Mécanisme de la respiration

L’oxygène nécessaire au corps humain est aspiré par les poumons. Ces organes sont spongieux et élastiques et sont enfermés dans la cage thoracique. Les fosses nasales sont reliées aux trachées qui se ramifient en des conduits de plus en plus petits: les bronches. Les bronches se trouvent à l’intérieur des poumons. Grâce au mouvement du diaphragme les bronches se dilatent pour se remplir d’air et se rétrécissent ensuite en le rejetant [5]. Le système respiratoire se compose des voies nasales, de la trachée et d’une paire de poumons. Le système respiratoire a deux fonctions principales ; Il fournit le corps en dioxygène (O2) et débarrasse le corps du dioxyde de carbone (CO2). Les cellules de notre corps utilisent en effet le dioxygène comme carburant, le carburant étant les nutriments apportés par l’alimentation. Cette combustion (oxygène + nutriments) leur fournit de l’énergie nécessaire à leur développement. On dit que notre corps « brûlent » des calories et cette « combustion » se fait en présence de dioxygène. Lors de cette réaction du dioxyde de carbone est produit et évacué au niveau des poumons. Plusieurs fois par minute notre poitrine se soulève et s’abaisse. Nous respirons. D’abord, de l’air pénètre par le nez, ensuite la trachée, pénètre dans les bronches.

Les poumons se gonflent. C’est l’inspiration. Quand l’air est rejeté à l’extérieur, les poumons diminuent de volume. C’est l’expiration. Quand tu respires tu mets en mouvement un grand muscle juste sous les poumons: le diaphragme. Il s’abaisse quand tu inspires et remonte quand tu expires. Quand tu respire ton cerveau contrôle le diaphragme (Figure 5). La ventilation pulmonaire assure l’oxygène dans l’atmosphère ambiante et le rejet de dioxyde de carbone, elle se fait par les voies aériennes et les poumons. C’est l’action des poumons qui aspirent l’air ambiant (inspiration) et soufflent de l’air vicié (expiration).c’est ce que l’on l’appelle la « respiration » dans le vocabulaire courant, mais en médecine et en biologie, le terme « respiration » désigne la production de l’énergie par les cellules, notamment avec de l’oxygène apporté par la ventilation, en moyenne, un être humain « respire » 23000 fois par jour. La ventilation s’effectue dans la cavité thoracique grâce aux unités fonctionnelles respiratoire, aux voies aériennes, ainsi qu’aux plèvres. La ventilation au repos chez l’adulte en bonne santé est de 12 à 20 mouvements par minute, elle peut varier en fonction de plusieurs facteurs comme l’activité physique ou les émotions. Les troubles de la ventilation sont appelés dyspnée, la ventilation peut être par exemple plus rapide (tachypnée) ou plus lent (bradypnée) que la « normale ». Lorsque la ventilation descend au dessous de 6 mouvement par minute ou bien s’arrête (apnée), on estime quelle est inefficace et doit être supplée par une ventilation artificielle. La ventilation augmente toujours brutalement en début d’exercice (accrochage ventilatoire), et baisse brutalement en fin d’exercice (décrochage ventilatoire).

Photopléthysmographie de pouls

La photo pléthysmographie est une technique optique qui permet de relever le signal PPG, le PPG est souvent obtenue par l’utilisation d’un photopléthysmographe de pouls (SpO2) qui mesure les changements de l’absorption de la lumière dans des vaisseaux sanguins. Le photopléthysmographe de pouls, appelé aussi saturomètre est un outil largement utilisé dans les hôpitaux et particulièrement dans les services de réanimation, des soins intensifs de cardiologie, dans les urgences, en pneumologie et en néonatologie aussi bien chez les enfants, les adultes que les personnes âgées. Le photopléthysmographe de pouls permet de mesurer instantanément de façon non invasive et en continu la quantité d’oxygène qui circule dans les artères. On parle de la saturation artérielle en hémoglobine (SaO2). L’hémoglobine étant la molécule qui transporte l’oxygène vers les tissus et y prend le dioxyde de carbone rejeté par ces mêmes organes pour le faire revenir aux poumons [7]. Historique En 1666, Isaac Newton a étudié le spectre de couleur quand la lumière traverse un prisme. En 1760 Johann Heinrich Lambert le premier qui a décrit la relation de l’absorption de la lumière par la quantité absorbante.

En 1851, August Beer utilise la technique de Lambert. Loi de Beer-Lambert a prouvé que la transmission de la lumière est une fonction logarithmique de la densité ou la concentration de l’absorbant, l’application de la loi de Beer Lambert via oxymètre est devenue possible théoriquement par l’invention de spectroscope et le développement de spectrophotométrie en particulier. En 1860, Kirchhoff et Bunsen invente le spectroscope qui mesure la longueur d’onde exacte des lignes d’émission des éléments dans un générateur de flamme coloré. Ce spectroscope était utilisé par Felix Hodde-Sevler en1864, il a pu montrer que c’est l’O2 qui change la couleur du sang. En 1911 Wilhelm, un physicien allemand, a inventé une cellule photoélectrique. Karl von Vierordt, un physiologiste allemand, en 1876 c’est le premier qui a appliqué le spectromètre de Bunsen-Kirchhoff pour étudier le spectre de la transmission de la lumière par le Hb réduit et le Hb oxygéné dans une solution et les tissus. En 1931, ou Ludwing Nicolai, un physicien autrichien a utilisé les équipements les plus précis pour la détection de lumière par des cellules photoélectrique. Deux ans avant en 1929, un physicien américain, Glen Millikan étudie à Cambridge la mesure optique de la vitesse d’assemblage d’O2 par la lumière en utilisent les filtres jaunes et pourpre.

En 1935, Karl Matthes professeur en physiologie de Vienne, en Autriche, utilise deux longueurs d’ondes de la lumière, il a construit le premier appareil capable de mesurer SaO2 de façon continu dans le sang humain, il a expliqué que « la lumière rouge peut traverser l’hémoglobine oxygéné mais l’hémoglobine réduit l’absorbe ». De 1935 jusqu’à 1944 il a publié 20 ouvrages sur l’oxymétrie. Pendant la deuxième guère mondial Glem Millikan à étudier le problème de perte de conscience chez les pilotes qui volent a grande hauteur. Oxymètre de Millikan utilise deux idées allemandes, de Karmer cooper et Matthes, cette technique a donné naissance a l’oxymètre moderne. Deux marques de l’oxymètre ont été produites par air force, le plus important a été utilisé dans la clinique de Mayo par Earl Wood et J.E.Geraci pour détecter les désaturation considérable pendant l’anesthésie. Un repère important dans le développement de la technologie de l’oxymètre de pouls a eu lieu. En 1972, Takuo Aoyagi et al. A Tokyo, ont découvert que l’absorption de la lumière par le sang artériel varie suivant les pulsations, cette variation peut être utilisé pour mesurer la saturation en O2. En janvier 1974, inscription de l’invention, titre, « Improvement of the Ear-Piece Oximeter ». Cette invention a été achetée par une société électrobiomédical pour développer la recherche de Aoyagi et ces associés, Michio Kishi, Kazuo Yamaguchi et Shinichi Watantde. Le premier instrument commercial, OLV 5100, est réalisé en 1975 par ces derniers. Minoruta caméra (connu comme Minolta en USA) a développé un produit similaire, commercialisé sur le nom OXIMET-1471 en 1977. William New et Mark Yelderman deux anesthésiologistes de l’université médical de Stanford, nous on identifier l’énorme intérêt actuel de l’oxymétrie et son importance dans les salles opératoires, et dans tous les hôpitaux et les cliniques [7].

Conclusion générale

Dans notre projet de fin d’études, nous avons réalisé un photopléthysmographe de pouls qui permet de mesurer de taux de saturation périphérique en oxygène (SpO2) ainsi que le rythme cardiaque. Le circuit de mise en forme réalisé consiste en deux parties élémentaires. Une première partie analogique et une autre numérique. La partie analogique consiste en une sonde optique, des circuits analogique de mise en forme ; en particulier un circuit amplificateur branché avec le photodétecteur afin d’obtenir un signal photoplethysmogrphique. Le photodétecteur utilisé est un phototransistor permettant d’améliorer la qualité du signal que l’on recueillir à travers une photodiode. Un circuit de filtrage est aussi réalisé afin de réduire le bruit pouvant affecter le signal recueilli. Ce système permet d’obtenir deux signaux PPG recueilli depuis deux LED rouge et infrarouge. La partie numérique est basé sur un microcontrôleur PIC16F877 qui dispose d’un convertisseur analogique numérique à huit entrées analogiques. Après l’étape de mise en forme, le signal PPG est injecté dans l’une des entrées analogiques du PIC en vue d’un échantillonnage. Le signal discrétisé est ensuite envoyé vers le port série d’un PC. Deux programmes ont été développés. Un programme de pilotage du PIC. Ce programme a été développé sous l’environnement MikroPascal. Cet environnement permet de compiler le programme développé en format hexadécimal. Ce programme sous format HEX est à son tour chargé dans le PIC16F877 en utilisant un chargeur de microcontrôleur PIC. Logiciel d’acquisition a été développé sous Delphi. Ce programme permet d’acquérir le signal PPG et de l’enregistrer sous format TXT. Un traitement ultérieur est alors possible en vue d’extraire les paramètres pertinents en relation avec le diagnostic médical associé à l’examen clinique effectué par le médecin. Plusieurs mesures ont été effectuées sur différents sujets. Ces mesures se présentent sous forme de rythme cardiaque et de taux de saturation en oxygène (SpO2). Ce projet de fin d’étude s’inscrit aussi dans un contexte de développement de cartes électroniques didactiques dédiées aux étudiants de licence et de master ainsi que les filières traitant des matières connexes à l’électronique biomédicale.