Une équipe de l’Université de technologie d’Eindhoven (Pays-Bas) a mis au point une photodiode à couches minces à très haute sensibilité dans le proche infrarouge, dont l’efficacité quantique – le nombre de photons que la diode convertit en électrons – dépasse les 200 % ! Cette technologie peut être utilisée pour surveiller à distance la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire d’une personne.
La surveillance discrète et continue de la vitalité du patient est essentielle au diagnostic de santé. La fréquence cardiaque est l’un des signes vitaux les plus importants et surveillés. Actuellement, la surveillance peut être effectuée de manière non invasive (y compris à l’aide d’un électrocardiogramme), notamment à l’aide de méthodes optiques telles que la photopléthysmographie (PPG) et le suivi de la poitrine. Ils sont basés sur l’interaction de la lumière avec le corps humain et permettent une évaluation à distance et totalement sans contact, ce qui est plus hygiénique que les dispositifs cutanés et est préféré lorsqu’un plus grand confort du patient est requis.
Ces techniques optiques fonctionnent de la manière suivante : les tissus sous-cutanés sont éclairés par une source de lumière verte, rouge ou proche infrarouge, puis la lumière transmise ou réfléchie est mesurée par un photodétecteur. Les vibrations lumineuses permettent de déterminer les variations volumétriques du sang artériel au fil du temps. Une source de lumière proche infrarouge est préférée car elle est invisible et plus sûre pour l’œil humain ; cependant, cela signifie que le photodétecteur est très sensible à cette gamme d’ondes lumineuses. Mais plus la distance au patient est grande, plus les signaux sont faibles et plus le bruit de fond est élevé. Les chercheurs ont développé un nouveau type de photodiode qui surmonte ces problèmes.
Photodiode combinant deux technologies
Pour qu’une photodiode fonctionne correctement, elle doit répondre à deux conditions : premièrement, elle doit minimiser le courant généré en l’absence de lumière, dit « courant d’obscurité ». Plus le courant d’obscurité est faible, plus la diode est sensible. De plus, il doit être capable de faire la distinction entre la lumière de fond (« bruit ») et la lumière infrarouge correspondante. Malheureusement, ces deux conditions ont tendance à être difficiles à concilier.
Représentation schématique de l’utilisation d’une photodiode de type tandem sur un lit d’hôpital pour la surveillance à distance de la fréquence cardiaque et de la respiration d’un patient pendant le sommeil/repos. © R. Oléaro et al.
Les photodiodes à couches minces traitées en solution présentent le meilleur compromis. « Les photodiodes organiques, et plus récemment les photodiodes à pérovskite, ont dominé cette classe d’appareils, offrant une sensibilité de photogénération élevée, des temps de réponse rapides et un faible bruit », ont écrit les chercheurs dans Science Advances. De plus, ces appareils ont une bande interdite configurable qui peut être ajustée de l’ultraviolet au proche infrarouge via la composition du matériau.
Il y a quatre ans, Riccardo Ollearo, chercheur à l’Institut des systèmes moléculaires complexes de l’Université de technologie d’Eindhoven, a entrepris de développer une nouvelle photodiode de type tandem qui combine deux types de cellules photovoltaïques, pérovskite et organique. L’approche est déjà utilisée pour développer des cellules solaires avancées.
A) Schéma d’un photodétecteur de type tandem. B) Illustration de la distribution du champ optique pour les longueurs d’onde du visible et du proche infrarouge (NIR) dans deux couches optiquement actives. © R. Oléaro et al.
En collaboration avec un groupe du Holst Center, un institut de recherche spécialisé dans les technologies de capteurs sans fil, il a développé une diode à faible courant d’obscurité et à fort rapport signal sur bruit (optique), atteignant un rendement quantique de 70 %. Mais le chercheur était convaincu que ce résultat pouvait encore être amélioré en exposant sa diode à la lumière verte. « Je savais par des recherches antérieures que l’éclairage des cellules solaires avec de la lumière supplémentaire pouvait modifier leur efficacité quantique et, dans certains cas, l’améliorer », a-t-il déclaré dans un communiqué.
La fréquence cardiaque est mesurée à une distance de plus d’un mètre
Le jeune chercheur avait raison : exposée à une lumière verte supplémentaire, la photodiode montrait un rendement quantique pouvant dépasser 200 % à une longueur d’onde de 850 nm ! Les raisons exactes de cette amélioration ne sont toujours pas claires, mais l’équipe pense que la lumière verte supplémentaire provoque l’accumulation d’électrons dans la couche de pérovskite, qui agit comme un réservoir de charge lorsque les photons infrarouges sont absorbés par la couche organique. « En d’autres termes, chaque photon infrarouge qui traverse et est converti en électron est accompagné d’un électron supplémentaire, ce qui donne une efficacité de 200 % ou plus », explique Olearo.
Le dispositif, cent fois plus fin qu’une feuille de papier, présente également de faibles courants d’obscurité (<10-6 mA cm-2), une grande stabilité dans le temps (plus de 8 heures), et une plus grande résistance à la lumière de fond que capteurs au silicium actuellement disponibles avec des filtres optiques, explique l'équipe.
Le chercheur Riccardo Ollearo montre comment une photodiode (à droite) capte le signal de son doigt, lui permettant de voir sur l’écran à quelle vitesse son cœur bat (à gauche). © Bart van Overbeke
Les chercheurs ont testé le potentiel de leur photodiode dans le cadre d’un suivi médical en mesurant la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire jusqu’à 130 cm de distance. « Nous voulions voir si l’appareil pouvait capturer des signaux subtils tels que le rythme cardiaque ou respiratoire d’une personne dans un environnement avec un éclairage de fond réaliste. Nous avons choisi un scénario intérieur par une journée ensoleillée avec les rideaux partiellement fermés. Et ça a marché ! dit Oléaro.
Même à une distance de 130 cm, l’équipe a pu détecter de minuscules changements dans la quantité de lumière infrarouge réfléchie dans la diode, ce qui correspond à des fluctuations de la pression artérielle. Olearo et ses collègues envisagent maintenant d’augmenter la vitesse de leur appareil ; ils veulent également le tester en milieu clinique en collaboration avec le projet FORSEE, une caméra de surveillance basée sur l’intelligence artificielle conçue pour détecter les changements subtils qui peuvent survenir sur le visage ou la poitrine d’un patient, indiquant d’éventuelles complications.
R. Olearo et al., Science Advances.
Grand fan de mangas et d’animes, je n’aime bien écrire qu’à propos de ses sujets, c’est pour ca que j’écris pour 5 minutes d’actus. Au quotidien de décortique, donne mes avis sur les différents épisodes et chapitres des mangas que j’aime lire.
