Brevet FR2461255A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la détermination photométrique trans- cutanée de la concentration de constituants du sang, en mesurant la variation du pouvoir réfléchissant d'une solu- tion d'indicateur contenue dans un capteur pouvant être appliqué sur la peau, en fonction de la teneur en consti- tuant du sang à déterminer aprs que celui-ci a diffusé du tissu du corps dans la solution d'indicateur, à travers la peau et à travers une membrane semi-perméable pour lui. Pour la mesure, on peut déterminer aussi bien la lumière réfléchie de façon ordonnée que la lumière réfléchie (ré- émise) de façon désordonnée (diffuse). Un procédé "non invasif" (sans épanchement de sang) connu, permettant de déterminer la concentration ou la pression partielle de gaz du sang tels que l'oxygène, l'hydrogène, le gaz carbonique et le protoxyde d'azote N20 (gaz hilarant, utilisé à des fins d'anesthésie), utilise la mesure photométrique de l'absorption, dépendant de la teneur du constituant à déterminer, de la lumière d'une certaine fréquence dans une solution d'indicateur. Ce constituant doit en outre être capable de diffuser des vais- seaux sanguins de la peau à travers la surface de la peau dans la chambre de mesure du capteur, qui est remplie d'une solution d'indicateur. Le brevet des E.U.A. NO 4.041.932 et la demande de brevet allemand N0 2.637. 501 décrivent de tels procédés de mesure et des dispositifs appropriés à ceux-ci. Etant donné que la mesure par transmission (absorption) exige une structure mécanique relativement complexe du capteur, comme le montre la dernière demande de brevet allemand mentionnée, selon laquelle un système de pompe doit être monté dans le capteur pour pomper la solution d'indicateur dans une chambre de mesure, la pré- sente invention se propose de créer un procédé de mesure photométrique pour la détermination non "invasive" de constituants du sang, qui exige un capteur beaucoup plus simple. En particulier, il ne doit nécessiter ni dispositifs pour envoyer la solution d'indicateur dans une chambre de mesure, ni une chambre'de mesure assez grande pour que le parcours de la lumière soit suffisamment long pour créer un taux d'absorption élevé, augmentant la sensibilité par des réflexions multiples sur les parois de la chambre de mesure. Dans le cas de l'invention telle qu'elle est caractérisée par les revendications, ce but est atteint en ce que, contrairement à ce qui est connu, ce n'est ni l'absorption de la lumière dans la solution d'indicateur, ni l'intensité de la lumière transmise, mais la lumière réfléchie à la surface de la solution d'indicateur de façon ordonnée et/ou diffuse qui est déterminée dans la mesure photométrique. On met ici à profit le fait que non seule- ment l'intensité de l'absorption dans un liquide, mais encore le pouvoir de réflexion à sa surface dépendent des propriétés optiques du liquide et des constituants qui y sont contenus. Les méthodes de mesure photométriques sont fondamentalement connues en soi. Cependant, comme le mon- trent les références ci-dessus, on n'a effectué jusqu'à présent de mesures qu'en lumière transmise et ceci, peut-être à cause de problèmes de définition particuliers lors de la détermination de la lumière diffusée et/ou à cause de rap- ports signal-bruit trop faibles ou en raison d'intensités qui n'appartiennent pas à l'effet mesuré. Des problèmes particuliers proviennent également du calibrage nécessaire, qui doit être effectué, par exemple pour les dosages de C02, pour deux longueurs d'onde, même dans le cas d'une source de lumière constante. On peut choisir à présent pour les substances à déterminer des fréquences lumineuses pour les- quelles le pouvoir réfléchissant du liquide indicateur dépend fortement de la concentration de ces substances dans la solution d'indicateur, et pour lesquelles la lumière monochromatique peut être produite au moyen de sources lumineuses appropriées, par exemple de diodes électro- luminescentes à corps solide, telles que des diodes à l'arséniure de gallium, au phosphure de gallium, et à d'autres semi-conducteurs. Le procédé photométrique de l'invention présente une importance particulière pour la détermination transcutanée, non "invasive", de la pression partielle (concentration) du gaz carbonique dans le sang par mesure du pH dans la solution d'indicateur, car les autres procédés de mesure sans épanchement de sang sont pour certains très compliqués, et ne se prêtent donc pas encore à une utilisation de routine en médecine. Par exem- ple, la méthode électrométrique pour la détermination indi- recte de p-C02 par mesure du pH présente des difficultés, parce qu'il est nécessaire d'utiliser des électrodes de verre très petites, fragiles, qu'il appra!t par dépôt sur celles-ci des tensions de polarisation gênantes, et qu'il est nécessaire d'avoir une source de tension de forte résistance avec des préamplificateurs appropriés. Avec d'autres méthodes, il est par exemple difficile de distin- guer entre les influences des divers constituants gazeux du sang, par exemple entre l'influence du gaz carbonique et celle de l'oxygène. Comptetenu de la sélectivité de la méthode photométrique lorsqu'on utilise une fréquence lumi- neuse appropriée, la méthode photométrique ne présente pas ce dernier inconvénient, on n'a pas à craindre de problèmes de tension de dérive, et il n'est pas nécessaire d'avoir de petites électrodes de verre, mécaniquement très fragiles. Pour expliquer plus en détails l'inven- tion, ses caractéristiques et ses particularités avantageuses, on a fait appel aux dessins avec deux modes de réalisation, qui représentent en coupe transversale le capteur, et en coupe, un schéma de l'appareillage de lecture, de mesure et de régulation. La figure 1 représente un mode de réalisation dans lequel la source lumineuse et le détecteur de lumière sont loges dans un appareil de mesure séparé du capteur. La figure 2 représente un mode de réalisa- tion dans lequel la source de lumière et le détecteur de lumière sont également incorporés au capteur. Pour pouvoir réaliser les concepts fondamen- taux de l'invention, il était nécessaire d'avoir un capteur B ou B' pouvant être appliqué sur la peau 14 d'une partie du corps 4 et un appareil de mesure A séparé de celui-ci, qui reçoit la source de courant électrique 16 pour le dispo- sitif de mesure, la source de lumière 17 ainsi que le photomètre 15 avec des dispositifs de lecture et d'enregis- trement. L'appareil de mesure A a un volume beaucoup plus important que le capteur B, mais il peut être installé sé- parément de celui-ci en un emplacement approprié. La figure 1 montre ce mode de réalisation avec le capteur B. La source 17 pour la production d'une lumière monochromatique d'une fréquence particulière et le photodétecteur ou le photo- élément 22 sont logés dans l'appareil de mesure A, ce der- nier dans la partie 15 de l'appareil. Ces dispositifs de mesure connus en soi ne-sont esquissés dans le dessin que sous forme schématique. L'appareil de mesure A est relié au cap- teur B de la figure 1 par l'intermédiaire d'un câble 11 qui peut contenir tous les conducteurs électriques et opti- ques. La lumière monochromatique produite par la source de lumière 17 est envoyée par une ou plusieurs fibres optiques lla au capteur, tandis que la lumière réfléchie ou diffusée utilisée pour la mesure est transmise par une ou plusieurs autres fibres optiques llb au photomètre 15. En outre, le câble 11 peut aussi contenir le conducteur d'alimentation électrique l9a pour l'enroulement de chauffage ou l'anneau de chauffage 7 et le conducteur de mesure l9b entre la sonde de température 8 du capteur B et la partie régulation 16 pour le courant de chauffage. Le capteur B pour la mesure photométrique a une forme cylindrique ramassée, un peu en forme de plaque, O et il comprend un corps de base, de préférence en une résine synthétique non conductrice résistante à la déformation dans lequel sont inclus les autres organes. Il est appliqué avec sa partie inférieure la sur la peau 14 du corps 4. A la partie inférieure, il porte avantageusement un anneau de collage 2 pour le fixer sans possibilités de déplacement sur l'emplacement du corps choisi. La partie sonde propre- ment dite est formée d'une chambre à indicateur 9a aplatie, de faible volume, qui s'étend parallèlement à la partie infé- rieure du capteur et contient la solution d'indicateur 9. Pour supporter la chambre à indicateur 9a, il est prévu un corps de céramique poreuse 5 sur la partie inférieure (tournée vers la peau 14) duquel est tendue une membrane de plastique semi-perméable 3, qui doit être perméable au constituant du sang à mesurer et qui est absolument néces- saire au procédé de mesure. La membrane 3 est serrée au moyen de l'anneau métallique 6 sur la partie sonde. Cet anneau métallique sert en même temps à assurer un bon trans- fert de chaleur de l'anneau de chauffage 7 à la peau 14 et à la partie du corps 4, permettant d'obtenir une hyperémisation du tissu du corps et par conséquent aussi un enrichissement du constituant du sang à déterminer dans le tissu du corps. Pour ne pas surchauffer la peau et évi- ter tout risque de brûlure, une sonde de température 8 est placée dans le capteur, par exemple sur ou dans l'anneau métallique 6, elle est reliée à la partie régulation 16 du courant de chauffage logée dans l'appareil de mesure A, et commande ce courant de chauffage. Dans le cas du mode de réalisation de la figure 1, un prisme 10, par exemple en verre transparent ou en plastique, est intercalé entre les câbles optiques lla, llb et la surface de la chambre à indicateur 9a, rem- plissant l'espace 23. Sa coupe transversale a la forme d'un triangle rectangle, et il est disposé de telle sorte qu'une des surfaces des côtés de l'angle droit coïncide avec la surface de la chambre à indicateur 9a et que les orifices des fibres optiques s'appliquent contre l'autre surface de côté de l'angle droit. La lumière monochromatique envoyée par les fibres optiques lla est reflétée sur la surface de l'hypoténuse et elle frappe donc perpendiculairement la sur- face de la chambre à indicateur. Après la réflexion sur la surface de l'hypoténuse lOa, la lumière réfléchie arrive sur les orifices des fibres optiques llb, qui la transmettent au photomètre 15 de l'appareil principal A. Les fibres optiques lla et llb peuvent être réparties régulièrement sur la section du conducteur ll ou être disposées en groupe. Par exemple, les fibres optiques Ila servant à amener la lumière monochromatique peuvent être disposées concentriquement autour des fibres optiques llb servant à transmettre la lumière réfléchie ou réémise reçue. Dans le cas du mode de réalisation repré- senté, il est avantageux de comprendre dans la mesure non seulement la lumière réfléchie de façon ordonnée, mais aussi la lumière reflétée de façon diffuse ou réémise. Le constituant du san9 dont la concentra- tion doit être déterminée diffuse hors des vaisseaux san- guins finement répartis dans le tissu corporel 4 à travers la surface de la peau dans la partie sonde du capteur, il traverse la membrane semiperméable 3 et le corps de support en céramique poreuse 5 et arrive dans la chambre à indica- teur 9a, dont la paroi du fond doit pour celà être perméable elle aussi. En ce qui concerne le principe de base des mesu- res et les solutions d'indicateur nécessaires pour la mesure, on peut se reporter aux documents précités. D'après les concepts de base de l'invention, cependant, on ne mesure pas le comportement à la transmission en fonction de la teneur en constituant du sang à déterminer, mais le comportement à la réflexion, comme il a été décrit. Cette manière de pro- céder rend possible la construction simple du capteur,décrite. Il est également possible de ce fait de réduire la chambre à 246 1255 indicateur à un très faible volume, et d'y placer un subs- trat poreux, absorbant pour la solution d'indicateur, tel que feutre, mèche, ouate, sous forme de tissu, de bandes de papier ou de mousse, ce qui réduit encore le volume né- cessaire pour la solution d'indicateur et augmente ainsi la sensibilité de la mesure, car il suffit de faibles quantités du constituant du sang ayant diffusé pour atteindre l'équi- libre de concentration avec le tissu corporel. Une variante également appropriée de ce mode de réalisation consiste à loger le prisme 10 dans le capteur B de telle sorte qu'il repose avec sa surface d'hypoténuse sur la surface de la chambre à indicateur 9a et que les fibres optiques pour l'amenée de la lumière monochromatique débouchent sur la première surface de côté de l'angle droit, tandis que les fibres optiques servant à emmener la fraction de lumière réfléchie partent de l'autre surface de côté de l'angle droit. Un autre mode-de réalisation est représenté à la figure 2. Dans ce cas, tant la source de lumière 21 pour la production de la lumière monochromatique que le photodétecteur 22a pour la transformation de la fraction de lumière reflétée en un signal électrique proportionnel ne sont plus logés dans l'appareil de mesure A, mais dans le capteur B' lui-même. Une telle disposition est particuliè- rement avantageuse lorsque ces deux organes sont placés chacun sur une surface de côté de l'angle droit d'une cham- bre 23 dont la section a la forme d'un triangle rectangle et dont la surface d'hypoténuse est formée par la surface de la chambre à indicateur 9a. Une autre variante consiste à ne loger qu'un seul de ces organes dans le capteur B', tandis que l'autre reste incorporé à l'appareil principal A et que le câble 11 contient les fibres optiques lla et llb nécessaires à cet effet. Il est recommandé d'utiliser des diodes à corps solide, par exemple des diodes du type indiqué ci-dessus, tant comme source de lumière que comme photodétecteurs pour la lumière monochromatique d'une fréquence déterminée. Ux, développement du concept de l'invention consiste en ce que la partie inférieure la du capteur B et B' est articulée sur sa partie supérieure lb. Pour cela les deux pièces sont reliées par une articulation 12,et une fermeture 13 maintient la partie supérieure et la partie inférieure réunies pour la mesure. Ainsi, par rabattement avant ou après une mesure, la chambre à indicateur 9a est avantageusement accessible, pour finir de remplir, changer ou évacuer la solution d'indicateur, ou pour changer les bandes d'essai de matière absorbante imprégnées de celle-ci. Des systèmes de contact assurent la liaison entre les conducteurs d'amenée l9a et l9b à l'élément de chauffage 7 ou à la sonde de température 9. Ces dernières pièces sont logées dans la partie inférieure la aisément accessible. Pour avoir un terme de comparaison, on peut en outre éclairer la solution d'indicateur 9, par intermit- tence ou simultanément, avec une lumière monochromatique d'une fréquence pour laquelle le pouvoir réfléchissant est indépendant de la concentration du constituant qui diffuse dans celle-ci et qui doit être mesuré. Dans le photomètre, on peut séparer les divers constituants de la lumière au moyen de filtres. Au reste, on peut utiliser des procédés de mesure photométriques qui sont connus et sur lesquels il n'est donc pas nécessaire de s'étendre- davantage ici. Le procédé de l'invention permet une déter- mination transcutanée rapide et sans épanchement de sang de la concentration de constituants du sang et ne présente pas les inconvénients des autres procédés. En particulier, le signal de mesure n'est pas entaché de dérive par empoi- sonnement d'électrodes polarographiques, électrochimiques ou électrométriques. Il permet par exemple de déterminer la pression partielle de l'oxygène ou du gaz carbonique dans le sang (par mesure du pH),ce pourquoi on dispose de membranes semi-perméables 3 et des solutions d'indicateur 9 connues. Un avantage important réside aussi dans le fait que, malgré l'emploi d'un indicateur liquide, le capteur B ou B' peut prendre lors de la mesure n'importe quelle position spatiale, lorsqu'un substrat absorbant est imprégné de celui-ci et est placé dans la chambre à indicateur 9a. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Procédé de détermination photométrique transcutanée de la concentration de constituants du sang, caractérisé en ce qu'on suit par la mesure la variation du pouvoir réfléchissant d'une solution d'indicateur (9) contenue dans un capteur (B ou B') pouvant être appliqué sur la peau, variation qui se produit en fonction de la teneur en constituant du sang à déterminer, après qu'il a diffusé du tissu corporel (4), à travers la peau (14) et à travers une membrane semi-perméable (3), dans la solution d'indicateur (9). 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on éclaire la surface de la solution d'indicateur avec une lumière monochromatique d'une fréquence pour laquelle l'intensité de la fraction de la lumière ré- fléchie par la solution d'indicateur varie de façon mesurable avec la concentration du constituant du sang à mesurer qui diffuse dans celle-ci. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que pour obtenir un terme de comparaison, la solution d'indicateur (9) est en outre éclairée, par intermittence ou simultanément, avec une lumière mono- chromatique d'une fréquence pour laquelle le pouvoir réflé- chissant est indépendant de la concentration du constituant du sang qui y a diffusé et qui doit être déterminé. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on éclaire la surface de la solution d'indicateur (9) avec une lumière modulée par impulsions, puis on suit par mesure dans un photomètre la fraction de la lumière qui est réfléchie. 5.- Dispositif pour l'exécution du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui revêt la forme d'un capteur (B ou B') applicable sur la peau (14) avec une chambre(9a) recevant la solution d'indica- teur (9) et avec une membrane semi-perméable (3) perméable il au constituant du sang à déterminer, entre la surface de la peau et la chambre (9a), dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un système (17, 11, lla ou 17a, 20a, 21) pour éclairer la surface de la solution d'indicateur (9) orien- tée vers la membrane (3) avec une lumière monochromatique d'une fréquence pour laquelle le pouvoir réfléchissant de la solution d'indicateur dépend de la teneur en constituant du sang à mesurer, et des photodétecteurs (llb, 22 ou 22a) pour déterminer la fraction de la lumière reflétée à la surface de la solution d'indicateur (9). 6.- Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les photodétecteurs diffuse (réémise) soit elle aussi comprise dans la mesure. 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la source lumi- neuse (21), par exemple sous la forme d'une source de lumière à corps solide (diode électro-luminescente) et le détecteur optique (22) pour la lumière réfléchie ou réémise, par exemple sous la forme d'un photodétecteur à corps solide, sont disposés dans le capteur (B') directement sur la sur- face de la chambre (9a) orientée vers la membrane (3). 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que: - le raccordement optique du capteur à la source de lumière monochromatique (17) servant à éclairer la solution d'indicateur avec une lumière monochromatique s'effectue par au moins une fibre optique (lia); - pour mesurer la fraction de lumière réflé- chie et pour la transmettre au photomètre (15), on utilise au moins une fibre optique (llb), qui débouche dans l'espace (23) au-dessus de la chambre à indicateur (9a); - les fibres optiques (lia) destinées à éclairer la solution d'indicateur et celles (llb) desti- nées à emmener la lumière sont réunies dans un câble optique (11) qui relie le capteur (B) à l'appareil de mesure (A). 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les fibres optiques (la ou llb) servent aussi bien à amener ou à emmener la lumière mono- chromatique pour laquelle le pouvoir réfléchissant de la solution d'indicateur dépend de la teneur du constituant du sang à déterminer, qu'à amener et à emmener la lumière monochromatique servant à la création d'un terme de compa- raison, dont la fréquence est telle que le pouvoir réflé- chissant de la solution d'indicateur (9) ne dépende pas de la teneur du constituant du sang à déterminer. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que dans le photomètre (15) sont dis-- posés des dispositifs filtrants qui séparent l'une de l'autre les deux fractions monochromatiques de la lumière. 11.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le photomètre (15) contient un dis- positif de commutation (17) pour la production intermit- tente de lumière des deux fréquences différentes. 12.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que entre la surface de la chambre à indicateur (9a) et l'embouchure du câble optique (11), on a placé un prisme triangulaire rectangle (10) dont une surface de l'angle droit repose sur la surface de la chambre à indicateur (9a) et dont l'autre surface de l'angle droitrepose sur l'embouchure du câble optique (11), de telle sorte que la surface de l'hypoténuse du prisme reflète aussi bien la lumière incidente que la lumière réfléchie. 13.Dispositif selon la revendication 8, dont le capteur est chauffé électriquement en vue de l'hyperémisation du tissu corporel au moyen d'un enroule- ment chauffant ou d'une plaque chauffante en bon contact thermique avec la surface de la peau, et est muni d'une sonde de température servant à réguler la puissance de chauffage de façon à maintenir constante la température du capteur, dispositif caractérisé en ce que, indépendam- ment de la sonde de température (8), le capteur (B, B') loge un commutateur de température qui débranche automa- tiquement le chauffage électrique dès que la température du capteur dépasse la valeur admise. 14.- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les conducteurs électriques (19a) pour le chauffage et (19b) pour la sonde température (8) ainsi que le conducteur électrique pour le commutateur de température sont unis aux fibres optiques (lia et llb) dans un cable commun (11) qui conduit à l'appareil de mesure (A), lequel contient le photomètre (15) les dis- positifs nécessaires pour le chauffage électrique et la régulation du chauffage (16) et les sources de lumière monochromatique (17). ,- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 14, caractérisé en ce qu'une membrane semi-perméable (3) liée au capteur au moyen d'une bague de serrage (6) recouvre une plaque de support poreuse (5) disposée sur la surface de mesure de la chambre à indi- cateur (9a), ladite plaque de support étant perméable au constituant du sang à doser. 16.- Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que, dans la chambre à indicateur (9a) on a placé un substrat absorbant, poreux pour le stockage de la solution d'indicateur. 17.- Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la chambre à indicateur est logée, en même temps que l'enroulement de chauffage (7), la bague de serrage (6), la membrane semi-perméable (3) et une bague de collage (2) de forme annulaire, dans une partie inférieure (la) du capteur (1), articulée sur la partie supérieure (lb).