Développement et caractérisation de guides d’ondes optiques en élastomères en tant que plate-forme pour capteurs de pression flexibles biomédicaux

Amouzou, Koffi Novignon (2025). Développement et caractérisation de guides d’ondes optiques en élastomères en tant que plate-forme pour capteurs de pression flexibles biomédicaux. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

De nos jours, les ulcères de pression encore appelés escarres ou plaits de lit constituent un problème de santé majeur. Plusieurs personnes en souffrent chaque année et beaucoup de patients meurent par suite de complications. Les escarres sont des lésions cutanées d’origine ischémique dues à une pression trop intense ou prolongée entre une surface dure et une saillie osseuse. Le taux de prévalence en milieu hospitalier est généralement d’environ 26% et atteint plus de 66% chez les patients à risques. C’est un problème courant observé chez les blessés médullaires à l’épine dorsale, les diabétiques et chez les personnes à mobilités réduites en général. Cependant, les méthodes de prévention actuelles des escarres reposent essentiellement sur un repositionnement passif des patients selon un horaire prédéterminé. Le coût annuel de traitement est estimé à plus de 11 milliards de dollars américains. Face à cette charge cruciale pour les systèmes de santé, le développement de méthodes actives moins chères via des dispositifs nouveaux, robustes pouvant supporter des cycles de lavages répétés recquis en milieu hospitalier et qui permettront un suivi précis, en temps réel et en continu des conditions à risques avant l’arrivée des escarres est indispensable. Ainsi, la conception de dispositifs hautement sensibles, permettant de détecter non seulement de multiples points de pression simultanément mais aussi d’obtenir l’information spatiale sur l’endroit exact où une pression critique est appliquée à un instant t s’avère primordial pour prévenir efficacement les ulcères de pression.

Ces dernières années, les besoins sans cesse pour la surveillance de l’état de compression des individus en milieu hospitalier, domestique et en sport ont motivé davantage de travaux de recherches. Divers dispositifs nouveaux tels que des capteurs de pression utilisant des technologies de détection électroniques, intégrés aux vêtements, aux chaises roulantes, aux matelas, aux chaussures etc, ont été développés pour répondre à la demande. On peut citer entre autres : des capteurs de pression piézorésistifs, capacitifs, piézoélectriques, triboélectriques, électrochimiques. Cependant, il faut noter que la fabrication de ces types de capteurs exigent souvent l’utilisation des matériaux spéciaux pour pouvoir générer l’effet de détection désiré et nécessite aussi des processus de production complexes, d’où le coût élevé (spécialement pour des applications de détection 2D) de ces dispositifs sur le marché et donc moins accessibles au public. De plus, ce sont des capteurs très fragiles à cause des matériaux qui les constituent et ils sont généralement susceptibles aux interférences électromagnétiques entraînant des calibrations fréquentes pour que leur fonctionnement soit optimal.

La technologie optique qui utilise les interactions lumière-matière pour détecter les entités sur la base des principes d’absorption, de diffusion, de transmission, de réflexion, d’émission, de fluorescence etc, a motivé beaucoup de travaux de recherches récents, conduisant aux développements des dispositifs innovants. Cette technologie a été déployée dans des applications de détections biomédicales et environnementale telles que les mesures de détection d’humidité, la pression, la température, la distance, l’identification et la composition des matériaux etc. Contrairement aux technologies électroniques, les dispositifs utilisant le mécanisme de détection optique sont précis, plus rapides, ont une haute résolution et une longue durée de vie. Des études récentes démontrent que le développement des capteurs de pression portatifs intelligents modernes utilisant la technologie de détection optique passent par l’utilisation des matériaux moux, flexibles et biocompatibles. Les matériaux élastomères constituent un choix inédit pour la fabrication de ces dispositifs. Ces matériaux permettent de fabriquer entre autres des fibres élastomériques capables de guider la lumière aux courtes longueurs d’ondes, ce qui est idéal surtout pour des applications biomédicales. Le polydiméthylsiloxane (PDMS) qui fait partie de la famille des silicones (siloxanes polymérisés) est un meilleur candidat en raison de ses excellentes qualités thermomécaniques et optiques. C’est un matériau facile à utiliser et à déformer, peut être mis en forme par moulage ou par des techniques simples telles que la lithographie douce ou la photolithographie UV.

Dans cette thèse, nous étudions la fabrication à travers une procédure simple, moins coûteuse par moulage, et la caractérisation de guides d’ondes optiques en PDMS à section transverse rectangulaire. L’objectif principal consiste à développer un nouveau capteur optique de pression quasi-distribué, en exploitant le phénomène de diffusion par des microbulles de la lumière provenant du coeur solide lorsqu’une pression est appliquée le long du guide d’ondes. Nous proposons dans ce travail, différentes conceptions de guides d’onde optiques nouveaux à base du PDMS et fonctionnant en tant que capteurs de pression. Dans la première phase de cette thèse, nous avons démontré la réalisation d’un capteur de pression flexible, hautement sensible et capable de détecter des pressions en dessous de la pression capillaire sanguine estimée à 32 mmHg en utlisant le PDMS et un agent photosensible tel que la benzophénone. Ensuite, dans la deuxième partie de cette thèse, nous proposons un nouveau guide d’ondes contenant une porosité dans sa structure complètement fabriqué à partir du PDMS. Cette porosité provient des microbulles constituant des points de diffusion et qui sont incorporées dans la gaine du guide d’ondes durant le processus de fabrication. La caractérisation de ce guide d’ondes a permis une meilleure compréhension du guidage de la lumière diffusée dans la gaine poreuse. Nous avons démontré le potentiel de ce dispositif à surveiller le niveau de pression seuil critique au delà duquel un individu est à risque de développer des escarres si aucun soulagement de pression n’est fourni en temps opportun. Enfin, dans la dernière partie de ce travail, nous proposons un capteur de localisation de la pression en se basant sur la structure du guide d’ondes étudié dans la deuxième partie. Grâce à des colorants (rouge et vert), la gaine poreuse supérieure du nouveau guide d’ondes a été colorée localement. Nous avons démontré le fonctionnement de ce guide d’ondes en tant que capteur de localisation de la pression. En appliquant une pression le long du guide d’ondes, la réponse du capteur permet de savoir exactement l’emplacement où la pression a été appliquée. Nous croyons que ces résultats sont pertinents au développement de la future génération de dispostifs optiques de détection de pression biomédicaux.

Titre traduit

Development and characterization of elastomeric optical waveguides as a platform for biomedical flexible pressure sensors

Résumé traduit

Nowdays, pressure ulcers are a major health problem. Several people suffer from them every year and many patients die from complications. Pressure ulcers are skin lesions of ischemic origin due to excessive or prolonged pressure between a hard surface and a bony prominence. The prevalence rate in hospitals is generally around 26% and reaches more than 66% in patients at risk. It is a common problem observed in spinal cord injuries, diabetics and people with reduced mobility in general. However, current methods of pressure ulcer prevention are mainly based on passive repositioning of patients according to a predetermined schedule. The annual cost of treatment is estimated at more than 11 billion US dollars. Faced with this crucial burden on health systems, the development of inexpensive active methods through new, robust devices that can withstand repeated washing cycles required in hospitals and that will allow precise, real-time and continuous monitoring of risk conditions before the onset of pressure ulcers is essential. Thus, the conception of highly sensitive devices, allowing not only to detect multiple pressure points simultaneously but also to obtain spatial information on the exact location where a critical pressure is applied at a given instant t, is necessary to effectively prevent pressure injuries.

In recent years, the ever-increasing need for monitoring the compression status of individuals in hospitals, homes and sports has motivated more research work. Various new devices such as pressure sensors using electronic sensing technologies, integrated into clothing, wheelchairs, mattresses, shoes etc, have been developed to respond the demand. Among others, we can mention : piezoresistive, capacitive, piezoelectric, triboelectric, electrochemical pressure sensors. However, it should be noted that the manufacturing of these types of sensors often requires the use of special materials to be able to generate the desired detection effect and also requires complex production processes, hence the high cost (especially for 2D mapping applications) of these devices on the market and therefore less accessible to the public. In addition, they are very fragile sensors due to the materials they are made of and they are generally susceptible to electromagnetic interference, requiring frequent calibrations to ensure their operation is optimal.

Optical technology which using light-matter interactions to detect entities based on the principles of absorption, scattering, transmission, reflection, emission, fluorescence etc., has motivated much recent research work, leading to the development of innovative devices. This technology has been deployed in biomedical and environmental sensing applications such as humidity, pressure, temperature, distance, material identification and composition measurements etc. Unlike electronic technologies, devices using optical sensing mechanism are accurate, faster, have high resolution and long life. Recent studies demonstrate that the development of modern smart wearable pressure sensors using optical sensing technology requires the use of soft, flexible and biocompatible materials. Elastomeric materials are a novel choice for the fabrication of these devices. These materials enable the fabrication of, among other things, elastomeric fibers capable of guiding light at short wavelengths, which is ideal especially for biomedical application. Polydimethylsiloxane (PDMS) which is part of the silicone family (polymerized siloxanes) is a better candidate due to its excellent thermomechanical and optical qualities. It is an easy to use and deform material, can be shaped by molding or by simple techniques such as soft lithography or UV photolithography.

In this thesis, we study the fabrication through a simple, inexpensive molding procedure and the characterization of PDMS optical waveguides with rectangular cross-section. The main objective is to develop a new quasi-distributed optical pressure sensor, by exploiting the phenomenon of microbubble diffusion of light come from the solid-core when a pressure is applied along the waveguide. We propose in this work, different designs of novel optical waveguides made from PDMS and functioning as pressure sensors. In the first phase of this thesis, we demonstrated the realization of a flexible, highly sensitive pressure sensor capable of detecting pressures below the blood capillary pressure estimated at 32 mmHg using PDMS and a photosensitive agent namely benzophenone. Then, in the second part of this thesis, we propose a new waveguide containing a porosity in its structure completely fabricated from PDMS. This porosity comes from the microbubbles constituting diffusion points and which are incorporated into the cladding of the waveguide during the manufacturing process. The characterization of this waveguide allowed a better understanding of the guiding of light scattered in the the porous cladding. We demonstrated the potential of this device to monitor the critical threshold pressure level beyond which an individual is at risk of developing pressure injuries if no pressure relief is provided in a timely manner. Finally, in the last part of this work, we propose a pressure location-aware sensor based on the structure of the waveguide studied in the second part. Using dyes (red and green), the top porous cladding of the new waveguide was colored locally. We demonstrated the operation of this waveguide as a pressure location-aware sensor through frustrated total internal reflection light guiding phenomenon. By applying pressure along the waveguide, the sensor response allows to know exactly the location where the pressure was applied. We believe these results are relevant to the development of the next generation of biomedical optical pressure sensing devices.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 117-143).
Mots-clés libres:	ulcères de pression, guide d’ondes, polydiméthylsiloxane, diffusion de la lumière, capteur de pression optique quasi-distribué
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ung, Bora
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 sept. 2025 18:43
Dernière modification:	23 sept. 2025 18:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3704

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