Soutenance mémoire
Ces dix dernières années, l’actualité concernant la perception de la menace terroriste à conduit, d’une part, à un renforcement direct en équipements de prévention destinés aux unités d’intervention, mais également à une évolution des mentalités sur le long terme. L’objectif « zéro mort » a généré des facteurs de croissance du marché des tenues de protection. L’augmentation de la demande est liée à l’amélioration des performances techniques des personnels équipés de ces tenues, mais aussi à l’amélioration de leur sécurité. L’intégration d’équipements électroniques de contrôle confère à ces tenues une valeur ajoutée garantissant une position compétitive sur le marché de la sécurité.
Lors d’opérations d’urgence, les primo-intervenants (pompiers, protection civile, gendarmerie ou militaires en opération) sont exposés à des environnements extrêmes. Ces personnes endurent alors de fortes contraintes physiologiques (température, humidité) et peuvent subir des défaillances physiques importantes responsables d’accidents médicaux graves (coup de chaleur, déshydratation), voire même de décès. Le suivi de paramètres physiologiques (fréquence cardiaque, pression artérielle, déshydratation, température corporelle) est primordial afin de prévenir et d’éviter de tels accidents, et, par la même occasion, de maintenir les performances de ces personnels. Actuellement, les systèmes de surveillance de santé sont basés sur des mesures de paramètres physiques (mouvement corporel, pression sanguine, pulsations cardiaques) à partir desquels il est impossible d’obtenir un état physiologique réaliste et fiable. Dans le but d’améliorer la sécurité des primo-intervenants, des outils d’analyse intégrant des capteurs physiologiques biochimiques capables de réaliser des mesures sur les fluides corporels tels que la sueur se positionnent comme une source importante d’amélioration. En effet, des études récentes montrent un lien étroit entre la composition de la sueur (concentration en ion sodium Na+ ) et l’état physiologique de la personne, mais ces études restent peu référencées. De plus, ces capteurs se doivent d’être peu intrusifs afin de ne pas gêner la personne en intervention. C’est pourquoi, généralement, ils sont intégrés directement dans le textile de la tenue de protection, ou bien dans des bandeaux dits « physiologiques ».
Pour aller plus loin et améliorer la prévention des primo-intervenants, nous avons proposé, dans le cadre du projet ANR SWEAT (Sweatband for physiological security of Workers wearing protective Equipment by an Analysis using biochemical Tools) qui réunit un consortium représenté par le laboratoire LAAS-CNRS, la société HEMODIA, le laboratoire CEA-LETI, les laboratoires PIERRE FABRE, la société PAUL BOYE TECHNOLOGIE, et l’IRBACRSSA, de développer un bandeau physiologique intégrant des capteurs chimiques et/ou biochimiques capables d’analyser et de surveiller la concentration de certains marqueurs dans la sueur. En effet, les technologies de micro-fabrication permettent de mettre en pratique des concepts novateurs au niveau des systèmes de détection. Par exemple, la technologie CMOS a vu son principe de base (confection de circuits intégrés) adapté à la mesure d’ions en phase liquide (ISFET) dès les années 70 (Bergveld). Les secteurs du biomédical et de la sécurité peuvent profiter pleinement des avantages de cette technologie. Ses possibilités d’intégration alliées à sa fiabilité font d’elle une des candidates idéales pour intégrer des outils de détection biochimique dans les tenues de protection dédiées aux personnels d’intervention, et ce, au plus près du corps. Les travaux effectués au cours de cette thèse CIFRE effectuée en partenariat avec le LAAS-CNRS et la société HEMODIA s’inscrivent pleinement dans le cadre de ce projet et consistent en la mise au point d’un prototype fonctionnel permettant de mesurer en temps réel l’état de déshydratation d’un intervenant (pompier) en situation d’urgence. Pour cela, nous proposons de développer un capteur basé sur la technologie ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) en vue de la détection de l’ion sodium dans la sueur.
Positionnement du projet SWEAT et état de l’art des méthodologies d’analyses ioniques
Depuis les années 2000, le marché des équipements de protection individuelle est en constante évolution, suite, notamment, aux attentats de New York du 11 septembre 2001 et à l’accident industriel survenu à Toulouse le 21 septembre de la même année. Ces équipements, les tenues NRBC (risques Nucléaires, Radiologiques, Biologiques, Chimiques), s’avèrent contraignants pour l’organisme dans le cadre d’interventions dans des environnements chauds. C’est pourquoi sont apparus au cours de ces dernières années des systèmes électroniques intégrés à ces tenues, permettant de maintenir les capacités opérationnelles et de prévenir les accidents médicaux (déshydratation, coup de chaleur), en anticipant le retrait des intervenants de la zone à risque.
Positionnement du projet
Contexte économique
Le marché principal cible donc les primo-intervenants tels que les sapeurs-pompiers. En France, on dénombre 235 000 individus répartis en trois catégories différentes: les sapeurspompiers volontaires, professionnels et militaires. Cette répartition n’est pas homogène . Le projet cible principalement les sapeurs-pompiers professionnels et militaires, car leurs activités, plus contraignantes, justifient plus particulièrement l’usage d’un système de surveillance de l’état thermo-physiologique. Ainsi, le marché potentiel porte sur environ 35 000 utilisateurs au niveau national.
Au niveau européen, France y compris, l’effectif est supérieur à deux millions, dont environ 150 000 sapeurs-pompiers professionnels. Le tableau 1 reprend la répartition des catégories de pompiers par pays.
Par analogie avec le nombre d’équipements de protection vendus en Europe (notamment les tenues spécifiques aux risques NRBC), le marché des bandeaux physiologiques est estimé raisonnablement à 25 000 unités par an. Cependant, ce marché peut être plus important si l’on considère des possibilités d’utilisation grand public. En effet, en raison du succès des sports de plein air (VTT, footing) et du fort taux d’utilisation d’équipements sportifs (cardiofréquence-mètres), le suivi physiologique des sportifs est devenu du plus grand intérêt.
Enjeux scientifiques
Nous proposons, dans le cadre de cette thèse, d’établir une relation entre les propriétés chimiques (concentrations ioniques) et/ou physique (débit, volume) de la sueur et l’état physiologique d’un individu (température interne, déshydratation). Cette relation permettra, par le biais d’un outil spécifiquement développé pour effectuer l’analyse continue de la sueur, de suivre l’état de santé d’un intervenant afin de prévenir un éventuel accident relatif à une hyperthermie. Pour ce projet, le CRSSA (Centre de Recherche du Service de Santé des Armées) a mis en place des expérimentations sur individus dans le but de mettre en évidence une relation entre l’augmentation de la concentration en sodium dans la sueur et une élévation de la température interne en fonction de contraintes thermiques différentes. Bien qu’évoquée dans la littérature, cette relation n’a jamais été clairement démontrée à cause de difficultés méthodologiques liées aux techniques de recueil et d’analyse. Par la suite, un bandeau physiologique intégrant une électronique autonome, une pompe à sueur et des capteurs électrochimiques dédiés à la mesure du sodium dans la sueur a été développé. Ce prototype accueille, sur un substrat flexible, deux types de capteurs sélectifs au sodium, basés sur deux technologies différentes:
– pNa-ISFET ,
– Na-ISE (électrodes sensibles aux ions sodium).
Le CEA-LETI a développé les Na-ISE, qui ne seront présentées que succinctement dans ce manuscrit. Le développement et l’intégration des pNa-ISFET sont propres à la société Hémodia et sont les buts de mes travaux de thèse. Une fois le bandeau développé et ses performances validées in-vitro, une deuxième campagne de mesures sur individus a été menée au CRSSA. Celle-ci a permis de tester, in-vivo, les performances des prototypes de bandeaux développés. Ces bandeaux permettent une analyse de la sueur en temps réel, pour une contrainte thermique simulant un sujet en situation d’intervention. La relation précédemment établie entre la concentration en ions sodium dans la sueur et l’élévation de la température interne a pu a posteriori être intégrée dans un modèle mathématique qui, in fine, permet d’obtenir la valeur de la variation de température interne grâce à la réponse potentiométrique du capteur. De nos jours, cette information n’est accessible ni en conditions d’intervention ni en temps réel (techniques actuelles de mesure de température trop invasives, par exemple: sonde rectale ou oesophagiale).
La Thermorégulation
Ce mécanisme permet à un être humain de maintenir sa température centrale (core temperature) dans des limites étroites compatibles avec la vie. Chez un sujet au repos, la température centrale normale varie entre 36,5 et 37,5 °C au cours de la journée. Lorsque la température de l’organisme est en deçà ou au-delà de ces limites, les mécanismes thermorégulateurs se manifestent par des modifications comportementales et par la mise en jeu de mécanismes physiologiques [1]. La boucle de la thermorégulation (Figure 2) comprend des thermorécepteurs périphériques et centraux qui captent l’information thermique (chaleur ou froid) et la transfère aux centres thermorégulateurs situés dans l’hypothalamus. Celui-ci intègre les signaux thermiques périphériques et centraux et les compare à une température de consigne. Selon l’écart entre la température de consigne et celle déterminée par intégration, les centres thermorégulateurs déclenchent des réactions thermorégulatrices comportementales mais aussi physiologiques qui font appel à la vasomotricité, à la sudation ou même à des frissons suivant les circonstances.
Habituellement, la thermorégulation d’origine comportementale précède et accompagne ces réactions physiologiques thermorégulatrices: position corporelle, moyens technologiques : effets vestimentaires adaptés à la situation, recherche d’un abri, mais également alimentation (boisson et nourriture) et activité physique [3]. La thermorégulation assure à l’être humain une certaine indépendance vis-à-vis du milieu climatique environnant qui n’a habituellement que très peu d’influence sur le maintien de sa température interne. Ainsi la température interne d’un sujet au repos et en confort thermique varie dans d’étroites limites autour d’une valeur moyenne de 37 °C. Il existe des variations physiologiques autour de cette valeur : variations nycthémérales , variations mensuelles chez la femme [4], des variations annuelles ayant aussi été décrites dans certaines populations (variations saisonnières).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
I. Positionnement du projet
I.1. Contexte économique
I.2. Enjeux scientifiques
II. La Thermorégulation
II.1. Thermolyse
II.1.A. Vasodilatation
II.1.B. Sudation
II.2. La sueur
II.3. Le sodium
II.3.A. Son rôle dans le corps humain
II.3.B. Sa signification dans la sueur
III. Méthodologies d’analyses
III.1. Spectroscopie
III.1.A. Spectroscopie d’émission
III.1.B. Spectroscopie d’absorption
III.1.C. Technologies à plasma
III.1.D. La spectroscopie et l’analyse de fluides biologiques
III.2. Chromatographie
III.2.A. Chromatographie en phase gazeuse
III.2.B. Chromatographie en phase liquide
III.3. Electrochimie
III.4. Limites analytiques
IV. Méthodes électroanalytiques
IV.1. Généralités
IV.1.A. Interfaces à l’équilibre
IV.1.B. Interfaces hors équilibre
IV.1.C. Courants faradiques
IV.1.D. Courants capacitifs
IV.2. Méthodes expérimentales
IV.3. Capteurs électrochimiques
IV.3.A. Ampérométrie
IV.3.B. Conductimétrie
IV.3.C. Impédimétrie
IV.3.D. Potentiométrie
V. Potentiométrie
V.1. Filières technologiques
V.2. Mécanismes de réponse
V.2.A. Dispositifs symétriques
V.2.B. Dispositifs asymétriques
V.3. Sélectivité des membranes
VI. Membranes sensibles
VI.1. Rôle des membranes
VI.2. Composition des membranes
VI.2.A. Matrices polymères
VI.2.B. Ionophores
VI.2.C. Plastifiants
VI.2.D. Additifs ioniques
VI.3. Technologies d’intégration
VI.3.A. Dépôt de microgouttes
VI.3.B. Dépôt par centrifugation
VI.3.C. Sérigraphie
VI.3.D. Jet d’encre
VII. Positionnement propre
CONCLUSION GENERALE
