Domaine technique

L'invention se rapporte ä un procede pour mesurer et analyser 'des potentiels d.'origine piezo-electrique engendres par un organe rigide allonge en un materϊau organique, consecutivement ä une sollici- tation mecanϊque.

Etat de la technique

Des travaux scientϊfϊques ont montre que differents corps orga- niques produisent des variations de potentiels electriques lorsqu'ils se deforment. C'est notamment le cas des muscles . H a dejä ete propose d'utiiiser les signaux d'origine musculaire pour Commander l'ouverture automatique d'une fixation de ski en cas de risque de fracture de la jambe du skieur. Un tei dϊspositϊf de securite fait l'objet des brevets DE 2 121 827, US 3 776 566 et 3 826 509. Cette solution pose cependant plus de problemes qu'elle n'en resoud . En effet, sϊ l'on consϊdere que toute activite musculaire est generatrice d'une Variation de potentiel electrique, ces brevets restent muets sur la manϊere d'utiiiser ces courants ä bon escϊent pour generer un signal de commande de l'ouverture de la fixation . La pratique du ski s'accompagne obligatoirement d'un travail musculaire. Or l'ouver¬ ture de la fixation ne doϊt intervenir qu'exceptionnellement au moment oü les sollicitations des os de la jambe deviennent anormales . I I est par consequent necessaire de definir un seuil ä partir duquel on desire generer un signal issu du potentiel electrique d'origine musculaire. La definition de ce seuil pose des problemes extremement complexes, etant donne que les sollicitations auxquelles l'os est soumis et celles qui s'exercent sur les muscles ne sont pas forcement ni proportϊonnelles ni simultanees . En outre, les potentiels electriques d'origine musculaire ne permettent pas de determiner le type de contrainte auquel les os sont soumis; or la resistance d'un os n'est pas la meme s'il est soumis ä une flexion ou ä une torsion . Ceci signifie que les potentiels electriques d'origϊne musculaire peuvent, dans certains cas, depasser le seuil limite, alors que la sollicitation de l'os est parfaitement tolerable, tandis

- i .EA i: OMPI

que dans d'autres cas, ce seuil limite n'est pas atteint quand l'os est soumis ä une contraϊnte depassant sa limite de resistance.

Les defauts et les dangers de la solution proposee apparaissent ϊmmediate ent et semblent inherents ä la conception meme de ce dispo- sitif de securite, etant donne qu'il mesure des potentiels electriques dependant de l'activite musculaire et que ces potentiels sont senses etre caracteristiqu.es des sollicitations exercees sur les os.

Des travaux scϊentifiques ont montre par ailleurs que des effets piezo-electriques se manifestent lorsque des organes rigides en materiaux organiques tels que le bois ou les os sont soumis a des sollicitations mecaniques. Des essaϊs ont permϊs de constater que les for es de signaux engendres par les potentiels electriques consecutifs aux sollicitations exercees sur les os sont differents suivant ia nature de la contrainte et que l'amplϊtude du signal est fonction a la fois de l'ϊmportance de la contraϊnte et de sa vitesse d'application. Cela signifϊe que, pour un nϊveau de contrainte donne, le signal mesure va dependre de la vitesse d'application de la contrainte.

En tenant compte de ces donnees, il apparatt qu'il doϊt etre possible de mesurer le type et l'amplitude des contraintes exercees sur un os ou sur une tige de bois, de maniere ä comparer le resuitat avec une contrainte type . Cette comparaison peut etre utilisee ä differentes fins, notamment pour declencher une fixation de ski lorsque la contraϊnte relevee sur la jambe du skieur depasse une limite admissible ou ä d'autres fins que l'on enumerera par la suite. Expose de l'invention

A cet effet, la presente invention a pour objet un procede pour mesurer et analyser des potentiels d'origine piezo-electrique engendres par un organe rigide allonge en un materiau organique consecutivement ä une sollicitation mecanique de cet organe. Ce procede est caracterise par le faϊt que l'on detecte les signaux caracteristiques des potentiels en deux endroϊts ecartes longitudinalement au oins adjacents de la surface de cet organe, que l'on ampiϊfie et integre chacun de ces signaux, que l'on identifie les types de contraintes generatrices desdits signaux et que l'on mesure separement ces contraintes . Description sommaire des dessins

Le dessin annexe illustre schematiquement et ä titre d'exemple un mode de mϊse en oeuvre du procede objet de l'invention .

La figure I illustre un Schema electronique de traitement des signaux captes.

Les figures 2 et 3 sont des diagrammes explϊcatϊfs. Meilleure maniere de realiser l'invention Dans le cas oü la detectϊon des potentiels piezo-electriques provenant des os est destine ä declencher une fixation de ski par exemple des qu'un seuil de contrainte predetermine a ete atteϊnt, ϊl est necessaire de mesurer independamment les deux composantes dont est forme le signal afϊn de savoir quelle est la repartϊtϊon entre contraintes de torsion et contraintes de flexion . I I est bien connu de la theorie sur Ja resistance des materiaux que, dans le cas d'une torsion, la contrainte est constante en tous les points d'une poutre encastree ä une extremite, tandϊs qu'avec une flexion , la contrainte croTt en direction du point d'encastrement. I I est d'autre part egalement connu que la tension d'origine piezo-electrique est dependante de la vitesse d'application de la contrainte. Comme le montre le diagramme de la figure 2, l'application d'une contrainte C pendant un temps t. donne, pendant le meme temps t. , un signal s. , tandϊs que l'application de la meme contraϊnte C pendant un temps t_ donne un signal s _? d'amplitude plus faible pendant le meme temps t~. Par contre, les surfaces ε.. et ε_ sont egales; par consequent, en integrant le signal S, on ϊntroduit la notϊon du parametre "temps" et cette Integration nous ramene ä la contraϊnte elle-meme plutöt qu'ä sa derivee.

Ce resuitat peut etre obtenu ä l'aide de deux circuits integrateurs actϊfs ä amplifϊcateurs operationnels illustres par la figure I qui comprend essentiellement deux electrodes de mesure I et 2, chacune associee ä un cϊrcuit integrateur actϊf ä amplϊficateur operationnel Cl . et C l _ ä la sortie desquels apparaissent des signaux S. , respectϊvement S , caracteristiques des potentiels et du temps mesures . Ensuite, ces signaux sont traϊtes par une serϊe d'operateurs analogiques agences pour effectuer le developpement mathematϊque que l'on va exposer en se referant au diagramme de la figure 3.

Ce diagramme montre une droϊte δ qui correspond ä la somme de deux contraintes de torsion T respectivement de flexion F d'une poutre encastree, la partie inferieure de la jambe, notamment le tibia, pouvant etre assϊmilee ä ce cas . Les signaux S. et S _? mesures en deux points I

OMTI

et 2 de cette droite δ, ecartes d'une distance d, S. etant a une distance D du point d'encastrement, correspondent a la somme des deux contraintes de torsion et de flexion en ces points de la droϊte δ.

S. = T + F.

S _£ = T ₊ F ₂

^S l ~ ^S 2 = ^F l - ^F 2 ^{S F} '

La droite a une equatϊon de la forme : y = ax + b a est la pente de δ = -. d b est l'ordonnee ä l'origine = T au point I de la droite δ

S, = £ D ₊ T

ou encore S, = -. F' + T l

Dans cette equation T est l'ϊnconnue

T ¹ = S - d - F' = S, - Δ F

F n= d - F' = Δ F

Pour resoudre cette equatϊon ä partϊr des signaux S. et S _? issus des circuϊts ϊntegrateurs actϊfs CI . et CL, un Operateur analogique OA. dont les deux entrees sont reiϊees aux sorties de Cl . et CI_ etablit la dϊfference entre ces signaux S. et S _? , de sorte que la valeur F apparaϊt a la sortie de cet Operateur OA. . Un second Operateur analo¬ gique OA^ multϊplie cette valeur F par Δ qui correspond ä -.. La valeur Δ F sortant de I Operateur OA_ est dirϊgee d'une part vers une entree d'un Operateur analogique OA_ dont la seconde entree est relϊee ä la sortie de l'ϊntegrateur C l .. Cet Operateur OA ₃ etablit la dϊfference entre S, et Δ F, de sorte que la valeur T apparaϊt ä sa sortie.

Deux comparateurs C. et C- comparent les valeurs de T, respec- tivement de Δ F, avec une valeur de reference RT et RF correspon- dant, par exemple, dans le cas d'une fixation de ski de securite, ä la limite admϊssible de torsion, respectivement de flexion. Ces deux comparateurs qui emettent un signal des que l'une de ces limites est depassee sont relies ä une porte "OR" destinee ä fournir le signal utiJe commandant le declenchement de la fixation .

Bien entendu, la qualϊte et la precϊsion des mesures effectuees ä l'aide du procede decrit dependent essentiellement de la proprete du signal capte que l'on amplϊfϊe. Cette proprete peut etre influencee par divers facteurs, notamment par des potentiels ne provenaπt pas de l'os, ais par exemple de l'activϊte musculaire qui accompagne force- ment les contraintes appliquees sur l'os iors de la pratique du ski notamment. Des essaϊs de mesure de ces potentiels in vivo ont ete menes aussi bien en laboratoire que sur la jambe de skieurs evoluant sur le terrain . Ces essais ont ete realϊses tout d'abord avec une paire d'elec- trodes simples . Les potentiels releves ä l'aide de ces electrodes ont bien permis de mesurer des variations en fonctϊon des contraintes appliquees ä l'os; toutefois les diagrammes releves ä l'aide d'un enre- gϊstreur utilise pour les electro-cardϊogrammes ont revele une Propor¬ tion importante de potentiels parasites, de sorte que le traitement d'un signal issu de cette electrode est dϊfficϊlement exploitable, etant donne que, pour certaines contraintes, l'amplϊtude du signal provenant des variations de potentiel engendrees par l'effet piezo-electrique du ä l'os peut etre du meme ordre de grandeur que les potentiels parasites .

Ensuite, des essais ont ete realises avec une paire de doubles electrodes, l'electrode de mesure etant entouree d'un anneau de garde.

Pour amelϊorer le contact entre l'electrode et la peau, on a utilise une creme conductrϊce du type de celles utilϊsees pour l'enregϊstrement des electro-cardϊogrammes . Les electrodes ont ete placees le long du tibϊa qui est directement adjacent ä la peau sur une portϊon importante de sa longueur.

La proprete du signal enregϊstre dans ces conditions est nette- ment meilleure que precedemment et permet d'envisager un traitement du signal selon le procede decrit precedemment.

Possibilite d'exploitation industrielle

Bien entendu, le procede objet de l'invention n'est pas seulement utilϊsable dans le cas oü l'on desϊre produire un signal de declenche- ent d'une fixation de ski. Cette application n'est donnee qu'ä titre d'exemple. On peut, en effet, envisager d'autres applications, par exemple medicales, en vue de detecter une fracture ou une fϊssure ou l'etat de guerison d'une fracture. On peut aussϊ envisager des appli¬ cations dans le domaϊne du sport, notamment de l'entraϊnemeπt sportif; on peut en effet ϊmagϊner de detecter les contraintes du tϊbϊa d'un athlete qui saute ou qui court. Le tibia n'est pas le seul os dont on peut mesurer les potentiels d'origine piezo-electrique, les os de l'avant- bras sont egalement proches de ia peau, de sorte que l'on peut, dans ce cas, envisager par exemple de mesurer les contraintes resuJtant de la pratique du tennis et de lä, relever des defauts dans la technique d'un joueur. Ce procede n'est evidemment pas limite aux os, maϊs est applϊcable ä d'autres organes rigides en materiau organique tel que le bois, de sorte qu'il est possible de mesurer l'etat des contraintes s'exerςant sur des structures en bois.

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