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FR3039979A1 - Procede de mesure d'un parametre electrophysiologique au moyen d'un capteur electrode capacitive de capacite controlee - Google Patents

Procede de mesure d'un parametre electrophysiologique au moyen d'un capteur electrode capacitive de capacite controlee Download PDF

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FR3039979A1
FR3039979A1 FR1557676A FR1557676A FR3039979A1 FR 3039979 A1 FR3039979 A1 FR 3039979A1 FR 1557676 A FR1557676 A FR 1557676A FR 1557676 A FR1557676 A FR 1557676A FR 3039979 A1 FR3039979 A1 FR 3039979A1
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Pierre Prot
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Abstract

L'invention concerne une électrode capacitive de mesure d'un paramètre physiologique d'un sujet, comprenant : - un corps (32) en matériau électriquement isolant, le corps (32) comprenant une base (31) et une pluralité de protubérance (34) s'étendant en saillie à partir de la base (31), et - une pluralité d'éléments capacitifs (37) en matériau électriquement conducteur, noyés à l'intérieur du corps (32), chaque élément capacitif (37) étant disposé à l'intérieur du corps (32), au niveau d'une extrémité des protubérances respectives (34), de sorte que lorsque les extrémités des protubérances (34) sont en contact avec la peau du sujet, les éléments capacitifs sont à une distance prédéfinie de la peau.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de mesure d’un paramètre physiologique d’un sujet, sous la forme d’une électrode capacitive.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE L’électrophysiologie est l’étude de ces signaux physiologiques de nature électrique. Les mesures les plus courantes sont la mesure de l’activité musculaire par un électromyogramme, l’enregistrement de l’activité du muscle cardiaque par un électrocardiogramme ou l’activité cérébrale par électroencéphalogramme.
Ces signaux peuvent être mesurés directement au niveau de la zone de mesure cutanée de manière non invasive.
Afin de suivre en continu l’état physiologique d’un utilisateur, il est connu de placer des électrodes conductrices en contact de la zone de mesure cutanée. Grâce au contact électrique de l’électrode au niveau de la zone de mesure cutanée, les variations du potentiel électrique résultantes de l’activité électrophysiologie font varier le potentiel électrique de l’électrode. Ces variations sont ensuite directement enregistrées par un circuit électronique.
Cependant, le fonctionnement de ce type de capteur nécessite un bon contact électrique avec la zone de mesure cutanée qui est généralement obtenu par l’utilisation d’un gel ou autre substance aqueuse conductrice. Le recours à une substance conductrice dégrade considérablement l’ergonomie du système pour le sujet, la stabilité de ses caractéristiques au cours du temps et le temps de mise en place des électrodes en particulier hors de centres de recherche ou de soin.
Les entreprises Cognionics, g.tec, emotiv et neuroelectrics ont développé des électrodes de type conducteur sec ne nécessitant pas l’ajout d’un gel de contact électrique entre la zone de mesure cutanée et l’électrode. Ces dispositifs sont décrits dans les documents US4967038 A, US8326396 B2, U S8644904 B2, US8548554 B2.
Cependant, lesdites électrodes de type conducteur sec nécessitent un contact électrique avec la zone de mesure cutanée et une possible irritation de la peau. D’autre part, la faiblesse du contact électrique entre les électrodes et la zone de mesure cutanée résulte en une forte impédance et en une dégradation de la qualité des signaux électrophysiologiques recueillis. Pour ces systèmes, la sudation est aussi une source de dégradation de la qualité du signal.
Afin de résoudre ces limitations, des électrodes dites capacitives ne nécessitant pas de contact électrique ont été proposées.
Le document GB 2353594A décrit lesdites électrodes capacitives pour des mesures électrophysiologiques. Mais l’absence d’une géométrie adaptée ne permet pas de garantir une distance répétable et stable avec la zone de mesure cutanée, notamment dans les zones à forte capillarité telle que le scalp. La capacitance effective de l’électrode est donc sujette à des fluctuations qui dégradent le signal enregistré.
Le document US 2014/0171775 décrit un système d’électrode capacitive intra auriculaire. Ce positionnement de l’électrode ne faisant pas partie des standards de l’électrophysiologie, une telle mesure n’est généralement pas utilisable dans un cadre médical ou de recherche.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de proposer un procédé de mesure d’un paramètre électrophysiologique au moyen d’un dispositif de mesure capacitif intégré dans un support permettant une précision et une ergonomie améliorées.
Ce but est atteint grâce à des électrodes capacitives de mesure d’un paramètre physiologique d’un sujet comprenant entre autres un corps isolant, des éléments capacitifs conducteurs.
Le corps est constitué de matériau électriquement isolant. Il comprend une base et une pluralité de protubérances s’étendant en saillie à partir de la base. Ces protubérances permettent de traverser les éléments capillaires de sorte que l’extrémité des protubérances soit en contact mécanique directe avec la zone de mesure.
Chacun des éléments capacitifs est constitué de matériau électriquement conducteur noyé à l’intérieur du corps. Chaque élément capacitif est disposé à l’intérieur du corps, au niveau d’une extrémité des protubérances respectives, de sorte que lorsque les extrémités des protubérances sont en contact avec la peau du sujet, les éléments capacitifs sont à une distance prédéfinie et constante de la peau.
Ces deux caractéristiques permettent de placer l’élément de mesure, l'élément capacitif, à une distance fixe de la zone de mesure afin d’obtenir une capacitance fixe reproductible et non affectée par la sudation.
Les électrodes capacitives ci-dessus peuvent en outre présenter au moins l’une des caractéristiques suivantes : - Les électrodes capacitives comprennent une carte électronique s’étendant à l’intérieur de la base du corps, et un fil électriquement conducteur reliant chaque élément capacitif à la carte électronique.la carte électronique peut être configurée pour générer un signal de mesure du paramètre physiologique en fonction des potentiels électriques des éléments capacitifs. - Les électrodes capacitives peuvent aussi comprendre une couche de blindage disposée à l’intérieur du corps, et s’étendant sur une partie de la base. La couche de blindage permet de réduire la sensibilité aux perturbations électromagnétiques ne provenant pas de la zone de mesure. - La couche de blindage peut éventuellement être disposée entre la carte électronique et les éléments capacitifs. - Les électrodes capacitives peuvent en outre posséder un connecteur s’étendant à travers le corps pour raccorder la carte électronique à un dispositif externe de traitement des signaux électriques représentatif d’un potentiel électrique mesuré par les éléments capacitifs. - Le corps de l’électrode peut être formé par moulage du matériau électriquement isolant directement sur les éléments capacitifs. L’invention concerne également un dispositif de mesure d’un paramètre physiologique d’un sujet comprenant : - un support capable de revêtir une partie du corps du sujet, - au moins une électrode capacitive conforme à la description qui précède, l’électrode capacitive étant fixée sur le support de sorte que lorsque le sujet est revêtu du support, le support maintient les extrémités des protubérances en contact avec la peau du sujet.
Ces supports permettent également de positionner les électrodes capacitives simplement et de manière reproductible. Le support permet l’application d’une contrainte mécanique entre le capteur et la zone de mesure. Cette contrainte mécanique permet de minimiser les perturbations associées au mouvement du capteur et assure le contact mécanique du capteur avec la zone de mesure.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le support peut revêtir le torse du sujet pour permettre l’enregistrement d’un électrocardiogramme.
Dans un autre mode de réalisation de l’invention, le support est propre à revêtir la tête du sujet pour permettre l’enregistrement d’un électroencéphalogramme.
Dans un autre mode de réalisation de l’invention, le support est propre à revêtir le torse du sujet pour permettre l’enregistrement d’un électromyogramme.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le dispositif comprend une électrode capacitive de référence et une ou plusieurs électrode(s) capacitives. Il est en effet commun en électrophysiologie de réaliser des mesures dites différentielles par l’utilisation d’une électrode dite de référence. L’invention concerne en outre un procédé de mesure d’un paramètre physiologique d’un sujet, à l’aide d’un dispositif de mesure selon la description qui précède, comprenant une étape consistant à : - obtenir un signal de référence à l’aide d’électrodes capacitives de référence, - obtenir un signal de mesure à l’aide du d’électrodes capacitives de mesure, et - obtenir un signal représentatif du paramètre physiologique par soustraction du signal de référence au signal de mesure.
Dans un mode de mise en oeuvre de l’invention, le procédé peut aussi comprendre une étape consistant à : - appliquer un filtre de correction sur le signal représentatif du paramètre physiologique, le filtre de correction augmentant l’amplitude relative de certaines composantes fréquentielles du signal par rapport à d’autres composantes fréquentielles.
En effet, comme expliqué ci-dessous, les électrodes capacitives agissent comme un filtre passe-haut. Ce filtre modifie le signal ce qui peut être considéré comme un désagrément. L’application d’un filtre adapté (décrit ci-dessous) permet de remédier à ce défaut en corrigeant à postériori les modifications du spectre fréquentiel afin d’obtenir un signal plus représentatif des variations du potentiel électrique de la zone de mesure.
PRESENTATION DES DESSINS D’autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées.
La figure 1 représente de manière schématique un exemple de dispositif de mesure d’un paramètre électrophysiologique conforme à un mode de réalisation de l’invention.
Les figures 2A et 2B représentent, de manière schématique, un autre exemple de dispositif de mesure d’un paramètre électrophysiologique conforme à un mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 représente, de manière schématique, en vue de dessous, un capteur électrode capacitive conforme à un mode de réalisation de l’invention
La figure 4 représente, de manière schématique en vue en coupe, le capteur capacitif de la figure 3.
La figure 5 représente de manière schématique, en vue de dessus, le capteur électrode capacitive de la figure 3.
La figure 6A représente, de manière schématique, un exemple de circuit électronique d'un capteur électrode capacitive ainsi que des éléments extérieurs au capteur électrode capacitive.
La figure 6B représente, de manière schématique, un autre exemple de circuit électronique d'un capteur électrode capacitive comprenant un système de blindage ainsi que des éléments extérieurs au capteur électrode capacitive.
DESCRIPTION DETAILLEE
Sur les figures 1, 2a et 2b le dispositif de mesure des signaux électrophysiologiques comprend une pluralité de capteurs électrode capacitive intégrés 11 dans un support 111 afin de suivre au moins un paramètre électrophysiologique d’un sujet, par exemple un électromyogramme ou un électroencéphalogramme ou un électrocardiogramme.
Le support 111 se présente sous forme d’un vêtement, tel qu’un t-shirt ou un bonnet, propre à revêtir la zone de mesure.
Le support 111 des capteurs électrode capacitive 11 possède des propriétés mécaniques et un patronage permettant d’appliquer une contrainte mécanique au niveau des capteurs électrode capacitive 11 améliorant le contact mécanique entre la pointe 33 des protubérances 34 et la zone de mesure cutanée du scalp 40.
Dans le mode de réalisation illustré dans la figure 1, le support des capteurs électrode capacitive est un t-shirt entourant le buste.
Dans le mode de réalisation illustré dans la figure 1, le positionnement des capteurs électrode capacitive de 13 à 19 permet l’enregistrement de l’activité électrique cardiaque et les capteurs électrode capacitive 101 à 104 de l’activité électrique de muscles au niveau des bras et de l’abdomen.
La position des capteurs électrode capacitive 11 est prédéfinie de sorte que l’enfilage du dispositif de mesure par l’utilisateur entraîne le positionnement des capteurs électrode capacitive 11 à des endroits du corps prédéfini et reproductible permettant la mesure du ou des paramètre(s) électrophysiologiques d’intérêt.
Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif de mesure d’un paramètre physiologique est un casque d’électroencéphalogramme 2.
Dans une réalisation particulière, les positions des capteurs électrodes capacitives dans le bonnet 2 suivent un montage de type 10-20 bien connu, comme dans le mode de réalisation décrit en figure 2B.
Dans un mode de réalisation particulier, une mentonnière 23 peut être comprise dans ledit casque d’électroencéphalogramme 2 de sorte à augmenter les contraintes mécaniques sur les capteurs électrode capacitive au niveau du scalp afin d'améliorer le contact mécanique entre lesdites pointes 33 des protubérances 34 et la zone de mesure cutanée 40.
Les figures 3 et 4 représentent un mode de réalisation des capteurs électrode capacitive 3.
Dans un mode de réalisation les capteurs électrode capacitive 3 sont formés d’un corps 32 en matériau électriquement isolant. Le corps comprend une basse plane 31 de 0.5cm à 3cm et d’une pluralité de protubérances 34 s’étendant en saillie à partir de la base 31.
Une pluralité d’élément capacitif 301 en matériau électriquement conducteur, noyé à l’intérieur du corps 32, au niveau de l’extrémité d’une protubérance 34, de sorte que lorsque les extrémités des protubérances 34 sont disposées en contact avec la peau du sujet 40, les éléments capacitifs 37 des électrodes s’étendent à une distance prédéfinie de la peau en formant un condensateur avec la zone de mesure 40.
Une carte électronique 36 s’étend à l’intérieur de la base 31 du corps 32.
Chaque élément capacitif 37 est relié par un fil 38 à la carte électronique 36.
Un connecteur 35, s’étant au travers du corps 32 pour raccorder la carte électronique 36 à un dispositif externe d’enregistrement ou de traitement de signaux physiologique.
Les protubérances 34 sont réparties de sorte qu’elles soient équidistantes, périodiques ou pseudopériodiques en fonction du mode de réalisation choisi. Le nombre, la distance entre protubérances, la répartition sur la base et la géométrie des protubérances sont optimisés de sorte que les protubérances puissent traverser l’épaisseur capillaire et afin d’établir un contact mécanique direct avec la zone de mesure cutanée du sujet.
Ainsi, selon les sujets, l’absence totale, ou le très faible nombre d’éléments capillaire entre la zone de mesure cutanée 40 et la pointe 33 des protubérances 34 résultante des spécificités des modes de réalisations présentés ici permet de rendre répétable et stable au cours du temps la distance entre la zone de mesure cutanée et l’élément capacitif 37. Ceci a pour effet de rendre répétable et stable au cours du temps la valeur du condensateur formé entre la zone de mesure cutanée et l’élément capacitif 37, permettant d’améliorer significativement la qualité des signaux dans le contexte des capteurs électro capacitive. L’élément capacitif 37, dont le potentiel électrique est particulièrement sensible aux variations du champ électrique au niveau de la zone de mesure 40 résultante de 41 (voir figure 4).
Ses propriétés électriques et sa proximité physique à la zone de mesure cutanée 40 couplent le potentiel de l’élément capacitif 37 à la pointe de la protubérance 34 au potentiel électrique de la zone de mesure cutanée à proximité 40. L’élément électriquement isolant, entoure l’ensemble des éléments du capteur électrode capacitive à l’exception du connecteur 35. L’élément isolant 32 confère aussi au capteur électrode capacitive des propriétés des résistances mécaniques.
Dans un mode de réalisation particulier, les protubérances 34 au nombre de 3 à 50, ont une forme allongée et un diamètre compris entre 0.5mm et 3mm de sorte qu’ils puissent traverser les zones capillaires et être en contact mécanique direct avec la zone de mesure cutanée 40.
Ce contact mécanique avec la zone de mesure cutanée des extrémités 33 desdites protubérances est constant au court de la mesure et assure une distance constante et répétable entre l’élément capacitif 37 et la zone de mesure cutanée 40. Cette caractéristique permet d'annuler les effets de la sudation cutanée sur la mesure des potentiels électrophysiologiques. L’épaisseur du matériau isolant 32 séparant l’élément 37 de la zone de mesure cutanée 40 est comprise entre 50pm et 500pm en fonction des caractéristiques souhaitées.
La valeur de la capacitance effective constituée des éléments 37 et 40 est fonction de la géométrie des protubérances et du nombre de protubérance par capteur électrode capacitive. Plus spécifiquement, la capacitance est fonction du diamètre dudit élément capacitif 37, de l’épaisseur de l’isolant 32 entre les éléments 37 et la zone de mesure cutanée 40, de la permittivité électrique de l’élément isolant 32 et du nombre de protubérances 34 par capteur électrode capacitive 3. Cette valeur de la capacitance peut être estimée en utilisant la relation C = e Na / d avec C la capacitance effective du condensateur formé par la zone de mesure 40 et l’élément 37, e la permittivité dudit matériau isolant 32, N le nombre de protubérance par électrode physiologique, a le diamètre effectif de l’élément capacitif 37 et l’épaisseur de l’élément isolant 32 entre l’élément 37 et la zone de mesure cutanée 40. Une approche alternative pour l’estimation de la capacitance peut être réalisée en utilisant la méthode des éléments finis bien connus. Dans cette approche, la zone de mesure cutanée peut être modélisée par un plan.
Dans le mode réalisation particulier où l’électrode contient un élément de blindage 39 disposé à l’intérieur du corps et s’étendant sur la largeur de la base. L’élément de blindage 39 associé aux éléments électroniques 42, 43 et 44 du capteur électrode capacitive permet de réduire les parasites générés par des rayonnements électromagnétiques produits par des éléments extérieurs à la zone de mesure. L’élément de blindage 39 est maintenu à un potentiel électrique particulier selon une technique bien connue de l’homme du métier consistant à utiliser un amplificateur opérationnel 42 dont l’entrée non-inverseuse est électriquement connectée aux éléments électriquement conducteur 37 des protubérances 34. L’entrée inverseuse est connectée à la fois à l’élément de blindage 39 et à la sortie de l’amplificateur opérationnel 42. Ce montage électronique appelé « suiveur » permet de maintenir le potentiel électrique de l’élément de blindage 39 au même potentiel électrique que celui des éléments capacitifs 301. L’élément de blindage 39 peut alors agir de manière efficace pour protéger les éléments capacitifs 301 des perturbations électromagnétiques rayonnées par des appareils extérieurs. La sortie de l’amplificateur 42 ayant le même potentiel électrique que celui présent sur les éléments capacitifs 301, elle véhicule donc une copie du signal électrophysiologique mesuré.
Le capteur électro capacitif contient une carte électronique 36 d’amplification et de conditionnement du signal électrophysiologique copié en sortie de l’amplificateur 42. Cet élément d’amplification et de conditionnement est composé de l’amplificateur 43 et des résistances 44 et 444 ainsi que du condensateur 45 dont les propriétés électriques permettent de déterminer le gain de l’amplification. Ce gain, ainsi que les valeurs des résistances 44 et 444 et du condensateur 45, sont déterminés selon des techniques bien connues, de manière à ce que le niveau du signal amplifié en 43 soit suffisant pour être numérisé correctement par l’ADC 47. De plus, la résistance 444 et le condensateur 45 juste en amont de l’ADC 47 forment un filtre passe-bas dont les caractéristiques peuvent facilement être déterminées.
Dans la figure 6b, la fonction de transfert de l’élément capacitif 37 associée à l’amplificateur opérationnel 43, dans le mode de réalisation contenant un blindage 39 et l’amplificateur 42, exprimé dans l’espace fréquentiel en coordonnée polaire est
Hcapa = (l + RAo/ZCapa) , avec RA0 l’impédance d’entrée effective des éléments 42 ou 42 et 43 selon le mode de réalisation et l’impédance en coordonnées polaires Zcapa est définie par Zcapa = -i/ooC avec i l’unité imaginaire ω la pulsation et C la capacité électrique du condensateur, dont différents modes d’estimation sont décrits ci-dessus.
Dans un mode de réalisation particulier, le second circuit électronique 48 connecté au capteur électrode capacitive 3 comprend un filtre numérique dont la fonction de transfert Hfutre est inverse de la fonction de transfert Hcapa avec
Hcapa * ^filtre ~ 1 Étant donné que la valeur de la capacitance du condensateur, formé par l’élément capacitif 301 et la zone de mesure cutanée 40, est stable dans le temps et répétable, la fonction de transfert du capteur électrode capacitive est également stable dans le temps et répétable. Ainsi, le filtre numérique, dont la fonction de transfert est prédéterminée, est toujours adapté à la fonction de transfert de l’électrode 3, ce qui garantit une qualité de signal bonne, stable dans le temps, et répétable.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Électrode capacitive de mesure d’un paramètre physiologique d’un sujet, comprenant : - un corps (32) en matériau électriquement isolant, le corps (32) comprenant une base (31) et une pluralité de protubérance (34) s’étendant en saillie à partir de la base (31), et - une pluralité d’éléments capacitifs (37) en matériau électriquement conducteur, noyée à l’intérieur du corps (32), chaque élément capacitif (37) étant disposé à l’intérieur du corps (32), au niveau d’une extrémité des protubérances respectives (34), de sorte que lorsque les extrémités des protubérances (34) sont en contact avec la peau du sujet, les éléments capacitifs sont à une distance prédéfinie de la peau.
  2. 2. Électrode capacitive selon la revendication 1, comprenant une carte électronique (36) s’étendant à l’intérieur de la base (31) du corps (32), et un fil (38) électriquement conducteur reliant chaque élément capacitif (37) à la carte électronique (36).
  3. 3. Électrode capacitive selon la revendication 2, dans lequel la carte électronique (36) est configurée pour générer un signal de mesure du paramètre physiologique en fonction des potentiels électriques des éléments capacitif (37).
  4. 4. Électrode selon l’une des revendications 2 à 3, comprenant une couche de blindage (39) disposée à l’intérieur du corps (32), et s’étendant sur une partie de la base (31).
  5. 5. Électrode selon la revendication 4, dans lesquelles la couche de blindage (39) est disposée entre la carte électronique et les éléments capacitifs (37).
  6. 6. Électrode selon l’une des revendications 2 à 5, comprenant un connecteur (35) s’étendant à travers le corps (32) pour raccorder la carte électronique à un dispositif externe de traitement des signaux électriques représentatif d’un potentiel électrique mesuré par les éléments capacitifs (37).
  7. 7. Électrode selon l’une des revendications 1 à 6, dans lesquelles le corps (32) est formé par moulage du matériau électriquement isolant directement sur les éléments capacitifs (37).
  8. 8. Dispositif de mesure d’un paramètre physiologique d’un sujet comprenant : - un support (111) capable de revêtir une partie du corps du sujet, - au moins une électrode capacitives conforme à l’une des revendications 1 à 7, l’électrode capacitive étant fixée sur le support (111) de sorte que lorsque le sujet est revêtu du dispositif, le support (111) maintient les extrémités des protubérances (34) en contact avec la peau du sujet.
  9. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le support (1,111) est un vêtement propre à revêtir le tronc du sujet pour permettre l’enregistrement d’un électrocardiogramme.
  10. 10. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le support (2, 111) est un vêtement propre à revêtir la tête du sujet pour permettre l’enregistrement d’un électroencéphalogramme.
  11. 11. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le support (1,111) est un vêtement propre à revêtir le tronc du sujet pour permettre l’enregistrement d’un électromyogramme.
  12. 12. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 11, comprenant une électrode capacitive de référence et une ou plusieurs électrode(s) capacitive(s) de mesure.
  13. 13. Procédé de mesure d’un paramètre physiologique d’un sujet, à l’aide d’un dispositif de mesure conforme à la revendication 12, comprenant une étape consistant à : - obtenir un signal de référence à l’aide de l’électrode capacitive de référence, - obtenir un signal de mesure à l’aide de la ou des électrode(s) capacitive(s) de mesure, et - obtenir un signal représentatif du paramètre physiologique par soustraction du signal de référence au signal de mesure.
  14. 14. Procédé selon la revendication 13, comprenant une étape consistant à : - appliquer un filtre de correction sur le signal représentatif du paramètre physiologique, le filtre de correction augmentant l’amplitude relative de certaines composantes fréquentielles du signal par rapport à d’autres composantes fréquentielles.
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