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L’essor de l’Intelligence artificielle ouvre de nombreuses opportunités en termes de diagnostic : l’analyse de données médicales de patients, à intervalles réguliers, permet de personnaliser un suivi sur le long court, de connaitre les variables de santé habituelles de chacun (pression artérielle, rythme cardiaque, marqueurs sanguins et respiratoires, etc.) et de détecter précocement des anomalies révélatrices d’une pathologie à venir.
Dans le cas des maladies cardio-vasculaires, les mesures de la pression artérielle et du pouls sont déjà des données collectées par certaines montres connectées afin de suivre l’hypertension ou de détecter des troubles du rythme cardiaque. Mais ce type de technologie pourrait aller plus loin : d’autres pathologies pourraient être diagnostiquées avec des capteurs de pression ultra sensibles, capables de détecter d’infimes changements dans la circulation sanguine. Ces microvariations atypiques, comparées à la norme mesurée précédemment pour chaque individu, pourraient révéler le développement d’accident vasculaire cérébral, de maladie coronarienne ou d’insuffisance cardiaquepar l’accumulation de dépôts graisseux dans les parois des artères.
Dès 2016, le professeur Paolo Samorì (directeur du laboratoire de Nanochimie à l’Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaires) a perçu le potentiel de ce type de capteur. Spécialiste de la conception de matériaux supramoléculaires intelligents, son laboratoire s’est lancé dans le développement d’un nouveau type de capteur à base de graphène. Paoli Samorì explique le principe original de ce matériau : « Pour détecter une pression, nous avons imaginé un matériau composé de plusieurs couches de graphène (un assemblage d’atomes de carbone sous forme de feuillet conducteur), séparées par des ressorts moléculaires isolants (figure 1). Une pression mécanique rapproche les feuillets de graphènes et permet à
un courant électrique de circuler d’un feuillet à l’autre. La variation
de pression est alors détectable et quantifiable par la mesure du signal
électrique détecté à la surface du matériau ».
Figure 1 : Représentation des couches de graphènes (en gris) séparés par des ressorts moléculaires (en bleu).
L’équipe a testé plusieurs molécules « ressorts » plus ou moins rigides permettant de produire une gamme de détecteurs avec des finesses de détection de pressions variables. Pour de potentielles applications en santé, le pouls cardiaque serait alors détectable en apposant ce dispositif directement sur la peau, proche de vaisseaux sanguins stratégiques. Le dispositif a été testé sur une dizaine de patients à l’hôpital de Turin pour mesurer en temps réel la vitesse de l’onde de pouls. Il s’agit d’un indicateur très important pour surveiller la santé cardiovasculaire d’un patient, puisqu’il constitue un paramètre prédictif, offrant ainsi un véritable diagnostic. Cette preuve de concept validée permet d’entrevoir une future utilisation dans le quotidien des patients et constitue une alternative aux dispositifs équivalents actuels très coûteux et uniquement manipulables par des médecins. Bien que prometteur, ce matériau présente une limite rapidement décelée par le professeur : « La nature des ressorts restreint la capacité de détection du matériau. Ce type de détecteur ne permet pas de mesurer une très large amplitude de pression, nous devions développer autre chose ».
L’équipe imagine alors un nouveau système basé également sur la conversion de la pression mécanique en énergie électrique détectable, mais en changeant la structure et les composants. Un nouveau doctorant du laboratoire de Nanochimie, Feng Luo, a remplacé les couches de feuillets de graphène et de ressorts par deux couches de composition différentes à base de graphène : une couche supérieure très conductrice et une couche inférieure compressible et moins conductrice. Des électrodes sont placées au contact de la couche inférieure pour laisser circuler un courant électrique (figure 2). « Quand aucune pression n’est exercée, le courant électrique passe uniquement dans la couche inférieure peu conductrice. Lorsqu’une pression s’applique, les couches se compressent et entrent davantage en contact. Les électrons favorisent alors des chemins dans la couche supérieure plus conductrice pour circuler entre les électrodes, ce qui fait chuter la résistance. En mesurant cette variation électrique, on peut ainsi détecter et quantifier la pression exercée », précise le chercheur enthousiaste, « avec ce système, il est possible de mesurer avec une précision maximale d’infimes pressions égales à la vibration d’un tympan exposé à un son, mais également l’équivalent de la pression d’un homme de 100 kilos sur une balance ! »
Figure 2 : Représentation et photographie du capteur. Sous l’effet de la pression appliquée, le chemin emprunté par les électrons pour aller d’une électrode en or (Au) à l’autre se déplace de la couche inférieure (GFC, graphène faiblement conducteur) vers la couche supérieure (GHC, graphène hautement conducteur). Plus la pression est forte, plus le courant électrique mesuré à la sortie est fort.
Le laboratoire du professeur Samorì poursuit actuellement des améliorations permettant d’affiner encore la précision des mesures de leurs capteurs : « afin que ce type de capteurs de pression, comme celui utilisé pour la surveillance cardiovasculaire, soient un jour utilisés dans un environnement réel (par exemple à la maison) pour une mesure quotidienne, nous travaillons actuellement à neutraliser l’impact de la température ambiante sur la fiabilité et la reproductibilité des mesures ».
Ces capteurs ne seront pas seulement utiles à la prévention des maladies cardio-vasculaires, ils peuvent s’avérer très utiles pour la surveillance de nombreux signaux physiologiques et mécaniques pour fournir de précieuses informations, par exemple sur la qualité du sommeil et sur la posture.
Dans l’ensemble, les capteurs de pression portables tels que ceux développés à l’Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaires (ISIS) joueront un rôle clé dans la médecine du futur, où la surveillance quotidienne de nombreux signaux physiques et chimiques permettra le diagnostic précoce de nombreuses maladies.
Figure 3. Dispositif en développement au laboratoire de Paolo Samorì : fine détection de la force et de la localisation des pressions exercées sur plusieurs capteurs.
