Capteurs miniaturisés de PH et SPO² pour la surveillance de la santé foetale

PH and SPO² miniaturized sensors for fetal health monitoring

• Auteur / Autrice : Thi Thanh Thuy Nguyen
• Direction : Gaëlle Lissorgues
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 07/07/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Serge Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle Lissorgues, Elisabeth Blanquet, Sylvain Feruglio, Olivier Henry, Hakim Takhedmit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisabeth Blanquet, Sylvain Feruglio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxymétrie

Foetus

Oxygène dans l'organisme

Monitorage foetal

Microcapteurs

Mots clés libres

Micro-Capteurs

Micro-Technologies

Électronique

Micro-Sensors

Micro-Technologies

Electronics

Résumé

La surveillance du bien-être fœtal pendant le travail est une pratique courante des activités obstétricales quotidiennes. Assurer la bonne oxygénation du fœtus est important pour prévenir le risque d'asphyxie et ses conséquences les plus graves. Dans ce travail, nous définissons l'importance de la mesure du pH et de la SpO2 pour la santé humaine en général et la surveillance de la santé fœtale en particulier. L'aspect biologique du déséquilibre du pH et le rapport avec la SpO2 y sont expliqués ainsi que la nécessité d'une mesure en temps réel afin de surmonter les limites de la technique actuelle d'analyse du sang. Un prototype, qui est une première tentative pour obtenir une surveillance continue de la santé du fœtus pendant le travail est conçu et fabriqué. Ce système est capable de mesurer simultanément le pH, la SpO2 et fournit un photopléthysmogramme (PPG) clair en temps réel. La microélectrode a été fabriquée en utilisant du Titanium Nitride (TiN) comme matériau de détection potentiométrique des variations de pH. Un capteur optique de réflectance a été utilisé pour la surveillance SpO2. Les sondes de pH et de SpO2 sont minimisées et fabriquées sur un substrat flexible (polyimide).L'exigence la plus critique du capteur de pH pour la surveillance de la santé fœtale est principalement d'avoir une précision de 0.01 en pH, avec une conception miniaturisée appropriée. Les capteurs de pH à base potentiométrique sont les systèmes électrochimiques les plus appréciés en raison de leur conception simple et de leur possibilité de miniaturisation. De toute évidence, il existe différents groupes de matériaux sensibles au changement de pH, par exemple les oxydes métalliques tels que le Iridium oxide, le Ruthenium oxide et le Titanium dioxide, les polymères conducteurs tels que la poly-aniline, le poly-pyrrole, etc., et typiquement, l'électrode de pH en verre, etc. Cependant, ces dispositifs présentent encore quelques inconvénients en termes de dérive de potentiel et de sélectivité ( metal oxides), de stabilité et de stockage à long terme (polymers), de fragilité et d'improbabilité d'application biomédicale (électrode de verre). Le groupe de Metal Nitride de matériaux alternatifs est prometteur pour le développement d'un capteur de pH à base de potentiométrie. Il a été rapporté dans la littérature que des films minces de TiN ont remarquablement atteint une precison de pH de 0.01, ce qui est essentiel pour notre application, mais ces films n'ont pas été conçus pour des électrodes miniaturisées. À notre connaissance, le TiN est le Metal Oxide seul met signalé pour les capteurs de pH potentiométriques et est considéré comme un matériau de détection de pH alternatif. Ainsi, la première partie de notre travail porte sur le développement d'un micro-capteur de pH potentiométrique TiN en salle blanche avec sa caractérisation complète in vitro.Un capteur SpO2 de réflectance a été conçu, employant deux LED (630 et 940 nm) avec une photodiode et ont était surveillé par un microcontrôleur MSP432. Le résultat enregistré du premier prototype du PCB classique dur montre un comportement proche d'un appareil commercial. Nous avons optimisé le circuit frontal analogique et l'avons transféré sur un circuit imprimé flexible, en fabriquant un deuxième prototype. Enfin, nous avons développé un prototype de capteur SpO2 miniature sur un substrat flexible, qui pourrait enregistrer le signal PPG brut et pourrait être utilisé comme outil de mesure supplémentaire pour valider notre mesure de pH. À ce stade, les capteurs sont séparés mais un boîtier intégré est envisagé pour l'étape suivante utilisant à la fois un circuit électronique flexible pour la SpO2 et une fabrication de substrat flexible pour le capteur de pH. Ce travail d'intégration devrait fournir un dispositif intégrant tous les capteurs mentionnés ci-dessus dans une solution flexible pour des tests in vivo ultérieurs mais compatible avec les contraintes médicales

Monitoring fetal well-being during labor is a common practice of daily obstetrical activities. Ensuring the good oxygenation of the fetus is important to prevent the risk of asphyxiation and its most serious consequences: peripartum death and distant sequelae. In this work, we define the significance of pH and SpO2 measurement to human health in general and fetal health monitoring in particular. Biological aspect of pH imbalance and the relevant to SpO2 is explained, along with the need of real time measurement to get over the limitation of the current blood analyzing technique. A prototype, which is a first attempt to get continuous fetal health monitoring during labor, is designed and fabricated. This system is capable of simultaneously measuring pH, SpO2 and provides a clear photoplethysmogram in real time. Microelectrode was fabricated using Titanium nitride (TiN) as the potentiometric sensing material for pH variations. A reflectance optical sensor was used for SpO2 monitoring. Both pH and SpO2 probes are minimized and fabricated on flexible substrate (polyimide).The most critical requirement of the pH sensor for fetal health monitoring is a precision of 0.01 in pH, with an appropriate miniaturized design. Potentiometric based pH sensors are the most favored electrochemical systems due to their simple design and possibility to be miniaturized. Evidently, there are different material groups that are sensitive to pH change, for example metal oxides (Iridium oxide, Ruthenium oxide, and Titanium dioxide, conductive polymers such as poly-aniline, poly-pyrrole, etc., and the glass pH electrode with an ideal Nernstian sensitivity, etc. However, these devices still have some drawbacks in terms of potential drift and selectivity (metal oxides), stability and long-term storage (polymers), fragility and improbability of biomedical application (glass electrode). An alternative material group promising for developing a potentiomentric-based pH sensor is Metal Nitride. Remarkably, thin TiN films have been reported once to reach 0.01 pH precision which is critical for our application but these films were not designed for miniature electrodes. To the best of our knowledge, TiN is the only metal nitride reported for potentiometric pH sensors, and is considered as an alternative pH-sensing material. Therefore, the first part of our work focuses on developing a TiN potentiometric pH micro-sensor in clean room with its complete characterization in vitro.A reflectance SpO2 sensor was designed, employed two LEDs at 630 nm and 940 nm wavelengths with one wideband photodiode and was monitored by a MSP432 microcontroller. Several versions of the SpO2 sensor were fabricated. Result recorded of the first prototype of the classical hard-type PCB shows close behavior to a commercial device. We optimized the analog front end circuit and transferred it to a flexible PCB, fabricating a second prototype. Finally, we developed a prototype of miniature SpO2 sensor on a flexible substrate, which could register raw PPG signal and could be used as a supplementary measurement tool to validate our pH measurement. At this stage, the sensors are separated but an integrated package is considered for the next step using both a flexible electronic circuit for SpO2 and a flexible substrate fabrication for the pH sensor. This integration work is expected to provide a device embedding all above-mentioned sensors into a flexible solution for later in vivo testing but compatible with medical constraints (material biocompatibility, sterilization, easy manipulation of the final device by the medical staff…)