La spectrophotométrie percutanée et la composante pulsatile

La spectrophotométrie percutanée et la composante pulsatile :

Le principe de base de l’oxymétrie de pouls relève de la spectrophotométrie percutanée et de la loi de Beer-Lambert, c’est-à-dire que l’on utilise les propriétés de réflexion de la lumière de molécules pour mesurer la concentration d’entités chimiques dans un environnement liquide ou gazeux [6]. La loi de Beer-Lambert relie la concentration d’un soluté à l’intensité de la lumière transmise à travers une solution. Elle est donnée par la formule suivante :
A=-log (I/Io)=.C.l [6]
• I/Io est la transmittance (sans unité).
• A est l’absorbance ou densité optique à une longueur d’onde λ (sans unité).
• ε est le coefficient d’extinction molaire, exprimée en L·mol −1·cm−1.
• ℓ est la longueur du trajet optique dans la solution traversée, elle correspond à l’épaisseur de la cuvette utilisée (en cm).
• C est la concentration molaire de la solution (en mol.L−1) .

La concentration d’une substance peut donc être déterminée en mesurant l’absorption d’une longueur d’onde spécifique avec un coefficient d’extinction connu à travers une épaisseur connue. Lorsque l’on applique ce principe à l’oxygénation relative des molécules d’Hb, on parle d’oxymétrie. Quand l’oxymétrie est appliquée à du sang artériel (pulsatile), on parle d’oxymétrie de pouls. De manière similaire, on parle de capnométrie quand ce principe est appliqué à la concentration de CO2 dans un gaz. Nous savons que l’Hb absorbe la lumière, ce qui nous permet d’enregistrer les variations de cette absorption. Ceci se matérialise sous la forme d’une onde de pléthysmographie significative. Ceci va conduire à la possibilité d’envisager un calcul de la quantité d’hémoglobine. [6] Les oxymètres non invasifs mesurent les quantités de lumière transmises à travers un tissu, ou réfléchies par lui. Avec cette méthode, l’estimation précise de la SaO2 implique plusieurs problèmes techniques.

De nombreux corps sont d’abord susceptibles d’absorber la lumière sur son trajet, autres que l’hémoglobine artérielle (peau, tissus mous, sang et capillaires). L’oxymètre de pouls (voir figure 1.1) tient compte de l’absorption de la lumière par les tissus, et par le sang veineux, et par le sang artériel non pulsatile (composante CC).  L’oxymétrie de pouls utilise les propriétés de réflexion de l’hémoglobine au sein de la composante pulsatile du sang artériel, (composante CA).

Monitorage de la circulation :

La pression artérielle : La pression artérielle systolique peut être déterminée avec certitude par la réapparition de l’onde pulsative. Ceci est du fait que la morphologie de l’onde pulsatile (photoplethysmogramme) est similaire à l’enveloppe de l’impulsion artérielle.

Autre utilisations en monitorage de la circulation : Des utilisations comme citer ci-dessous sont enregistrées.
 Indication d’une compression artérielle pendant l’arthroscopie de l’épaule.
 Vérifier la viabilité de l’intestin.
 Les tests cardio-pulmonaires, les études de la réponse ventilatoire à l’hypoxie et des caractères anormaux pendant le rêve sont faites en ce moment avec tranquillité et sécurité grâce à l’oxymètre de pouls. D’après les études de Jense, le degré de diminution du SpO2 pendant l’apnée, après une pré oxygénation de 5 min, était exactement le double dans les malades avec obésité morbide.

Capteurs : LED rouge et LED infrarouge :

L’émission de la lumière par une jonction a été observée en 1923 sur le carbure de silicium, mais il a fallu attendre 1953 pour avoir l’explication du phénomène avec la théorie des semi-conducteurs. C’est enfin vers 1963 que les premières diodes électroluminescentes LED ont été commercialisées. Pour la réalisation du circuit d’émission, des diodes électroluminescentes sont utilisées pour l’émission des lumières rouge et infrarouge qui traverseront le site de mesure (doigt ou orteil) afin de caractériser l’onde de pouls sanguine. Ces lumières seront captés par une photodiode ou un phototransistor qui constitue l’élément principal du circuit de réception.

Principe de fonctionnement de la LED: Le mot LED est l’acronyme de Light Emitting Diode (Diode Electroluminescente en français). Le symbole de la LED ressemble à celui de la diode mais on y a ajouté deux flèches sortantes pour représenter le rayonnement lumineux émis.

Jonction P.N. Ce phénomène d’électroluminescence sera obtenu à la condition de créer une forte quantité d’électrons dans la bande de conduction. On l’obtient par injection de porteuses polarisant dans le sens direct, une jonction PN à semiconducteur. Le même résultat aurait pu être obtenu en irradiant le cristal avec une source lumineuse d’énergie importante (photoluminescence) ou par bombardement électronique (cathodoluminescence). Selon la fabrication, la lumière peut être émise soit latéralement, soit perpendiculairement à travers la mince couche N ou P.

Caractéristiques optiques :
a- Longueur d’onde du pic d’émission Cette valeur nous indique la longueur d’onde (lambda p), en nanomètre, à laquelle est émis la plus importante partie du rayonnement (wavelength). La valeur est donnée pour une intensité de courant (IF).
b- Spectre ou largeur spectrale à mi-intensité Le spectre d’émission d’une diode LED est relativement étroit. Il existe actuellement plusieurs types de LED donnant chacun des spectres différents. Cela est obtenu par la variété des semi-conducteurs utilisés pour fabriquer les jonctions PN.
c- Correspondance couleurs, longueurs d’onde et énergie des photons Couleur Longueur d’onde (nm) Energie des photons (eV)
UltraViolet < 390 > 3,18
Violet 390-455 2,72-3,18
Bleu 455-490 2,53-2,72
Cyan 490-515 2,41-2,53
Vert 515-570 2,18-2,41
Jaune 570-600 2,06-2,18
Orange 600-625 1,98-2,06
Rouge 625-720 1,72-1,98
InfraRouge > 720 < 1,72
d- Diagramme de rayonnement Le flux lumineux n’est pas homogène tout autour de la LED. La répartition spatiale de la puissance émise dépend de la forme de la diode LED :
 forme de la partie émissive (point, trait…),
 avec lentille de concentration ou sans,
 diffusante ou non. Cette répartition est définie par le diagramme de rayonnement qui représente la répartition angulaire de l’intensité relative émise .
e- Angle d’émission à mi- intensité Les fabricants précisent souvent l’angle pour lequel l’intensité lumineuse a été réduite de moitié. Sur le diagramme figure 2.5 ci-dessus, le point rouge indique un angle de 10 degrés et le point vert un angle de 50° pour une intensité relative émise de 50%.
f- Intensité lumineuse
L’intensité lumineuse (mesurée en candelas) est la quantité de lumière émise dans une certaine direction à 1 mètre de distance. Dans les caractéristiques optiques des LEDs nous l’exprimons aussi en micro-candela (mcd) et se note IV.

Caractéristiques électriques
Point de fonctionnement et tension direct Une LED se comporte électriquement comme une diode. Pour émettre elle doit être polarisée en direct. La caractéristique IF(VF)  montre que la tension de conduction de la diode LED (forward voltage) est environ 1,5 Volts à 2 V. Le courant IF vaut environ E-2V/R. En pratique, le constructeur préconise 10 à 20 mA.Le courant traversant la LED détermine l’intensité lumineuse émise. Tension inverse (VR) Dans certains cas, on peut avoir besoin de polariser en inverse la LED.

La diode est alors éteinte : elle n’émet plus d’intensité lumineuse. Mais attention, la diode LED ne peut pas supporter des tensions inverses trop importantes comme une diode de redressement par exemple. Les valeurs courantes se situent telles que VR max = ± 3V à 5V (reverse voltage) ; au-delà de ces valeurs il y a endommagement ou destruction du composant. En cas de besoin nous plaçons une diode normale en série avec la LED. Il est alors extrêmement intéressant d’alimenter la LED en courant pulsé au lieu du courant continu. La valeur crête du courant permet alors d’obtenir des intensités lumineuses importantes. De ce fait nous pouvons :
 augmenter l’intensité lumineuse émise à consommation électrique moyenne égale,
 diminuer la consommation électrique tout en obtenant une intensité lumineuse égale,
 réduire l’échauffement de la jonction.

La photodiode :
Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.

Principe de fonctionnement : Quand un semi-conducteur est exposé à un flux lumineux, les photons sont absorbés à condition que l’énergie du photon (E{ph}) soit supérieure à la largeur de la bande interdite (Eg) . Ceci correspond à l’énergie nécessaire que doit absorber l’électron afin qu’il puisse quitter la bande de valence (où il sert à assurer la cohésion de la structure) vers la bande de conduction, le rendant ainsi mobile et capable de générer un courant électrique. L’existence de la bande interdite entraîne l’existence d’un seuil d’absorption tel que E (ph) = Eg. Lors de l’absorption d’un photon, deux phénomènes peuvent se produire :
La photoémission : c’est la sortie de l’électron hors du matériau photosensible. L’électron ne peut sortir que s’il est excité près de la surface.
La photoconductivité : l’électron est libéré à l’intérieur du matériau. Les électrons ainsi libérés contribuent à la conductivité électrique du matériau. Lorsque les photons pénètrent dans le semi-conducteur munis d’une énergie suffisante, ils peuvent créer des photos porteuses (électrons et trous d’électrons) en excès dans le matériau. On observe alors une augmentation du courant. Deux mécanismes interviennent simultanément : Il y a création de porteurs minoritaires, c’est-à-dire des électrons dans la région P et des trous dans la région N. Ceux-ci sont susceptibles d’atteindre la ZCE par diffusion et d’être ensuite propulsés vers des zones où ils sont majoritaires. En effet, une fois dans la ZCE, la polarisation étant inverse, on favorise le passage des minoritaires vers leur zone de prédilection. Ces porteurs contribuent ainsi à créer le courant de diffusion. Il y a génération de pairs électrons trou dans la ZCE, qui se dissocient sous l’action du champ électrique ; l’électron rejoignant la zone N, le trou la zone P. Ce courant s’appelle le courant de transit ou photo courant de génération.[8]Ces deux contributions s’ajoutent pour créer le photo courant Iph qui s’additionne au courant inverse de la jonction.

Circuit de mise en forme :

La partie mise en forme du signal est constituée essentiellement d’amplification, filtrage et d’un circuit d’échantillonnage pour la détection des lumières rouge et infrarouge réfléchies.

Amplification : Compte tenu que le signal détecté par la photodiode est très faible, de l’ordre de quelques millivolts une amplification une amplification est nécessaire. Souvent un amplificateur à base d’amplificateur opérationnel est utilisé.
Filtrage : Dans la pratique, le filtrage se compose de deux modes :
 Filtrage analogique
 Filtrage numérique .

Le filtrage analogique consiste à réaliser un circuit de filtrage, qui nous permet d’éliminer le bruit qui s’ajoute avec le signal utile, avec des composants soient actifs (généralement les actifs sont les plus utilisés) ou encore passifs.Il existe plusieurs genres de filtre selon le besoin dont on peut avoir. On trouve ainsi les filtres passe-bas, passe haut, passe bande, coupe bande, etc. Dans chaque cas différentes configurations existent dépendant des caractéristiques de réponses en amplitude et en phase. Ainsi on trouve : des configurations de de Butterworth, Chebychev, bessel..Etc.Cependant en filtrage numérique on n’a pas besoin de composants électroniques, c’est des équations de récurrences qui permettent d’aboutir à différents réponses de filtres et de configurations. Ils sont ainsi plus flexibles car c’est du logiciel. La structure générale c’est les RIF (réponse Impulsionnelle Finie) ou les RII (Réponse impulsionnelle infinie). Pour les structure à réponse impulsionnelle fini des réponses en phase linéaire peuvent être réalisés, par contre pour les RII c’est plutôt des réponses en amplitude diverses qui peuvent être réalisés (c’est-à-dire Butterworthchebeyshev Bessels etc) .

Circuit d’échantillonnage pour la détection Pour séparer les lumières réfléchies de la source d’émission R et la source d’émission IR à partir du signal réfléchie détecté par le phototransistor, un circuit d’échantillonnage est nécessaire. Ce circuit doit être constitué d’un circuit permettant de générer des impulsions à des instants spécifiques en synchronisme avec le signal de pilotage des LEDs. Ces impulsions (d’échantillonnage) commandent des échantillonneurs Bloqueurs respectifs pour chaque voix (voix R et Voix IR) pour permettre de détecter le signal PPG respectif à chaque lumière.

L’échantillonneur bloqueur: Le rôle d’un échantillonneur bloqueur (E/B) est de maintenir constante l’amplitude de l’échantillon prélevé tous les Te durant le temps nécessaire à sa conversion. Te représente la période d’échantillonnage.[10] Réaliser un échantillonneur bloqueur consiste à associer un interrupteur à une capacité.La capacité joue le rôle d’élément mémoire, l’interrupteur est là pour réactualiser la valeur mémorisée ou bien l’isoler vis à vis de l’entrée. Dans le cas idéal :
 Interrupteur fermé : Veb=Ve :La sortie Veb suit les variations de l’entrée Ve. On transmet directement l’entrée sur la sortie. On dit que l’on est en phase d’échantillonnage (Sample).
 Interrupteur ouvert : Veb=Cste :La sortie reste constante et égale à la dernière valeur transmise du signal d’entrée. On dit que l’on est en phase de blocage (Hold). La figure suivante montre l’évolution du signal de sortie durant les différentes phases de fonctionnement.

Table des matières

Introduction générale
1. Chapitre I : Oxymétrie de pouls
1.1.Introduction
1.2.Historique
1.3.Principe de l’oxymétrie de pouls
1.3.1. La spectrophotométrie percutanée et la composante pulsatile
1.3.2. Le système à deux longueurs d’onde
1.3.3. La mesure pratique de la saturation
1.4.Indication de l’oxymétrie de pouls
1.4.1. Détection de l’hypoxie
1.4.2. Monitorage de la circulation
1.5.Limitation de l’oxymétrie de pouls
1.5.1. Incidence du problème
1.5.2. Contre – facteur
1.5.2.1. Lumière ambiante
1.5.2.2. La perfusion basse
1.5.3. Vasoconstriction et hypothermie
1.5.4. Hypothermie
1.5.5. L’anémie
1.5.6. Les brulures
1.5.7. Position de la sonde
1.5.8. Interférence par un respirateur artificiel
1.6.Conclusion
2. Chapitre II : Etude de l’oxymétre de pouls 
2.1.Introduction
2.2.Source de lumière
2.2.1. Capteur rouge et infrarouge
2.2.1.1. Principe de fonctionnement des LED
a- Junction P.N
2.2.1.2. Caractéristique optique
a- Longueur d’onde de pic d’émission
b- Spectre ou longueur spectrale à mi- intensité
c- Correspondance couleur, longueur d’onde et énergie des photons
d- Diagramme des rayonnements
e- Angle d’émission a mi- intensité
f- Intensité lumineuse
2.2.1.3. Caractéristique électrique
a- Point de fonctionnement et tension directe
b- Tension inverse(Vr)
2.2.2. Circuit associe aux LEDs
2.3.Circuit de détection
2.3.1. La photodiode
a- Principe de fonctionnement
2.3.2. Le phototransistor
a- Principe de fonctionnement
2.4.Circuit de mise en forme 
2.4.1. Amplification
2.4.2. Filtrage
2.4.3. Circuit d’échantillonnage pour la détection
2.5.La carte d’acquisition 
2.5.1. Le port parallèle
2.5.2. Le port série
2.5.3. Le port USB
2.6.Conclusion 
3. Chapitre III : Etude pratique du dispositif réalisé
3.1.Introduction
3.2.Description hardware
3.3.Circuit d’émission de la lumière, détection et de mise en forme
a- Circuit d’émission
b- L’astable
c- Pilotage des LED : circuit d’émission
3.3.1. Détection de la lumière : circuit de réception
3.3.2. Amplification des signaux PPG
3.3.3. Echantillonneur bloqueur
3.4.La carte d’acquisition
3.4.1. Le port parallèle
3.4.1.1. Brochage du port parallèle
3.4.1.2. Registre de commande
3.4.2. Multiplexeur
3.4.3. Le convertisseur analogique-numérique
3.5.Conclusion
4. Chapitre IV : Résultat et conclusion
4.1.Introduction
4.2.Mesures et interprétations
4.2.1. La sortie de l’astable
4.2.2. La sortie des transistors montés en commutation
4.2.3. La sortie de premier monostable U2
4.2.4. La sortie du deuxième monostable U3
4.2.5. La sortie du premier monostable U4
4.2.6. La sortie du deuxième monostable U5
4.2.7. La sortie du régulateur
4.2.8. La sortie de convertisseur lumière tension
4.2.9. La sortie finale
4.3.Test hardware de la carte d’acquisition
4.3.1. Test de l’horloge
4.3.2. L’impulsion de début de conversion
4.3.3. L’impulsion de fin de conversion
4.4.Proposition d’une manipulation de travaux pratiques
4.4.1. Etude théorique
4.4.1.1. Principe de l’oxymétrie de pouls
4.4.1.2. La mesure pratique de la saturation
4.4.2. Manipulation travaux pratiques
4.4.3. Conclusion
4.5.Conclusion générale
Annexe
Bibliographies

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