FR2607252A1 - Stress, temperature and shape sensors, for biomedical and industrial uses, using cholesteric polymers - Google Patents
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Abstract
Description
CAPTEURS DE CONTRAINTES, DE TEMPARATURES ET DE FORMES, A USAGES
BIOMEDICAL ET INDUSTRIEL, UTILISANT DES POLYMERES CHOLESTERIQUES
La présente invention a trait a la réalisation ae capteurs c;= contraintes utilisant des po'ymères crolestériques et leurs applications au.x domaines biomedlcail et industriel. Ces dispositifs permettent de définir la reparzition spatiale des contraintes exercées sur le capteur, incluant les contours et surfaces d'appuis.Ces cartographies, visualisées par un réseau de courues isochromatiques corresponoant aux courbes d'isocontraintes appliquées, peuvent être représentatives d'effets statiques ou dynamiques vers transcriptions peuvent être selon les cas, visuelles, photographiques, en video ou en images numerisées. Elles peuvent s'effectuer en lectur directe ou differee (en utilisant une rémanence modulable).SENSORS OF CONSTRAINTS, TEMPERATURES AND SHAPES, FOR USE
BIOMEDICAL AND INDUSTRIAL, USING CHOLESTERIC POLYMERS
The present invention relates to the production of stress sensors using crolesteric polymers and their applications in the biomedical and industrial fields. These devices make it possible to define the spatial reparzition of the stresses exerted on the sensor, including contours and bearing surfaces. These maps, visualized by a network of isochromatic courses corresponding to the applied isostress curves, can be representative of static or dynamic to transcriptions can be, depending on the case, visual, photographic, video or digitalized images. They can be made in direct or delayed reading (using a modular remanence).
Le e secteur technique ae cette invention est celui de la construction. The technical sector of this invention is that of construction.
d'instruments de capteurs de contraintes d'un modèle different de ceux connus actuellement. Ces derniers systemes, permettant de définir la repartition spatiale des contraintes, reposent sur une distributior.constraint sensor instruments of a different model from those currently known. The latter systems, which define the spatial distribution of constraints, are based on a distributior.
discontinue d'éléments de saisle d'informations, comme par exemple, un transducteur piezo-optique associé à une analyse sequentielle (Brevet
ANVAR, no 74 13383, 14/11/1975), ou un caoutchouc chargé (Brevet ANVAR no 74 18944, 21/06/1974).discontinuous collection of information elements, such as, for example, a piezo-optical transducer associated with sequential analysis (Patent
ANVAR, No. 74 13383, 14/11/1975), or a filled rubber (ANVAR Patent No. 74 18944, 21/06/1974).
Le présent dispositif permet, par ses propriétés intrinséques, une resolution théorique extrêmement fine ou même quasi continue. Le capteur se compose d'une couche homogène de polymère cholestérique emprisonné dans une enveloppe dont une des faces est un film élastique de tension homogène qui assure la fonction de transfert de la contrainte exercée. L'autre face constitue la surface de référence, elle peut être élastique ou non, rigide ou souple et adaptée dans une coquille rigide. Une des surfaces de l'enveloppe : la surface de référence ou le film élastique, est transparente tandis que l'autre surface, de couleur noire, a pour effet d'absorber la lumière transmise par l'échantillon et d'augmenter le contraste des couleurs réfléchies.Le polymère cristal liquide peut également être encapsule et le film support peut être un film élastique transparent. The present device allows, by its intrinsic properties, an extremely fine or even almost continuous theoretical resolution. The sensor consists of a homogeneous layer of cholesteric polymer trapped in an envelope, one of whose faces is a homogeneous elastic tension film which provides the transfer function of the stress exerted. The other side is the reference surface, it may be elastic or not, rigid or flexible and adapted in a rigid shell. One of the surfaces of the envelope: the reference surface or the elastic film, is transparent while the other surface, black in color, has the effect of absorbing the light transmitted by the sample and increasing the contrast of the reflected colors. The liquid crystal polymer can also be encapsulated and the support film can be a transparent elastic film.
Une des configurations possibles du capteur est shématisée sur la figure 1. Le support de référence plan, rigide et transparent, fig. 1.1, est par exemple une plaque de plexiglass. L'entretoise, fig. 1.2, également en plexiglass ,détermine l'épaisseur de la couche cholestérique, fig. 14 Les éléments, fig. 1.1 et fig 1.2 peuvent être réunis en un récipient unique réalisé par exemple par moulage d'un matériau transparent. La membrane élastique, fig. 1.3, est un film de caoutchouc noir. Elle doit être inerte chimiquement vis-à-vis de la solution, en particulier vis-a-vis des solvants utilisés dans le cas où le matériau cholestérique est une solution lyotrope.Ce pourra être un film de caoutchouc de type butyle de préférence chloré. ne contenant pas de charge minérale mais chargé au carbone black à particules fines. L'étanchéité que doit également assurer ce film (dans le cas où les solvants sont volatils et donc susceptibles de diffuser à travers la membrane) peut être augmentée soit par le dépôt d'une fine pellicule de vernis de type Hypalon sur la membrane élastique elle-même > soit par l'interposition entre la couche polymérique et la membrane élastique d'un film de matériau hydrophobe ou faisant écran et permettant ainsi la rétention du solvant.L'épaisseur de la membrane élastique est optimisée en fonction de la gamme de contraintes explorées et ce la viscosité de la solution ,ceci afin de limiter l'écoulement de cette derniére sous l'effet de la pression. One of the possible configurations of the sensor is shematized in FIG. 1. The plane, rigid and transparent reference support, FIG. 1.1, is for example a plexiglass plate. The spacer, fig. 1.2, also in plexiglass, determines the thickness of the cholesteric layer, fig. 14 The elements, fig. 1.1 and Fig. 1.2 can be combined into a single container made for example by molding a transparent material. The elastic membrane, fig. 1.3, is a black rubber film. It must be chemically inert with respect to the solution, in particular with respect to the solvents used in the case where the cholesteric material is a lyotropic solution. This may be a preferably chlorinated butyl rubber film. not containing a mineral filler but loaded with black carbon with fine particles. The tightness that must also ensure this film (in the case where the solvents are volatile and therefore likely to diffuse through the membrane) can be increased either by the deposition of a thin film of Hypalon type varnish on the elastic membrane. or by the interposition between the polymeric layer and the elastic membrane of a film of hydrophobic material or screen and thus allowing the retention of the solvent. The thickness of the elastic membrane is optimized according to the range of constraints. the viscosity of the solution is explored in order to limit the flow of the latter under the effect of pressure.
L'étanchéité entre la membrane, fis. 1.3 et le support fig. 1.2 > est assuré par collage à l'aide d'un adhésif adapte, de type poly uréthane par exemple.The tightness between the membrane, fis. 1.3 and the support fig. 1.2> is ensured by gluing using a suitable adhesive, such polyurethane type.
Le choix du poivmére cholestériciue est dicté par le fait qu'il présente simultanément les avantages du caractère polymère et les propriétés optiques remarquables des cristaux liquides cholestériques. En particulier, la propriété de réflexion sélective de la lumière par une couche cholestérique est déterminée par le pas Po de la structure (Po est la période de l'organisation hélicoïdale en pseudo couches birefringentes dont les axes principaux subissent, entre plans successifs, une rotation d'un petit angle ) et par l'angle 0 défini par l'axe de l'hélice et la direction de propagation de la lumière (blanche) incidente.La longueur d'onde X, correspondant au maximum du spectre de la lumière réfléchie (polarisée circulairement) varie avec l'angle d'incidence selon la condition de Bragg à = P cos e , n est ici l'indice moyen de l'échantillon. Ainsi une couche cholestérique orientée planairement présentra-t-elle une couleur homogène bien définie. The choice of the cholesteric pepper is dictated by the fact that it simultaneously exhibits the advantages of the polymeric character and the remarkable optical properties of the cholesteric liquid crystals. In particular, the property of selective reflection of light by a cholesteric layer is determined by the pitch Po of the structure (Po is the period of the helical organization in pseudo-birefringent layers whose principal axes undergo, between successive planes, a rotation a small angle) and the angle 0 defined by the axis of the helix and the direction of propagation of the (white) incident light.Wavelength X, corresponding to the maximum of the spectrum of the reflected light (circularly polarized) varies with the angle of incidence according to the Bragg condition at = P cos e, n is here the average index of the sample. Thus, a planar-oriented cholesteric layer presupposes a well-defined homogeneous color.
Cette couleur varie avec certains paramètres tels que la pression, la température et l'application de champs extérieurs tels que : d'écoulement, électrique, magnétique. This color varies with certain parameters such as pressure, temperature and the application of external fields such as: flow, electrical, magnetic.
Du fait de la nature polymèrique du matériau, les propriétés viscoélastiques et rhéooptiques nécessaires aux applications du capteur peuvent être ajustées dans une très large gamme. En particulier, les paramètres tels que la valeur du pas de la structure cholestérique, sa variation sous l'effet d'une contrainte et la viscosité du materiau, qui conditionnent la gamme des contraintes explorées et la sensibilité du système sont contrôlables simultanément par le choix de variantes tels que les caractéristiques propres du polymère structrures chimiques du monomère et des substituants, degrés de polymérisation et de substitution, la nature physique de la solution : thermotrope et lyotrope et dans ce dernier cas la concentration de la solution et la nature chimique du ou des solvants. Due to the polymeric nature of the material, the viscoelastic and rheo-optical properties required for sensor applications can be adjusted in a very wide range. In particular, the parameters such as the value of the pitch of the cholesteric structure, its variation under the effect of a stress and the viscosity of the material, which condition the range of the stresses explored and the sensitivity of the system are controllable simultaneously by the choice variants such as the specific characteristics of the polymer chemical structures of the monomer and substituents, degrees of polymerization and substitution, the physical nature of the solution: thermotropic and lyotropic and in the latter case the concentration of the solution and the chemical nature of the solvents.
Les solutions cholestériques utilisées pour la réalisation du présent capteur de contrainte pourront être des solutions isotropes de dérivès cellulosiques telles que celles mentionnées dans le brevet Maeno (N579 > 511, 02/1975). Nous utilisons préférentiellement des solvants non volatils, tels que l'éthylène- et le diéthylène- glycol, le dibutylphtalate... de façon a réduire les problèmes de diffusion à travers la membrane élastique et a augmenter la durée de vie du capteur. Ce pourra être aussi d'autres solutions de ces mêmes dérivés cellulosiques dans des solvants complexes tels qu'une solution saline d'un solvant organique (ou d'eau) ou un mélange de solvants organiques (ou d'eau).En effet, l'adjonction d'un sel inorganique ou d'un (ou plusieurs) autres solvants dans la solution modifie les propriétés de la phase c.holesterique, telles que diagramme de phase et pas cholestérique. Les deux exemples reportés dans le tableau 1, sont relatifs a des solutions d'hydroxypropyl cellulose (t4w =105 )
Nous signalons l'intérêt d'utiliser des solutions de polysaccharides dans des capteurs à usage biomédical : ce sont en effet des substances bio compatibles, inoffensives pour l'homme, stérilisables...Dans certains cas > par exemple, lors de l'utilisatlon d'un solvant aqueux, des fongicides et bactéricides pourront être ajoutés à la solution sans altération de ses propriétés D'autres familles de polymères cholestériques peuvent être utilisées et nous citerons de façon non limitative : les polyglutamates, les polyesters, des polyméres en peigne..The cholesteric solutions used for producing the present stress sensor may be isotropic solutions of cellulosic derivatives such as those mentioned in the Maeno patent (N579> 511, 02/1975). We preferentially use non-volatile solvents, such as ethylene- and diethylene glycol, dibutyl phthalate ... so as to reduce the diffusion problems through the elastic membrane and to increase the life of the sensor. It may also be other solutions of these same cellulosic derivatives in complex solvents such as a saline solution of an organic solvent (or water) or a mixture of organic solvents (or water). the addition of an inorganic salt or one or more other solvents in the solution modifies the properties of the cholesteric phase, such as phase diagram and cholesteric pitch. The two examples reported in Table 1 relate to solutions of hydroxypropyl cellulose (t4w = 105)
We note the interest of using polysaccharide solutions in sensors for biomedical use: they are in fact bio compatible substances, harmless for humans, sterilizable ... In some cases> for example, when using of an aqueous solvent, fungicides and bactericides may be added to the solution without altering its properties Other families of cholesteric polymers may be used and we will cite in a nonlimiting manner: polyglutamates, polyesters, comb polymers. .
Pour chacune de ces solutions, un choix judicieux des paramètres physicochimiques permet d'obtenir une couche de matériau de couleur voulue. For each of these solutions, a judicious choice of physicochemical parameters makes it possible to obtain a layer of desired color material.
L'étroitesse du spectre de la lumiére diffusée par un tel film dépend de la qualité de l'organisation planaire (les plans cholestériques sont paralléles a la surface de référence) de l'échantillon. Cette organisation peut soit être induite par un encrage aux parois de type physique ou chimique, soit être atteinte spontanément ainsi que le montre la figure 2 dans le cas d'une solution aqueuse d'hydroxypropylcellulose HPC au bout d'un temps qui est fonction de la nature de la solution.The narrow spectrum of light diffused by such a film depends on the quality of the planar organization (the cholesteric planes are parallel to the reference surface) of the sample. This organization can either be induced by inking with the walls of the physical or chemical type, or be reached spontaneously as shown in FIG. 2 in the case of an aqueous solution of hydroxypropylcellulose HPC after a time which is a function of the nature of the solution.
La réponse spectrale de l'échantillon sous l'effet de l'application d'une contrainte est spécifique à chaque solution ; un déplacement vers le bleu de la longueur d'onde du maximum du pic de réflexion de Bragg est observé systématiquement. Un écoulement de la solution (cisaillement), induit par l'application d'une contrainte, peut produire, comme dans le cas des cristaux liquides de petites molécules un basculement partiel de l'hélice cholestérique pour des gradients de vitesse pas trop élevés et, à fort cisaillement, une tendance à l'alignement des molécules dans le sens de l'écoulement.Une diminution de la distance entre pseudo plans moléculaires liée a la réaction élastique de l'échantillon et une variation locale de concentration, liée aux intéractions polyméres-solvant qui peuvent conduire a des coefficients de diffusion translationnelle différents de chacun des constituants, peut induire un même déplacement spectral. The spectral response of the sample under the effect of the application of a stress is specific to each solution; a blue shift of the maximum wavelength of the Bragg reflection peak is systematically observed. A solution-induced (shear) flow of the solution can produce, as in the case of small molecule liquid crystals, a partial tilting of the cholesteric helix for not too high velocity gradients and, at high shear, a tendency to align the molecules in the direction of flow.A decrease in the distance between pseudo molecular planes related to the elastic reaction of the sample and a local variation in concentration, related to polymeric interactions. solvent that can lead to translational diffusion coefficients different from each of the constituents, can induce the same spectral shift.
Afin d'obtenir une dynamique de couleur la plus large possible, il est intéressant de disposer de solutions présentant, à l'équilibre, une longueur d'onde de la lumière réfléchie #0 se situant dans le rouge. Nous citons ici quelques exemples de solutions d'HPC lw = 6 x 104i pour lesquelles X, = 730 mm: HPC/H2O à 59% g/g, HPPC/Ethanol à 68,8%/g, HPC/Acide acétique à 71,5% g/g, HPC/Dimethyl acétamide à 68% g/g, HPC/Diethylene glycol à 57% g/g, HPC/(acide acétique 75%/H2O 25%) à 63,8%. In order to obtain the widest possible color dynamics, it is advantageous to have solutions having, at equilibrium, a wavelength of the reflected light # 0 lying in the red. We cite here some examples of HPC solutions lw = 6 x 104i for which X, = 730 mm: HPC / H2O at 59% g / g, HPPC / Ethanol at 68.8% / g, HPC / acetic acid at 71 5% g / g, HPC / Dimethyl acetamide 68% g / g, HPC / Diethylene glycol 57% g / g, HPC / (acetic acid 75% / H2O 25%) 63.8%.
Dans le cas particulier d'une solution aqueuse d'HPC à 59% ç./ç. une variation à pression de 10 g/cm a 60 g/cm2 entraîne un dépacement du rouge au bleu ( # = 664 nm) vers le bleu ( \= 525 nm): fig. 3. In the particular case of an aqueous solution of HPC 59% ç. / Ç. a variation at a pressure of 10 g / cm to 60 g / cm 2 causes a change from red to blue (# = 664 nm) to blue (\ = 525 nm): fig. 3.
Le présent dispositif permet également, par le choix judicieux des paramètres de la solution cholestérique, de disposer d'un capteur de contrainte telle que la longueur d'onde de la lumière réfléchie, située å l'équilibre dans le domaine IR, se déplace, lors de l'application d'une contrainte, soit dans la gamme IR soit encore vers des longueurs d'onde correspondant au domaine visible. The present device also makes it possible, by the judicious choice of the parameters of the cholesteric solution, to have a stress sensor such that the wavelength of the reflected light, located at equilibrium in the IR range, moves, when applying a constraint, either in the IR range or again to wavelengths corresponding to the visible range.
Précisons que la courbe de réponse spectrale du capteur P ( # ) est caractéristique du couple : couche polymérique - membrane élastique, à une température donnée. Le capteur de contrainte, faisant l'objet de la présente invention peut également servir pour établir des cartographies des pressions excercées par un objet porté à une température T différente de la température ambiante. ## suffit en effet de choisir les nouveaux paramètres physicochimiques de la solution tels que, à cette température se situe dans le rouge. Une solution d'HPC dans le diméthylacétamide - DMAC - de concentration 72% g/g peut par exemple être utilisée comme capteur de pression à 45 C. It should be noted that the spectral response curve of the P (#) sensor is characteristic of the pair: polymeric layer - elastic membrane, at a given temperature. The stress sensor, which is the subject of the present invention can also be used to establish maps of the pressures exerted by an object brought to a temperature T different from the ambient temperature. ## is enough to choose the new physicochemical parameters of the solution such that at this temperature is in the red. A solution of HPC in dimethylacetamide - DMAC - concentration 72% g / g may for example be used as a pressure sensor at 45 C.
Réciproquement, le capteur présentement décrit peut également être utilisé en tant que capteur de température # en travaillant à pression constante, la température peut être choisie comme paramètre principal. Dans ce cas, le capteur devient un indicateur de température définissant, par la répartition spatiale chromatique, les distributions correspondantes de températures. Un choix judicieux de la composition de la solution permet de fixer la loi de variation de la longueur d'onde en fonction de la température. Conversely, the sensor currently described can also be used as a temperature sensor # working at constant pressure, the temperature can be chosen as the main parameter. In this case, the sensor becomes a temperature indicator defining, by the chromatic spatial distribution, the corresponding distributions of temperatures. A judicious choice of the composition of the solution makes it possible to fix the law of variation of the wavelength as a function of the temperature.
Ainsi, dans l'exemple précédent, la solution d'HPC./DMAC à 72% g/g passe du bleu ( \ = 500 nm) au rouge ( \= 800 nm) de 20 à J3XC avec ## / T =-8,5 nm/'C. Il est également possible de réaliser un afficheur numérique ou analogique de valeurs thermiques en utilisant un panel d'éléments adaptés aux températures par la couleur
Dans le cas où l'analyse de la cartographie des pressions ne peut être réalisée in situ, il est toujours possible d'utiliser l-e présent capteur, en temps différé, en exploitant l'effet de la rémanence colorimétrique de l'échantillon.Le temps caractéristique de cette remanence est en par-ticulier fonction de la viscosité de la solution et de la tension de la membrane plastique. il peut varier de quelques secondes à plusieurs heures. Nous montro". un exemple de cette propriété dans le cas d'un échantillon d'HPC (Mw= 6 x 104)/H2O à 59% g/g sur la figure 4.Thus, in the previous example, the 72% g / g HPC / DMAC solution changes from blue (\ = 500 nm) to red (\ = 800 nm) from 20 to J3XC with ## / T = - 8.5 nm / ° C. It is also possible to realize a digital or analog display of thermal values by using a panel of elements adapted to the temperatures by the color
In the case where the analysis of the pressure mapping can not be carried out in situ, it is always possible to use the present sensor, in deferred time, by exploiting the effect of the colorimetric remanence of the sample. characteristic of this remanence is in particular a function of the viscosity of the solution and the tension of the plastic membrane. it can vary from a few seconds to several hours. We show an example of this property in the case of a HPC sample (Mw = 6 x 104) / H2O at 59% g / g in Figure 4.
La qualité du capteur - en particulier la largeur de la réponse spectrale de la lumière réfléchie - est conditionnée, d'une part, par la qua':ite de la couche polymérique qui doit être un,formérnent répartie sur la surface de référence et exempte de bulle d'air et d'autre part, par la qualité de la membrane élastique et par l'étanchéité du système. The quality of the sensor - in particular the width of the spectral response of the reflected light - is conditioned, on the one hand, by the quality of the polymeric layer which must be one, formally distributed on the reference surface and free of of air bubble and secondly, by the quality of the elastic membrane and by the tightness of the system.
Le procédé de réalisation décrit permet la fabrication de capteurs d'épaisseur .res fine (jusqu'a. quelques dizaines de microns) et de triés rani dimension, il comporte quatre étapes:
I) Préparation de la solution polymérique sous vide. Dans le cas d'une solution lyotrope, les constituants sont - de préférence - dégazés et transférés dans un malaxeur, sous vide. Le mélange est alors homogénéisé sous vide, à une température qui peut être éventuellement supérieure à la température ambiante (de façon à réduire la viscosité du milieu).The described production method allows the manufacture of sensors of fine thickness (up to a few tens of microns) and sorted rani dimension, it comprises four steps:
I) Preparation of the polymeric solution under vacuum. In the case of a lyotropic solution, the constituents are - preferably - degassed and transferred to a kneader under vacuum. The mixture is then homogenized under vacuum, at a temperature which may be greater than ambient temperature (so as to reduce the viscosity of the medium).
2) Dépôt de la solution sur le support de référence selon les opérations suivantes (fig. 5):
- Le volume à étaler, fig. 5. 1, correspond au volume du réceptacle fig. 5.2. Ce dernier peut être de dirnension et de forme - y compris alvéolaire - quelconques.2) Deposition of the solution on the reference support according to the following operations (Fig. 5):
- The volume to be spread, fig. 5. 1, corresponds to the volume of the receptacle fig. 5.2. The latter can be of any form and shape - including alveolar -.
- La solution est déposée en masse sur le récepteur. - The solution is deposited in mass on the receiver.
- Elle est recouverte d'une feuille transparente, fig. 5.3, inerte vis-à-vis de la solution (acétate de cellulose, mylar...). Un bloc support transparent posé sur la feuille intercalaire - par exemple en plexiglass - sert de transmetteur de pression P, fig. 5B, de façon à produire une compression et un étalement de la solution jusqu'au remplissage complet du réceptacle et a obtenir un étalement - écoulement E, fig. 5B, homogène du produit sans emprisonnement de bulles d'air. La transparence des feuilles intermédiaires permet le contrôle de la qualité de la couche : planéité, épaisseur constante, absence de bulle d'air et dtinhomogénéité. - It is covered with a transparent sheet, fig. 5.3, inert vis-à-vis the solution (cellulose acetate, mylar ...). A transparent support block placed on the interlayer sheet - for example in plexiglass - serves as a pressure transmitter P, FIG. 5B, so as to produce a compression and spreading of the solution until the complete filling of the receptacle and to obtain a spreading-flow E, fig. 5B, homogeneous product without trapping air bubbles. The transparency of the intermediate sheets makes it possible to control the quality of the layer: flatness, constant thickness, absence of air bubbles and inhomogeneity.
3) Séparation de la feuille intermédiaire du produit polymérique par abaissement de la température jusqu'à congélation de la solution. En fonction de la nature de la solution, des températures allant de O > à - 80 peuvent être nécessaires. Elles permettent de détacher aisément l'interface - filn transparent - de la solution, sans altérer l'état de surface du capteur. 3) Separation of the intermediate sheet of the polymer product by lowering the temperature until freezing of the solution. Depending on the nature of the solution, temperatures ranging from 0 to 80 may be necessary. They allow to easily detach the interface - transparent filn - of the solution, without altering the surface state of the sensor.
4) Application et encollement de la membrane élastique préalablement uniformément tendue sur le support rigide contenant la solution polymérique. Cette opération peut être réalisée sous vide de façon a éviter d'emprisonner de l'air. 4) Application and sizing of the elastic membrane previously uniformly stretched on the rigid support containing the polymeric solution. This operation can be performed under vacuum so as to avoid trapping air.
Il est tenu compte dans le calcul initiai des proportions pondérales relatives solvant/solution de l'évaporation éventuelle du solvant ccrsec tive aux opérations i et 4 réalisées sous vide. In the initial calculation, account is taken of the relative proportions by weight of the solvent / solution of the possible evaporation of the solvent which corresponds to operations i and 4 carried out under vacuum.
Les capteurs ainsi réalisés peuvent s'intégrer dans différentes structures permettant de définir les répartitions et les valeurs des contraintes exercées lors d'appuis statiques ou dynamiques, d'impacts, de déformations mecaniques... The sensors thus produced can be integrated into different structures making it possible to define the distributions and the values of the stresses exerted during static or dynamic supports, impacts, mechanical deformations, etc.
- Dans le domaine biomédical, peuvent être étudiés les appuis plantaires, les déformations structurales (lordose, cyphose...), la dynamique respiratoire, les surfaces de contact d'un milieu extérieur avec les surfaces corporelles (matelas alterning, casque de protection, siège, prothèses orthopédiques et ondotologiques...), les rééducations fonctionnelies, musculaires, osseuses, respiratoires... - In the biomedical field, can be studied the plantar supports, the structural deformations (lordosis, kyphosis ...), the breathing dynamics, the contact surfaces of an external environment with the body surfaces (mattress alterning, helmet of protection, seat, orthopedic and ondotological prostheses ...), functional, muscular, bony and respiratory reeducations ...
- Dans le domaine de l'ergonomie, les capteurs peuvent être utilisés pour l'adaptation de sièges et de postes de travail ainsi que des sièges de véhicules. - In the field of ergonomics, sensors can be used for the adaptation of seats and workstations as well as vehicle seats.
- Dans le cadre de l'analyse de l'impact de projectiles ou d'objets en mouvement, ces capteurs peuvent être utilisés. - When analyzing the impact of projectiles or moving objects, these sensors can be used.
- Dans des problèmes de reconnaissance de formes. - In shape recognition problems.
Trois exemples seront plus particulièrement décrits:
1 ) Le statokinésimomètre. Three examples will be more particularly described:
1) The statokinesimometer.
2) L'odontologie
3) Industriel.2) Odontology
3) Industrial.
LE STATOKINESIMOMETRE
Le capteur de contrainte, dont le procédé de fabrication a été précédemment décrit, est associé à deux parties: un statif et un système de mémorisation des courbes isochromes associées correspondant aux répartitions des pressions.THE STATOKINESIMOMETER
The stress sensor, the manufacturing method of which has been previously described, is associated with two parts: a stand and a system for memorizing the associated isochrome curves corresponding to the pressure distributions.
La nature de la couche polymérique, son épaisseur ainsi que les caractéristiques de la membrane élastique seront choisies parmi les solutions décrites précédemment, de façon a permettre d'analyser des contraintes appliquées variant de quelques dizaines de g/cm a quelques kg/cm2. The nature of the polymeric layer, its thickness as well as the characteristics of the elastic membrane will be chosen from the solutions described above, so as to make it possible to analyze applied stresses varying from a few tens of g / cm to a few kg / cm 2.
Cet appareillage 2 pour but de définir les répartitions des appuis
plantaires et autres appuis Corporels, les efforts excercés par un groupement musculaire ou articulaire, les études relatives aux troubles de l'équilibre.. This apparatus 2 for the purpose of defining the distributions of the supports
Plantar and other body supports, efforts exerted by a muscular or articular group, studies relating to equilibrium disorders.
Le statif, fig.6, comporte le système optique ,fig. 6.1 et fig.7, réalisant le transfert de l'image du capteur, fig. 6.2, sur les récepteurs visueis, photographqiues ou autres (camera, magnétoscope, système de
numérisation...) ainsi que le dispositif permettant de définir la position du patient, fig. 6.The stand, fig.6, comprises the optical system, fig. 6.1 and fig.7, carrying out the transfer of the image of the sensor, fig. 6.2, on visual, photographic or other receivers (camera, video recorder,
digitization ...) and the device for defining the position of the patient, fig. 6.
En fonction de l'uilisation souhaitée, une image de l'empreinte colonimétrique de rapport réduit ou I/I peut être obtenue. Depending on the desired use, an image of the reduced ratio or I / I colonimetric imprint can be obtained.
En vers on simple, fig.7, le systéme optique se réduit å ur jeu de miroirs, le pierrier, fig. 7. !, à 4' du plan défini par le capteur, fig. 7 7.3, permet l'enregistrement photographique, le second, fic. 7.2 > sensiblement parallèle au plan de ce dernier permet la vision directe de la plaque
Un système photographique à développement instantané fig. 7.6, dort l'optique, fig. 74, est ajustée pour l'optimisation du champ de vision est couplé - au miroir - Dans certains cas, l'image peut être véhiculée par fibre optique (avec une optique d'entrée type Hopkins ou autre).In verse simple, fig. 7, the optical system is reduced to a set of mirrors, the scree, fig. 7.!, 4 'of the plane defined by the sensor, fig. 7.3, allows the photographic recording, the second, fic. 7.2> substantially parallel to the plane of the latter allows the direct vision of the plate
A photographic system with instantaneous development fig. 7.6, sleeps optics, fig. 74, is adjusted for the optimization of the field of view is coupled - to the mirror - In some cases, the image can be conveyed by optical fiber (with a Hopkins or other type of input optics).
Un système d'éclairement en lumière blanche et à champ quasi uniforme, fig. 7.5a et fig. 7.5b, est associé à la vision directe par l'intermédiaire du miroir. A system of illumination in white light and with almost uniform field, fig. 7.5a and fig. 7.5b, is associated with direct vision through the mirror.
En ce qui concerne les récepteurs, l'éclairement peut être du type flash, stroboscopique ou continu. Une numérisation de l'image avec une fréquence d'échantillonnage adaptée à la dynamique des réponses du capteur peut être associée. With regard to the receivers, the illumination can be of the flash, strobe or continuous type. A digitization of the image with a sampling frequency adapted to the dynamics of the sensor responses can be associated.
La position du corps du patient, soit au repos, soit lors d'un mouvement peut être déterminée simultanément à l'aide d'un dispositif comportant soit un système de caméras associé à un traitement sur ordinateur, soit un jeu de Sou N cellules ultra-son émettrices réceptrices, fig. 6. 3,4,5, soit 2 ou N cadres bobinés en fil de cuivre émaillé couplés perpendiculairement, fig. 6.6, 7, 8, 9, ou encore les deux. The position of the patient's body, either at rest or during a movement can be determined simultaneously using a device comprising either a camera system associated with a computer treatment or a game of Sou N cells ultra its receivers, fig. 6. 3,4,5, ie 2 or N coiled frames in enamelled copper wire coupled perpendicularly, FIG. 6.6, 7, 8, 9, or both.
Le fonctionnement des cellules ultra-son est le suivant : l'émission est pulsée toutes les 5 ms, la réception comporte un discriminateur de temps entre l'instant du départ de l'émission, fig. 8A, et le retour de l'onde réfléchie, fig. 8B, une bascule JK, fig. 8C, un produit logique, fig. 8E, entre la durée de laller-retour de l'onde se réfléchissant sur le patient et une horloge H, fic. SE. Une mémoire M, fig. 8F, mémorise les résultats de ce produit logique, fig. SE , des N cellules à différentes adresses. Un ou plusieurs convertisseurs numériques analogiques couplés au contenu de ces mémoires
donneront un trace des différentes positions du patient.La précision sur la
défini ton de la position est de l'ordre du mm.The operation of the ultrasonic cells is as follows: the emission is pulsed every 5 ms, the reception comprises a time discriminator between the instant of departure of the emission, FIG. 8A, and the return of the reflected wave, fig. 8B, a flip-flop JK, fig. 8C, a logical product, fig. 8E, between the duration of the return of the wave reflecting on the patient and a clock H, fic. SE. A memory M, fig. 8F, stores the results of this logical product, fig. SE, N cells at different addresses. One or more analog digital converters coupled to the contents of these memories
will give a record of the different positions of the patient.The accuracy on the
defined tone of the position is of the order of mm.
Parallèlement, un ou N émetteurs électromagnétiques -solénoïdes
de fréquence > fig. 6. 6,/,8.9, pourront être fixés sur le corps du patient
qui dans leur déplacement induisent une f.e.m., dans les cadres bobinés, de
la forme e = N dB(#i )/dt cos α où N est le nombre de spires de la bobine.In parallel, one or N electromagnetic emitters -solenoids
frequency> fig. 6. 6, /, 8.9, can be fixed on the body of the patient
which in their displacement induce a fem, in the wound frames, of
the form e = N dB (#i) / dt cos α where N is the number of turns of the coil.
la la ta variation de l'induction créée par l'émetteur eta l'angle que fait le
solénoide avec la normale au cadre.the variation of the induction created by the emitter and the angle that the
solenoid with the normal to the frame.
Le procédé de fabrication des capteurs préalablement décrit,
permettant la réalisation de dispositifs de grande dimension, une extension
je l'appar-eiliage précédent peut être realisée afin de permettre l'analyse Ou
déroulement du pied lors d'une marche ormaie ou pathologique. L'étude de 3
ou 4 pas nécessite une surface de capteur de l'ordre de 60 cm x 240 cm.The method of manufacturing the sensors previously described,
allowing the realization of large devices, an extension
I can see the previous one can be done to allow the analysis Or
unwinding of the foot during an ormaie or pathological walk. The study of 3
or 4 steps requires a sensor area of the order of 60 cm x 240 cm.
APPLICATION EN ODONTOLOGIE
La présente invention peut être utile à définir l'optimisation des
points d'appui prothétiques que ce soit en prothèse totale ou en points
d'appuis occlusaux.APPLICATION IN ODONTOLOGY
The present invention may be useful in defining the optimization of
prosthetic points of support, whether in full dentures or in points
occlusal support.
Dans le premiers cas, fig.9 et fic. 10, un moulage du palais et de son
revêtement muqueux permet ce réaliser une prothèse comprenant une face
classique transparente (empreinte ou moulage du palais), fig. 9.3 et 10.3, et
une face élastique, fig. 9.4 et 10.4, en contact avec le palais. Entre ces deux
faces, un film de polymère cholestérique, fig. 9.2 et 10.2, mémorise les
différentes zones de pression et permet ainsi d'adapter au mieux la prothèse
a réaliser par les corrections qui s'imposent. 11 en est de même en ce qui
concerne le maxillaire inférieur.Ce procédé permet, par ailleurs, de définir
les propriétés élastiques de la prothèse et de son importance dans la
distribution des contraintes sur son support (système stomatognatique) avec
le retentissement sur la sialorrhée.In the first case, fig.9 and fic. 10, a molding of the palace and its
mucous coating allows this to realize a prosthesis comprising a face
transparent classic (impression or molding of the palate), fig. 9.3 and 10.3, and
an elastic face, fig. 9.4 and 10.4, in contact with the palace. Between these two
faces, a cholesteric polymer film, fig. 9.2 and 10.2, memorize the
different pressure zones and thus allows to better adapt the prosthesis
to achieve by the necessary corrections. The same is true of
This procedure allows, moreover, to define
the elastic properties of the prosthesis and its importance in the
distribution of the stresses on its support (stomatognatic system) with
the repercussion on the salivation.
En ce qui concerne les déformations de la texture osseuse de la
mandibule par le positionnement des élèment prothétiques, crochets et appuis
occlusaux, la présente innovation permet aussi d'analyser, fig. 11, la
répartition des forces entre les dents piliers et les crêtes ainsi que dans l'os
alvéolaire. Le film cholestérique, fig. 11.1, est emprisonné entre un moule en
plexiglass, fig. 11.2, et la dent elle-même, fig. 11.6.Regarding the deformations of the bone texture of the
mandible by positioning prosthetic elements, hooks and supports
occlusal, the present innovation also allows to analyze, fig. 11, the
distribution of forces between the abutment teeth and the ridges as well as in the bone
alveolar. The cholesteric film, fig. 11.1, is trapped between a mold
plexiglass, fig. 11.2, and the tooth itself, fig. 11.6.
Les pressions et contraintes exercées sur le plan de référence, en
mordu statique ou en mordu d'occlusion de convenance s'établissent aisément
en remance colorimétrique du capteur constitué par exemple, fig. 12, par la
superposition de deux modules comportant une couche de solution
cholestérique, fig. 12.1A et fig. 12.1B, emprisonnée entre une membrane plastique noire, fig. 12. 2A et fig 12.5 et un film transparent, fig. l2.3A et fig. 12.3B
III.APPLICATION DANS LE DOMAINE INDUSTRIEL
La présente innovation peut être utilisée dans les problémes ce reconnaissance de forme d'objets par l'intermédiaire de leur appui sur le capteur Celui-ci permet en effet de discriminer des formes en trois dimensions, par exemple un objet plan-convexe peut être différencié d'un objet plan par l'analyse chromatique des anneaux concentriques de l'image, fig. 13. The pressures and constraints exerted on the reference plane,
bitten static or bite-bite convenience are easily established
in colorimetric recovery of the sensor constituted for example, fig. 12, by
superposition of two modules with a solution layer
cholesteric, fig. 12.1A and fig. 12.1B, trapped between a black plastic membrane, fig. 12. 2A and Fig. 12.5 and a transparent film, fig. 12.3A and fig. 12.3b
III.APPLICATION IN THE INDUSTRIAL FIELD
The present innovation can be used in the problems of this recognition of shape of objects by means of their support on the sensor. This one makes it possible to discriminate shapes in three dimensions, for example a plano-convex object can be differentiated. of a plane object by the chromatic analysis of the concentric rings of the image, fig. 13.
COMMENTAIRE DES FIGURES
Fig. . P. pression exercée sur le capteur
E èclairement du capteur
1, 2, 3, 4: cf. texte
Fig. 2 # longeur d'onde en nm du maximum du spectre t? r. COMMENTARY FIGURES
Fig. . P. pressure exerted on the sensor
Sensor illumination
1, 2, 3, 4: cf. text
Fig. 2 # wavelength in nm of the maximum of the spectrum t? r.
lumière réfléchie sur le capteur
l'intensité de la lumière réfléchie, en unité arbitraire
Les spectres sont enregistrés chaque minute
A1 t2mm; Ai=t=(2+i)mn; B: t=48 heures
Fig. 3 p pression exercée sur le capteur en g.cm-2
# longeur d'onde de la lumière réflechie en nm
Courbe A: solution HPC (Mw = 6 x 104)/H2O, C#59% g/g
Courbe 5: Solution HPC (Mw= 6 x 1 04)/DEG, CS 57%g/g
Fig 4. 1 : intensité de la lumière réfléchie
T: temps
E: excitation
D: relaxation exponentielle
Fig. 5 A.H: cale d'épaisseur
1 à 4: cf. texte
Fig. 5 E. P : pression exercée
E: étalement - écoulement
1 à 4: cf. texte
Fig. 6. 1 à 9: cf. texte
Fig. 7. 0: observateur
1 à 6: cf. texte
Fig. 8. A a F : cf. texte
Fig. 9. Vue de profil
1
Fig. 10. Vue de dessus
1 r 14 cf. texte
Fig. 11 D: déplacement
F: force
3: couvercle d'étanchéité
4: joint élastique
5: lumière incidente
Fig. 12. 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B: cf. texte
Fig. 13. 1 . couche de polymère cholestérique
2: membrane élastique noire
3: surface de référence
4: coupelle
5. gradient de contrainte
6. # lignes isochrones
F. contrainte exercée
E éclairement
TABLEAU 1
reflected light on the sensor
the intensity of the reflected light, in arbitrary unit
Spectra are recorded every minute
A1 t2mm; Al = t = (2 + i) mn; B: t = 48 hours
Fig. 3 p pressure exerted on the sensor in g.cm-2
# wavelength of reflected light in nm
Curve A: HPC solution (Mw = 6 x 104) / H2O, C # 59% g / g
Curve 5: HPC solution (Mw = 6 x 10) / DEG, CS 57% g / g
Fig 4. 1: Intensity of reflected light
T: time
E: excitement
D: exponential relaxation
Fig. 5 AH: shim
1 to 4: cf. text
Fig. E. P: Pressure exerted
E: spreading - flow
1 to 4: cf. text
Fig. 6. 1 to 9: cf. text
Fig. 7. 0: observer
1 to 6: cf. text
Fig. 8. A to F: cf. text
Fig. 9. Profile view
1
Fig. 10. View from above
1 r 14 cf. text
Fig. 11 D: displacement
F: strength
3: sealing cover
4: elastic seal
5: incident light
Fig. 12. 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B: cf. text
Fig. 13. 1. cholesteric polymer layer
2: black elastic membrane
3: reference area
4: cup
5. stress gradient
6. # isochronous lines
F. constraint
E illumination
TABLE 1
<SEP> HPC(105) <SEP> %LiCl <SEP> TTr <SEP> #0 <SEP> <SEP> HPC <SEP> (105) <SEP> %H2O <SEP> TTr <SEP> #0
<tb> <SEP> /KNMA+
<tb> <SEP> /H2O <SEP> C <SEP> (nm) <SEP> DMP)+ <SEP> ( C) <SEP> (nm)
<tb> <SEP> H2O]
<tb> <SEP> (a) <SEP> (b) <SEP> (c) <SEP> (d) <SEP> (e) <SEP> (f)
<tb> <SEP> 50% <SEP> 0% <SEP> 55 <SEP> 1162 <SEP> 66% <SEP> 0% <SEP> 116 <SEP> 700
<tb> <SEP> 1.4% <SEP> 38 <SEP> 856 <SEP> 9% <SEP> 122 <SEP> 600
<tb> <SEP> 2.6% <SEP> - <SEP> 550 <SEP> 39% <SEP> 162 <SEP> 525
<tb> (a) La concentration est exprimee en poids de polymère
par rapport au poids total de la solution.<SEP> HPC (105) <SEP>% LiCl <SEP> TTr <SEP># 0 <SEP><SEP> HPC <SEP> (105) <SEP>% H2O <SEP> TTr <SEP># 0
<tb><SEP> / KNMA +
<tb><SEP> / H2O <SEP> C <SEP> (nm) <SEP> DMP) + <SEP> (C) <SEP> (nm)
<tb><SEP> H2O]
<tb><SEP> (a) <SEP> (b) <SEP> (c) <SEP> (d) <SEP> (e) <SEP> (f)
<tb><SEP> 50% <SEP> 0% <SEP> 55 <SEP> 1162 <SEP> 66% <SEP> 0% <SEP> 116 <SEP> 700
<tb><SEP> 1.4% <SEP> 38 <SEP> 856 <SEP> 9% <SEP> 122 <SEP> 600
<tb><SEP> 2.6% <SEP> - <SEP> 550 <SEP> 39% <SEP> 162 <SEP> 525
<tb> (a) The concentration is expressed by weight of polymer
relative to the total weight of the solution.
(b) %LiCl correspond au poids de LiCl par rapport au
poids total de la solution.(b)% LiCl is the weight of LiCl relative to
total weight of the solution.
(c) TT correspond a la température de la transition
phase anisotrope - gel anisotrope.(c) TT is the temperature of the transition
anisotropic phase - anisotropic gel.
(d) La concentration est exprimée en poids de polymère
Par rapport au poids total de la solution.(d) The concentration is expressed in weight of polymer
Relative to the total weight of the solution.
Le rapport en poids relatif de NMA (N Methyl Acéta
mide) par rapport au poids de DMF (Diméthyl forma
mide ) est de 56/44.The ratio by relative weight of NMA (N Methyl Acéta
mide) relative to the weight of DMF (dimethyl forma
mide) is 56/44.
(e) %H2O est exprimé en poids d'H20 par rapport au poids
du solvent.(e)% H2O is expressed by weight of H20 by weight
of the solvent.
(f) TTr correspond a la température de transition aniso
trope - isotrope. (f) TTr corresponds to the aniso transition temperature
trope - isotropic.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR8616693A FR2607252B1 (en) | 1986-11-24 | 1986-11-24 | SENSORS OF CONSTRAINTS, TEMPERATURES AND FORMS, FOR BIOMEDICAL AND INDUSTRIAL USE, USING CHOLESTERIC POLYMERS |
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FR2607252B1 FR2607252B1 (en) | 1990-11-09 |
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FR8616693A Expired - Fee Related FR2607252B1 (en) | 1986-11-24 | 1986-11-24 | SENSORS OF CONSTRAINTS, TEMPERATURES AND FORMS, FOR BIOMEDICAL AND INDUSTRIAL USE, USING CHOLESTERIC POLYMERS |
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