Solution piézoélectrique pour la surveillance des signes vitaux

Lorsqu’une bande de film polymère PVDF piézoélectrique (film piézoélectrique) est étirée, elle génère un signal électrique (charge ou tension) entre la surface supérieure et inférieure de l’électrode, qui est proportionnel à l’allongement. Les matériaux piézoélectriques sont généralement connus pour leurs propriétés de réponse à la pression, mais dans le cas du film piézoélectrique, la géométrie de l’élément implique la possibilité d’atteindre des niveaux de contrainte très élevés dans la section transversale du film lorsqu’une force très faible est appliquée dans la direction longitudinale, alors qu’une force similaire appliquée sur une plus grande partie de la surface du film générerait une contrainte beaucoup plus faible. Le film piézoélectrique démontre ainsi une sensibilité exceptionnelle à la contrainte dynamique, généralement de l’ordre de 10 à 15 mV par microcontrainte (variation de ppm en longueur) pour un PVDF de 28 μm d’épaisseur. Le terme de contrainte « dynamique » signifie que la charge électrique générée par une variation de contrainte se propage dans le circuit électrique connecté au film, de sorte que les conditions statiques de contrainte ne peuvent pas être détectées. Ce phénomène peut représenter un réel avantage pour un capteur placé sous différents niveaux de précharge. Le film subit uniquement des variations de contrainte dans le temps, avec une réponse en fréquence qui peut commencer dès 0,1 Hz. Le film piézoélectrique est également léger, fin,
très flexible et ne nécessite aucune alimentation externe pour fonctionner. Cette combinaison unique de propriétés permet d’envisager une utilisation dans une large gamme d’applications médicales qui implique la détection de signaux mécaniques très faibles. Cette technologie est particulièrement intéressante pour les environnements dans lesquels la puissance disponible est limitée (elle peut même générer de faibles quantités d’énergie dans certaines configurations). Extrêmement durable et résistante aux chocs, cette technologie est également capable de résister à des centaines de millions de cycles de flexion.

L’exploitation des propriétés du film piézoélectrique en tant que « jauge de contrainte dynamique » pourrait permettre de fixer facilement des éléments sur la peau (par exemple, à l’intérieur du poignet). TE fabrique un capteur à usage général dont l’une des faces est munie d’un adhésif sensible à la pression, qui n’est pas certifié en matière de biocompatibilité. Pour les essais à court terme, un patch de 3M 9842 (bande de polyuréthane mince avec revêtement adhésif) a donc été fixée sur la peau et le capteur de film piézoélectrique a été installé par-dessus. La Figure 1 illustre un signal d’impulsion, obtenu à l’aide d’un amplificateur de charge avec une limite de fréquence basse réglée sur 1 Hz et une sensibilité de 1 mV/pC. La puissance d’environ 130 mV pk-pk correspond à une tension de circuit ouvert d’environ 100 mV pk-pk, qui peut être interprétée comme une contrainte dynamique d’environ 8 με. Ce signal a été enregistré alors que la main était au repos. La flexion ou la rotation du poignet aurait pu générer des signaux d’une amplitude bien plus élevée, notamment si une limite de fréquence inférieure avait été définie sur le préamplificateur. À titre d’exemple, la Figure 2 illustre la réponse du capteur lorsqu’un objet est saisi, puis relâché à plusieurs reprises. Les résultats indiquent une amplitude d’environ 3 V en circuit ouvert, soit environ 250 με.

Cette capacité du film à détecter aussi bien des signaux physiques très faibles que des mouvements importants s’explique par la nature linéaire de la réponse piézoélectrique dans le film PVDF sur une très grande plage dynamique (estimée à 14 ordres de grandeur). Dans de nombreux cas, les signaux les plus faibles peuvent être supprimés par filtrage, à condition que la bande passante du signal cible et du « bruit » soient suffisamment distinctes. Des capteurs auto-adhésifs similaires ont été utilisés pour détecter les mouvements musculaires et cutanés de la poitrine, des jambes et des paupières lors de l’étude sur les troubles du sommeil.  La réponse d’un muscle (par exemple, entre le pouce et l’index) à une stimulation électrique délibérée peut donc être considérée comme un indicateur d’efficacité d’une anesthésie (transmission neuromusculaire).

Le Minisense 100 est un composant standard basé sur une conception de type porte-à-faux chargée par une masse avec un matériau PCB rigide formant la pince et permettant le montage des broches de connexion. La masse ajoutée fait réagir le capteur de manière inertielle sous l’effet de l’accélération. L’élément de film se plie lorsque la masse s’arrête, ce qui entraîne une très forte sensibilité à la tension (environ 1 V/g). Une variante de ce composant est capable de détecter les signes vitaux d’un membre du personnel ou d’un patient équipé d’un « badge intelligent » (avec télémétrie RF) et de transmettre un signal périodique à des fins de suivi ou de localisation. Le badge passe en mode veille lorsque le capteur détecte que le badge n’est plus porté par une personne vivante, mais reste en « alerte » pour détecter des tremblements musculaires, des mouvements corporels importants, voire des vibrations du pouls. Posé contre la poitrine et maintenu à l’aide d’une sangle élastique légère, le capteur standard peut également percevoir des « sons » cardiaques. En définissant une limite de fréquence très basse dans l’interface électronique, il est également possible de visualiser la fréquence respiratoire (Figure 3). Dans cette forme d’onde, le mouvement de la paroi thoracique apparaît comme un signal périodique lent avec une période d’environ quatre secondes, tandis que les battements cardiaques individuels sont d’environ 1 par seconde (60 bpm). Pour supprimer le signal respiratoire et certains bruits, des filtres peuvent être appliqués à 1 Hz (inférieur) et 10 Hz (supérieur) pour obtenir des signaux en temps réel (Figure 4). Notez que le tracé de forme d’onde de la Figure 4 a été relevé sur un patient au repos. Avec un accéléromètre, le mouvement corporel dominera nettement les signaux du rythme cardiaque. En réalité, un modèle très compact de ce type de capteur d’accélération de faisceau en porte-à-faux
(capteur actif de 1,3 x 3 mm) est utilisé dans les pacemakers pour détecter le niveau d’activité physique du patient, de sorte que le rythme de stimulation soit ajusté en conséquence.

Différents stéthoscopes électroniques sont équipés d’un film piézoélectrique comme élément de détection actif, en raison de sa robustesse, de sa grande sensibilité et de sa large bande passante. Dans ce cas, l’élément de détection doit être maintenu en place en appliquant une certaine « force de réaction » contre le corps (en règle générale à l’aide d’une conception cloche standard, comme pour les stéthoscopes acoustiques directs). Une fois le signal de pression dynamique converti en signal électrique, le contenu de l’information peut être amélioré par filtrage sélectif ou amplification, lu sous forme de signal audio, analysé à l’aide d’algorithmes plus complexes pour détecter des conditions spécifiques, transféré par le biais d’une liaison de données vers une station de base distante pour analyse et stockage ultérieurs, etc. L’utilisation d’un capteur acoustique compact permet de surveiller plusieurs points simultanément.

Dans une perspective plus éloignée d’un contact direct avec le corps, les technologies de film piézoélectrique et de câble piézoélectrique ont été installées à l’intérieur d’un matelas pour détecter le rythme cardiaque, la respiration et les mouvements corporels d’un patient. Un ensemble de capteurs peut être intégré à un couvre-lit pour réaliser une mesure passive des informations d’un patient allongé ou assis sur ces dispositifs de mesure, ce qui permet d’obtenir des données précises même à travers des vêtements, une blouse ou des draps. La « présence » statique est détectée par des interrupteurs flexibles, tandis que les éléments de film piézoélectrique convertissent tous les signes vitaux dynamiques du patient en signaux électriques correspondants, qui peuvent être affichés sur un moniteur de chevet avec une logique d’alarme. Le système peut déclencher une alerte précoce associée à une anomalie cardiaque ou respiratoire, ainsi qu’à une sortie de lit non autorisée, le tout sans contact direct avec le patient.