In-line ultrasonic characterization of in-vitro blood processing
Caractérisation ultrasonore intégrée pour traitement in-vitro du sang
Résumé
Blood transfusion is a major issue for medicine. To ensure the quality of blood products, reliable and safe blood fractionation techniques are required. Acoustophoresis separation is a recent microfluidic technique that exploits the ultrasonic radiation force to fractionate blood. During acoustophoresis, the stability of blood flow rate is essential. However, the development of a flowmeter adapted to blood acoustophoresis is not an easy task due to very low microfluidic flow rates. In addition, there is a need for new blood characterization techniques that would allow to monitor acoustophoresis. In particular, the blood hematocrit is an interesting parameter to measure that could help to assess red blood cells fractionation. In this PhD thesis, we present a simple Doppler ultrasound system that has been conceived to characterize the blood flow in an acoustostophoresis channel. We will first demonstrate how the system can be simply exploited with an optimization algorithm to measure blood flow rate in a range relevant to acoustophoresis. Then, we will apply some theoretical elements to evaluate the system capacity to measure the hematocrit of a diluted blood flow using ultrasonic backscattered power. Lastly, we will show how blood non-Newtonian behavior can be used to measure hematocrit in a physiological range through small variations of blood maximum velocity.
Que ce soit pour la transfusion mais aussi pour le comptage et l’examen d’un type cellulaire en particulier, des techniques de fractionnement du sang fiables sont d’une nécessité absolue pour la médecine. Parmi les techniques de fractionnement les plus récentes, l'acoustophorèse permet de séparer des cellules en exploitant à l’échelle microfluidique la force de radiation ultrasonore. Lors d'un fractionnement par acoustophorèse, le maintien du débit est une tâche essentielle. Néanmoins, les bas débits utilisés rendent difficile le développement de débitmètres adaptés. Également, l’acoustophorèse et les techniques de fractionnement microfluidiques en général sont demandeuses de nouveaux outils de caractérisation des propriétés physiologiques du sang. L’hématocrite est en particulier une quantité intéressante dont la mesure permet de quantifier le procédé de fractionnement via les globules rouge. Dans cette thèse, nous présentons un système Doppler ultrasonore conçu pour caractériser un écoulement de sang dans un dispositif d’acoustophorèse. Dans un premier temps, nous montrerons comment ce système peut être simplement exploité à l’aide d’un algorithme d’optimisation pour mesurer un débit très faible de sang. Puis, nous appliquerons quelques éléments théoriques pour évaluer la capacité du système à mesurer l’hématocrite d’un écoulement de sang dilué via la puissance ultrasonore rétrodiffusée. Enfin, nous montrerons que le comportement non-Newtonien de l’écoulement de sang nous permet de mesurer l’hématocrite dans une gamme physiologique, en sondant de légères variations du profil des vitesses.
Origine : Version validée par le jury (STAR)