Étude de cas :
Composants optiques pour la surveillance de patients sous respiration artificielle

COMMENT LES COMPOSANTS OPTIQUES SONT-ILS UTILISÉS DANS LA SURVEILLANCE DES GAZ DU SANG ?

Le dioxyde de carbone, l'oxygène, le pH et le taux d'hémoglobine sont des paramètres clés dans la surveillance des gaz du sang artériel. Vous trouverez ci-dessous plusieurs exemples de la manière dont ces paramètres peuvent être déterminés par photométrie.

Dioxyde de carbone

La figure 1 montre un système optique pour la détermination photométrique du CO₂ à partir d'un échantillon de sang. Le rayonnement d'une source thermique est réfléchi par un miroir concave à travers une fente et sur un second miroir concave. Le rayonnement est ensuite réfléchi par le second miroir concave sur un réseau, qui est optimisé pour les longueurs d'onde IR de 4200 à 4300 nm. Le réseau tourne, ce qui permet aux longueurs d'onde diffractées de varier sur ce spectre. Le rayonnement est ensuite renvoyé au miroir concave, passe à travers un filtre passe-haut de 3500 nm, traverse la chambre de mesure, puis est dirigé vers un détecteur pyroélectrique. Le détecteur, qui est synchronisé avec le réseau rotatif, émet un signal proportionnel à l'intensité du rayonnement à 4210, 4260 et 4310 nm. La quantité d'absorption à partir de ces longueurs d'onde fournit la quantité de base de CO₂ dans l'échantillon³. Le sang artériel devrait être relativement dépourvu de dioxyde de carbone en raison des échanges gazeux pulmonaires, ou de la respiration externe⁴.

Figure 1 : Détermination photométrique du CO₂.

Oxygène

La figure 2 montre un système utilisé pour la détermination de la quantité d'oxygène dans un échantillon de sang. La lumière d'une diode verte est transmise à travers un filtre passe-bas de 580 nm. Le rayonnement est transmis du filtre passe-bas à un filtre dichroïque de 580 nm qui réfléchit la lumière de la diode verte sur la lentille de focalisation. La lumière verte est ensuite focalisée sur l'échantillon où elle interagit avec un colorant sensible à l'oxygène⁵. Les luminophores excités émettent des photons de plus grande longueur d'onde que la lumière verte incidente. Ces photons d'excitation sont ensuite transmis du récipient de l'échantillon à travers la lentille, à travers le filtre dichroïque, puis à travers un filtre couleur passe-haut de 665 nm, et sur une photodiode au silicium. L'intensité du signal au niveau du détecteur est utilisée pour calculer le niveau d'oxygène. Le niveau d'oxygène dépend du mouvement de l'air entrant et sortant des alvéoles, du flux sanguin dans les capillaires pulmonaires et de l'hémoglobine, protéine porteuse d'oxygène⁴.

Figure 2 : Détermination photométrique de l'O₂ à travers un filtre couleur passe-haut SCHOTT 665 nm.

pH

La figure 3 montre une coupe transversale d'un système optique pour la détermination photométrique du pH. Une lampe halogène émet un rayonnement qui est filtré par un filtre absorbant la chaleur, tel que le verre SCHOTT KG5. Le rayonnement interagit ensuite avec l'échantillon de sang et est finalement focalisé par une lentille à travers plusieurs filtres passe-bande sur des photodiodes au silicium. Les photodiodes émettent des signaux de courant représentant l'intensité des radiations de 458, 589 et 750 nm. Ces intensités de rayonnement permettent de calculer la valeur du pH de l'échantillon³. Le pH du sang donne un aperçu de l'interaction des tampons chimiques présents dans le sang (principalement le bicarbonate), des globules rouges et du fonctionnement de trois organes : les reins, les poumons et le tronc cérébral⁴.

Figure 3 : Détermination photométrique du pH sanguin.

Hémoglobine

L'oxygène étant peu soluble dans le sang, l'organisme compte sur la protéine porteuse d'oxygène, l'hémoglobine, pour transporter l'oxygène aux cellules des tissus. Un système optique connu sous le nom d'oxymètre de CO mesure l'absorption de la lumière traversant le sang à partir de seulement deux ou trois longueurs d'onde de la lumière jusqu'à plusieurs dizaines de longueurs d'onde. Cela permet de distinguer l'oxyhémoglobine et la désoxyhémoglobine (anciennement appelée hémoglobine « réduite ») et de déterminer la saturation en oxyhémoglobine, ou le pourcentage d'hémoglobine oxygénée par rapport à la quantité totale d'hémoglobine disponible (Hb). La mesure d'un plus grand nombre de longueurs d'onde permet à l'instrument de distinguer celles-ci de la carboxyhémoglobine (COHb), de la méthémoglobine (metHb), d'autres fractions de l'hémoglobine et des espèces « de fond » absorbant la lumière.

Figure 4 : Détermination photométrique de l'hémoglobine.

La figure 4 montre un exemple d'oxymètre de CO. Le rayonnement est transmis par une lampe halogène à travers un filtre absorbant la chaleur sur la chambre de mesure. La lumière qui traverse l'échantillon est focalisée à travers un filtre dichroïque, qui divise ensuite le spectre en un filtre passe-bande de 600 ou 506 nm. Les intensités résultantes sont détectées par des photodiodes au silicium et utilisées pour calculer la teneur totale en hémoglobine (Hbtot) et la saturation en oxygène. Le calcul est basé sur la loi de Lambert Beer et sur des valeurs prédéterminées des coefficients d'extinction de l'Hb et de l'HbO₂ ³.

Voici un autre exemple d’oxymètre de CO, où les globules rouges sont exposés à des vibrations ultrasoniques qui détruisent les parois cellulaires en libérant l'hémoglobine. L'hémoglobine dans la cellule de flux est exposée à la lumière visible et le spectre d'absorbance (478-672 nm) est observé à l'aide d'un miroir à réseau et d'un réseau de détecteurs à photodiodes. À partir de ces spectres d'absorption, les concentrations de bilirubine peuvent être calculées et utilisées pour dépister des affections telles que la jaunisse néonatale⁶.  

Figure 5 : Système de mesure de l'hémoglobine avec une source d'ultrasons.