of the carrier at 900 hertz, which represents for example the arterial pulse of the patient to which the sensor is fixed.

Pour pouvoir utiliser ce signal plus commodément, et notamment pour éviter que des circuits d'utilisation situés plus en aval ne chargent trop le circuit de détection crête, ce qui produirait une modification du signal, on amplifie celui-ci avec un troisième amplificateur différentiel 124. Celui-ci peut être par exemple du type connu 355. Pour cela le point commun à la capacité 121 et à la résistance 123 est connecté à l'entrée + de cet amplificateur 124. In order to be able to use this signal more conveniently, and in particular to prevent use circuits located further downstream from overloading the peak detection circuit, which would produce a modification of the signal, the latter is amplified with a third differential amplifier 124 This may for example be of the known type 355. For this, the point common to the capacitor 121 and to the resistor 123 is connected to the + input of this amplifier 124.

L'entrée- de cet amplificateur est réunie à la masse par une résistance 125, de 33 kilo-ohms par exemple. La sortie de cet amplificateur est réunie à son entrée -par une résistance 126, d'une valeur de 330 kilo-ohms par exemple, shuntée par un condensateur 127, d'une valeur de 0,1 microfarad par exemple. Ceci constitue une cellule de correction de la réponse de cet amplificateur qui limite sa réponse en fréquence à une valeur relativement basse, ce qui n'a pas d'importance étant donné les fréquences faibles du pouls. The input of this amplifier is connected to ground by a resistor 125, of 33 kilo-ohms for example. The output of this amplifier is combined at its input - by a resistor 126, with a value of 330 kilo-ohms for example, shunted by a capacitor 127, with a value of 0.1 microfarad for example. This constitutes a cell for correcting the response of this amplifier which limits its frequency response to a relatively low value, which does not matter given the low pulse frequencies.

Par ailleurs, dans la réalisation décrite, cet amplificateur 124 est muni d'un dispositif d'annulation de la tension de décalage constitué d'un potentiomètre 128 connecté entre ses bornes 1 et 5 et dont le curseur est réuni à une source d'alimentation positive. La valeur de ce potentiomètre est par exemple de 10 kilo-ohms et la source de tension positive est de 15 volts. Furthermore, in the embodiment described, this amplifier 124 is provided with a device for canceling the offset voltage consisting of a potentiometer 128 connected between its terminals 1 and 5 and the cursor of which is connected to a power source. positive. The value of this potentiometer is for example 10 kilo-ohms and the positive voltage source is 15 volts.

On dispose donc en sortie de cet amplificateur séparateur 124 du signal représentant le pouls artériel sous une impédance et avec un niveau permettant d'attaquer tous les circuits d'utilisation désires Toutefois comme le niveau peut être très variable selon l'artère utilisée il y aura lieu éventuellement d'utiliser des moyens de réglage, un atténuateur par exemple, pour effectuer la connection entre cet amplificateur et les organes situés en aval. There is therefore at the output of this amplifier 124 separating the signal representing the arterial pulse under an impedance and with a level making it possible to attack all the desired circuits of use However, as the level can be very variable depending on the artery used there will be place possibly using adjustment means, an attenuator for example, to make the connection between this amplifier and the organs located downstream.

Ces organes comprennent par exemple les dispositifs de visualisation d'un moniteur bio-médical qui permet de représenter sur un écran les paramètres physiologiques d'un sujet et notamment son pouls artériel. These organs include for example the display devices of a bio-medical monitor which makes it possible to represent on a screen the physiological parameters of a subject and in particular his arterial pulse.

Claims

1. Device making it possible to capture the deformations of the surface of the body, characterized in that it comprises a deformable membrane (204) intended to be placed in contact with the point on the surface whose deformations are to be captured, a source (102) for emitting light radiation on the membrane, means (105-107) for supplying this source to make it emit radiation modulated at a carrier frequency, a phoelectric receiver (103) for receiving this radiation reflected by the membrane and to emit an electrical signal comprising a carrier modulated as a function of the deformations of the membrane, means (116-121) making it possible to extract this modulated carrier from the electrical signal and means (137-141) making it possible to demodulate this carrier to deliver a signal representing the deformations of the point on the surface of the body on which the membrane is placed.

2. Device according to claim 1, characterized in that the membrane (204) forms one of the faces of a closed cylindrical housing (201) containing the light source (102) and the photoelectric receiver (103).

3. Device according to claim 2, characterized in that the housing is a stethoscope head.

4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the membrane is reflective.

5. Device according to claim 4, characterized in that the membrane is made of metallized polyethylene terephthalate.

6. Bio-medical monitor of the type comprising means making it possible to view the bio-medical parameters of a subject, characterized in that it comprises a device according to any one of claims 1 to 5.