Analyse de l'air exhalé par des matrices de capteurs nanocomposites : le nez électronique pour l'aide au diagnostic. Application aux insuffisances rénales

Analysis of exhaled air by nanocomposite sensor arrays : he electronic nose for diagnosis support. Application to chronic kidney disease

• Auteur / Autrice : Paul Le Maout
• Direction : Cyril Lahuec, Jean-Luc Wojkiewicz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Lab-STICC_IMTA_CACS_IAS - Département Electronique - Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Brest ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Laetitia Jourdan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Lahuec, Jean-Luc Wojkiewicz, Marc Debliquy, Norbert Noury, Sylvie Renaud, Nathalie Redon, Fabrice Seguin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Debliquy, Norbert Noury

Mots clés

Mots clés contrôlés

Insuffisance rénale aiguë

Diagnostic

Nez électroniques

Mots clés libres

Nez électronique

Diagnostic

Capteurs

Algorithme de classification

Electronic Nose

Diagnosis

Sensors

Classification algorithm

Résumé

Les insuffisances rénales chroniques touchent près de trois millions de personnes en France, dont 70 000 à un stade terminal nécessitant une greffe ou plusieurs hémodialyses hebdomadaires. Pour ralentir la progression de cette pathologie irréversible, il est essentiel de se faire diagnostiquer le plus tôt possible. Bien que les prises de sang soient efficaces, c’est une méthode invasive. Cette thèse s’intéresse donc à une méthode de diagnostic prometteuse qui consiste à analyser et mesurer les marqueurs cibles dans l’air exhalé. En effet, certains d’entre eux, dont l’ammoniac, voient leurs concentrations augmenter dans l’air exhalé lorsque les reins fonctionnent moins bien. Pour cela, la solution technologique retenue a été le nez électronique. C’est l’outil qui permet d’avoir le meilleur compromis précision et compacité. Cependant, le nez électronique a également des défauts qui sont détaillés et dont des solutions sont proposées dans ce document. D’abord, le choix de la matrice de capteurs, qui est la base du nez électronique est justifié. La surface sensible repose sur la polyaniline. Ce polymère conducteur a été retenu car il est très sensible à l’ammoniac. Toutefois, il l’est également à l’humidité, très présente dans l’air exhalé. Le choix des paramètres des courbes de réponses ainsi que de l’algorithme de classification ont permis d’atteindre une précision de classification de 91 % pour la mesure de concentration d’ammoniac dans un mélange simulant l’air exhalé. Ensuite, les problématiques liées aux dérives des capteurs dans le temps sont détaillées et un algorithme pour les contrer a été développé, permettant de maintenir une précision à 80 % après quatre mois d’utilisation, alors qu’il aurait chuté à 50 % si rien n’avait été prévu pour gérer les dérives. Enfin, un prototype de nez électronique portable a été conçu, de la matrice de capteur, à l’interface de mesure et la partie classification, avec des composants bas coûts (l’ensemble coûte environ100 euros) consommant 2,1 W et permettant de le faire fonctionner pendant 14 heures avec une batterie de téléphone. Ce prototype a été testé sur des échantillons réels de patients atteints d’insuffisances rénales chroniques et démontre la faisabilité d’un dispositif d’aide au diagnostic.

Chronic kidney disease affects nearly three million people in France, including 70,000 at anend stage requiring transplantation or several weekly hemodialyses. To prevent the progression of this irreversible disease, it is essential to be diagnosed as soon as possible. Although blood tests are effective, it is an invasive method. This thesis therefore focuses on a promising diagnostic method that consists of analyzing and measuring biomarkers in exhaled air. Indeed, some of them, including ammonia, increase their concentrations in exhaled air when the kidneys do not work as well as usual. For this purpose, the technological solution chosen was the electronic nose. It is the ideal solution to achieve the best compromise between accuracy and compactness. However, the e-nose also has a number of drawbacks that are detailed and for which solutions are proposed in this document. First, the choice of the sensor matrix, which is the basis of the e-nose, is justified. The sensitive surface is based on polyaniline. This conductive polymer was chosen because it is very sensitive to ammonia. However, it is also affected by humidity, which is very abundant in exhaled air. The choice of response curve features and the classification algorithm resulted in a classification accuracy of 91% for measuring ammonia concentration in a mixture simulating exhaled air. Then, the problems related to sensor drift over time are detailed and an algorithmhas been developed to counter them, allowing to maintain an accuracy at 80% after four months of use, whereas it would have dropped to 50% if nothing had been planned to manage drift. Finally, a prototype of a portable electronic nose has been designed, from the sensor matrix to the measurement interface and classification part, with low-cost components (the package costs around 100 euros) consuming 2.1 W and allowing it to operate for 14 hours with a telephone battery. This prototype has been tested on real samples of patients with chronic kidney disease and demonstrates the feasibility of a diagnostic aid device.