La photonique et l'optoélectronique remodèlent les mesures médicales et les opportunités pour les concepteurs

Vous connaissez sûrement l'appareil très répandu à clipser sur le doigt servant à mesurer le niveau d'oxygène dans le sang des patients (SpO₂), officiellement appelé saturation pulsée en oxygène au niveau des capillaires.¹ Cette technique optique, très en vogue à partir des années 80, a entièrement transformé la mesure du SpO₂, qui était un processus de prise de sang fastidieux, risqué et en temps différé, en une mesure simple, non invasive et en temps réel.

Bien sûr, le développement de ce dispositif n'a été ni simple ni rapide. Cela a nécessité des dizaines d'années de recherche et d'expérimentation, de collecte de données sur l'oxygène dans le sang et les caractéristiques optiques, et de développement d'algorithmes. Cet effort a été accompagné par le développement de LED pour différentes longueurs d'onde avec des performances uniformes, et de phototransistors complémentaires.

Le test SpO₂ optique est maintenant si bien assimilé que les fournisseurs de circuits intégrés proposent des circuits et des kits d'évaluation faciles à utiliser pour ceux qui veulent développer leurs propres outils de mesure, comme l'oxymètre MAX30102 et le moniteur de fréquence cardiaque hautement intégrés de Maxim Integrated. Cela inclut l'ensemble du circuit d'entrée analogique, des fonctions de gestion et des E/S, le tout pris en charge par le kit d'évaluation MAX30102ACCEVKIT de Maxim Integrated.

Figure 1 : Le MAX30102 de Maxim Integrated fournit une solution de circuit unique hautement intégrée pour commander les LED d'une unité SpO2, et pour numériser la sortie de son phototransistor et fournir un port E/S numérique. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Si cet exemple est le plus répandu en ce qui concerne l'impact de la fusion de l'électronique et de l'optique sur les tests médicaux pour une utilisation personnelle et en laboratoire, il y en a beaucoup d'autres. Une grande partie des travaux reste en phase expérimentale ou en phase de qualification prolongée, comme l'exigent les produits médicaux, mais ces développements sont fascinants et intéressants à étudier.

Les modèles les plus simples comme l'outil de mesure SpO₂ utilisent des LED ou des diodes laser, généralement en conjonction avec des phototransistors. Par exemple, une équipe de recherche de l'Université d'État du Michigan développe un appareil à utiliser au bout du doigt, utilisant un capteur optique en plus d'un capteur de force afin de pouvoir également mesurer la pression artérielle de manière continue.²

Même si le bon vieux brassard de mesure de la pression artérielle reste relativement rapide, non invasif et sans risque, il n'est pas pratique pour des mesures fréquentes ou une surveillance discrète de cette constante vitale majeure.

Figure 2 : En combinant une source de lumière bleue à un microscope à champ large et une caméra vidéo (à droite), un système expérimental du MIT permet de compter de manière automatisée les globules blancs au bout des doigts. (Source de l'image : MIT)

Tous les appareils médicaux optoélectroniques ne se basent pas uniquement sur des sources de lumière LED/de diode laser avec un ou plusieurs capteurs optiques. Les caméras vidéo et les analyses d'images sont également de puissants outils. Une équipe de recherche du MIT travaille sur un système non invasif, facile à utiliser et quasiment instantané pour évaluer le nombre de globules blancs des patients sous chimiothérapie.³ Ce système utilise un microscope à champ large combiné à une source de lumière bleue. Cette lumière s'infiltre d'environ 50 à 150 microns sous la peau et se reflète sur une caméra vidéo connectée au microscope (Figure 2). Le dispositif se concentre sur la base de l'ongle, où les capillaires sont très proches de la surface de la peau et si étroits que les globules blancs doivent passer l'un après l'autre, ce qui facilite leur comptage.

Le système du MIT est une application d'électronique et d'optique de base, mais il existe également de nombreux systèmes photoniques qui utilisent l'électronique pour le contrôle et la collecte de données, ce qui œuvre en faveur de la photonique avancée. De nombreuses conceptions exploitent des techniques avancées comme la spectroscopie Raman, qui se base sur la diffusion inélastique de la lumière monochromatique, généralement à partir d'un laser situé dans la plage visible, proche infrarouge ou ultraviolette. La lumière laser interagit avec les vibrations moléculaires, phonons ou autres excitations au sein du système, ce qui entraîne l'augmentation ou la baisse de l'énergie (et par conséquent de la longueur d'onde) des photons laser.

Ce changement d'énergie/longueur d'onde génère quant à lui des données qui fournissent une empreinte structurelle servant à identifier les molécules. Grâce à la technologie actuelle, l'implémentation du système de spectroscopie Raman est non seulement possible, mais aussi très simple.

Parmi les nombreux systèmes médicaux avancés utilisant la spectroscopie Raman figure un endoscope sans lentille destiné à la bioanalyse et l'imagerie de l'Institut Fresnel (Marseille, France). Dans cette approche, une fibre creuse et flexible projette la lumière sur l'organe interne à étudier à l'aide d'un actionneur piézoélectrique, qui capture également ses émissions spectrales^{4, 5} (Figure 3). L'objectif est de fournir une biopsie à peine invasive et en temps réel du tissu cancéreux.

Figure 3 : À l'aide d'une fibre optique creuse servant à diffuser un faisceau laser vers le site à étudier et d'une sonde piézoélectrique pour le projeter, cette technique de « biopsie » photonique pourrait remplacer les tests à aiguille.4 (Source de l'image : Institut Fresnel, via Laser Focus World)

Comparez ce processus à une biopsie standard où un échantillon de tissu analysé doit être extrait avec une aiguille, stabilisé chimiquement, déshydraté, enduit de cire, imprégné de colorants sélectifs, puis examiné à l'aide d'un microscope. Ce processus pénible nécessite plusieurs jours et constitue un traumatisme pour le patient, aussi bien sur le plan mental, physique et financier.

De nombreux ingénieurs électriciens ont consacré au moins une partie de leur cursus à l'étude des bases de l'optique, notamment les lentilles, les longueurs d'onde optiques, la réflexion, la réfraction, les sources lumineuses et les capteurs, ce qui est indispensable et utile. Désormais, en utilisant ces concepts parallèlement aux nouvelles solutions de LED, diodes laser, photodiodes et phototransistors, il a été possible de créer des dispositifs habilitants extraordinaires et très répandus, comme le capteur SpO₂ à utiliser au bout du doigt.

Mais l'électro-optique actuelle dépasse largement la simple combinaison linéaire de sources de lumière et de lentilles. En effet, l'électronique permet de contrôler les dispositifs, et de capturer et d'analyser des données. Les principes avancés de photonique et de physique sont systématiquement adaptés à l'instrumentation médicale, par l'implémentation d'idées qui étaient jusqu'à récemment impraticables, voire inconcevables. C'est pourquoi il est judicieux pour tout ingénieur se lançant dans l'instrumentation d'étudier ces nouvelles techniques et technologies.

Même si vous n'œuvrez pas actuellement dans le domaine des tests médicaux, beaucoup de ces techniques sont également adaptées à d'autres applications de test et de mesure (pour les produits chimiques et matériaux, par exemple), et il existe de nombreux points de convergence. Consultez au moins régulièrement les publications des sites Web dédiés à la photonique pour connaître les avancées et les tendances dans le domaine, ainsi que les avantages que cela implique pour vous. Le jeu en vaut la chandelle.

Références :

1 – DigiKey, Understanding and Solving Blood Oxygen Level Monitoring Design Challenges

2 – Université d'État du Michigan, New Blood Pressure App and Hardware Rivals Arm Cuff Accuracy

3 – MIT, Monitor detects dangerously low white blood cell levels

4 – Institut Fresnel, Hollow core photonic crystal fiber for flexible nonlinear imaging endoscopes and Raman probes

5 – Laser Focus World, Multimodal endoscopy targets real-time biopsy