Dans la médecine du futur, on s'attend à ce que les méthodes de traitement personnalisé conduisent à des processus de guérison plus efficaces. La mesure précise du débit et de la composition des mélanges gazeux, en particulier ceux présents dans la respiration, jouera un rôle crucial dans la réalisation de cet objectif. Étant donné que les débitmètres thermiques dépendent des propriétés du mélange gazeux, Bronkhorst oriente ses recherches sur ses débitmètres massiques, tels que la série FLEXI-FLOW, pour obtenir des résultats de mesure indépendants du gaz et avec une précision constante.

Projet de module de surveillance des gaz pour l'analyse des gaz expirés

En 2021, un projet a été lancé entre l'Université de Twente et Bronkhorst pour explorer les possibilités d'utilisation de capteurs de débitmètres massiques thermiques pour mesurer le débit et de la composition des mélanges gazeux. Cette collaboration devrait aboutir à la création d'un démonstrateur destiné à la surveillance des gaz pour les dispositifs d’assistances respiratoires, pouvant être utilisé pour une thérapie personnalisée pour les patients atteints de maladies respiratoires et pulmonaires (voir figure 1).

Le rôle du module de surveillance des gaz est d'analyser divers gaz dans l'air expiré afin d'évaluer les possibilités de solutions thérapeutiques. Le système doit mesurer avec précision les concentrations en temps réel de plusieurs gaz tout en restant rentable et en conservant une taille compacte.

Mesure de débit pour l'analyse des gaz expirés

Figure 1. Exemple d'un système de ventilation pour les patients atteints de maladies respiratoires et pulmonaires

Capteurs de débitmètres massique thermiques basés sur MEMS comme solution potentielle

Le cœur du module de surveillance des gaz est un capteur de débitmètre massique thermique sur puce MEMS. Ces capteurs ont un haut potentiel dans le cadre du traitement des maladies respiratoires. Ils sont petits, rapides, et économiques. Cependant, plusieurs problèmes fondamentaux doivent encore être résolus, tels que la dépendance du signal de sortie du capteur de débit au type de gaz et le traitement de la donnée de débit et de la composition du gaz en même temps.

Détection du type de gaz avec un capteur à conductivité thermique

Une première conception d’un mesureur thermique de débit et de composition a été développée en se basant sur la modélisation et la compréhension des phénomènes physiques. Ce prototype a été fabriqué dans la salle blanche MESA+ de l'Université de Twente, puis caractérisée.

Trois paires de fils sont utilisées comme capteurs de débit calorimétriques pour mesurer le profil de débit et la direction du débit à l'intérieur d'un canal (voir figure 2). Un capteur de conductivité thermique indépendant détecte le type de gaz par une simple mesure de tension continue.

Validation par les résultats de mesure

Pour mesurer la conductivité thermique, des gaz aux propriétés différentes ont été sélectionnés : hélium (He), dioxyde de carbone (CO2), azote (N2) et argon (Ar). Les premières constatations indiquent une bonne concordance entre les tensions de sortie mesurées et les calculs théoriques, permettant la détermination des débits.

De l'air pur a été utilisé comme gaz de test. Sa conductivité thermique est déterminée à partir de la tension mesurée à l'aide d'un modèle théorique. Une relation empirique pour le capteur de débitmètre massique thermique a été déduite, liant les propriétés thermiques du gaz et le débit. Cette relation a été utilisée pour mesurer les débits en compensant la conductivité thermique réelle.

Conclusion et perspectives futures

Finalement, le projet suggère qu'un débitmètre massique thermique indépendant du gaz pourrait devenir un composant essentiel pour les entreprises pharmaceutiques et biotechnologiques dans la réalisation de la médecine personnalisée. Des mesures futures des propriétés gazeuses telles que la densité et la capacité thermique, ainsi que des mélanges gazeux variables rapidement, sont nécessaires pour préparer le module de surveillance des gaz à une validation expérimentale dans un environnement clinique.

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Plus d'informations sur la recherche peuvent être trouvées à cette adresse:
[1] S. Azadi Kenari, R.J. Wiegerink, H.W. Veltkamp, R.G.P. Sanders, J.C. Lötters, Thermal flow meter with integrated thermal conductivity sensor, Micromachines 2023, 14, 1280.

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