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7 Mai, 2024

Un capteur mesure la teneur en oxygène de l’air expiré

Un capteur mesure la teneur en oxygène de l’air expiré

Le capteur miniature non invasif peut être intégré à l’équipement de ventilation existant au moyen d’un connecteur en T.

Une saturation en oxygène dans le sang trop faible ou trop élevée peut entraîner des dommages physiques durables, voire la mort. C’est pourquoi les concentrations d’oxygène des patients sont surveillées en permanence dans les unités de soins intensifs et de traumatologie. Toutefois, les oxymètres de pouls généralement fixés au bout du doigt du patient à cette fin ne sont pas toujours fiables.

Des chercheurs de « l’Institut Fraunhofer pour les techniques de mesure physique IPM » ont mis au point un capteur à fluorescence qui mesure directement et en temps réel la teneur en oxygène de l’haleine, dans le but de fournir des chiffres précis à l’avenir. Le capteur détermine la concentration d’O2 dans le gaz respiratoire selon le principe de l’extinction de la fluorescence, ce qui permet de tirer des conclusions sur la saturation en oxygène du sang.

Le corps humain a besoin d’une concentration d’oxygène adéquate pour fonctionner correctement. Un corps sain régule les concentrations d’oxygène dans le sang par l’intermédiaire du système respiratoire. Si les valeurs d’un patient sont trop basses ou trop élevées, cela signifie que quelque chose ne va pas dans sa respiration.

Des mesures fiables de la concentration d’oxygène dans le sang sont donc particulièrement importantes pour soigner les patients souffrant de problèmes respiratoires et recevant une respiration artificielle. À l’heure actuelle, la méthode la plus courante pour déterminer l’hypoxie – lorsque les niveaux d’oxygène sont trop bas – est une méthode non invasive connue sous le nom d’oxymétrie de pouls.

Un petit appareil appelé oxymètre de pouls est fixé au doigt du patient pour afficher la concentration d’O2 dans le sang. Le problème est que les mesures ne sont pas précises. Le seul moyen d’obtenir des valeurs plus fiables est de prélever un échantillon de sang artériel et d’effectuer ensuite une analyse des gaz du sang, ce qui est une procédure désagréable et parfois même douloureuse pour le patient.

Le Fraunhofer IPM de Fribourg a mis au point un capteur non invasif dans le but de permettre à l’avenir des mesures indolores et pourtant ultraprécises. Fixé à un masque respiratoire ou à un tube de ventilateur, il dépassera l’état actuel du progrès technologique en termes de précision et de rentabilité, et remplacera les systèmes de mesure existants.

« Notre capteur mesure la teneur en oxygène de l’haleine, ce qui nous permet d’extrapoler la concentration d’oxygène dans le sang », explique Mahmoud El-Safoury, chef de projet au Fraunhofer IPM. « Nous utilisons l’effet d’extinction pour le capteur d’O2 que nous avons mis au point ».

Dans cette méthode, une couche fluorescente déposée sur un substrat d’aluminium est exposée à une lumière à ondes courtes qui la fait briller. La longueur d’onde de la lumière émise est supérieure à celle de la lumière qui « excite » la substance fluorescente, ce qui signifie qu’elle est moins énergétique. Ensuite, lorsque des molécules d’oxygène entrent en contact avec le revêtement, la lumière fluorescente est nettement atténuée. Plus la lumière est faible, plus la concentration en oxygène est élevée.

« Notre méthode de mesure est si rapide et si précise que nous pouvons mesurer les concentrations d’oxygène à l’échelle d’une respiration individuelle », explique M. El-Safoury.

Le Quenching (1) : une nouvelle méthode en ingénierie médicale

Pour mettre au point le revêtement du fluorophore, les chercheurs du Fraunhofer IPM ont étudié différents composés chimiques fluorescents présentant des caractéristiques optimales en termes de temps de réponse, d’intensité du signal et de stabilité à long terme. Ils ont finalement opté pour un type de pyrène. Pour créer la couche, le fluorophore a dû être incorporé dans une matrice appropriée, ce qui est un processus complexe.

« Le Quenching est déjà utilisée pour déterminer la concentration d’oxygène dissous dans les liquides dans des secteurs tels que l’industrie alimentaire et les stations d’épuration des eaux et des eaux usées, par exemple. Il s’agit toutefois d’une nouvelle méthode dans le domaine de l’ingénierie médicale », explique le Dr Benedikt Bierer, chef de groupe au Fraunhofer IPM.

Un autre avantage de ce principe est que le capteur permet de mesurer en continu les concentrations d’oxygène tout au long d’une journée. Les prélèvements invasifs de sang artériel, en revanche, ne sont effectués qu’une fois par jour ou, pour les patients critiques en soins intensifs, plusieurs fois par jour. Cela signifie qu’il n’y a pas de données sur l’évolution de l’état de santé du patient dans l’intervalle.

  1. En photochimie, le quenching (du terme anglais pour « extinction ») regroupe l’ensemble des phénomènes qui contribuent à diminuer l’intensité de la fluorescence d’une substance donnée. De nombreux processus peuvent entrer en jeu, notamment des réactions de l’état excité, des transferts d’énergie, la formation de complexes, ou les collisions entre espèces. Par conséquent, le quenching est souvent très dépendant des conditions de température et de pression. Le dioxygène, les ions iodure ou l’acrylamide sont des agents de quenching (ou désactivateurs) courants1. L’ion chlorure est un désactivateur connu de la fluorescence de la quinine

Le capteur miniature ne mesure que 26 mm de diamètre. Il peut être fixé à n’importe quel connecteur en T, un adaptateur standardisé qui est ensuite connecté à un masque respiratoire ou à un tube de ventilation. La tête du capteur à optique intégrée comprend une source lumineuse LED, un détecteur, deux lentilles en saphir et un échantillon recouvert d’un fluorophore, que le personnel hospitalier doit changer régulièrement. L’échantillon doit être conservé dans un endroit stérile et étanche au gaz, tout comme les pansements.

Les chercheurs étudient actuellement s’il existe des sensibilités croisées avec d’autres gaz, comme le CO2, qui pourraient altérer le signal de mesure de l’oxygène du capteur. L’influence de paramètres tels que l’humidité et la température sur le signal est également étudiée, de même que la stabilité à long terme du système et les différentes options de stockage stérile.

« Il existe un large éventail d’applications futures potentielles – le minuscule capteur peut être utilisé par les ambulanciers, dans les hôpitaux et même à domicile par les patients souffrant de maladies pulmonaires », conclut Mahmoud M. El-Safoury.

https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2024/may-2024/sensor-measures-oxygen-content-of-breath.html