Dans cette revue, nous nous limiterons à la description de l’utilisation de systèmes télématiques assistés par capteurs. Nous montrerons, par quelques exemples de différentes disciplines, l’étendue de la performance déjà atteinte aujourd’hui et celle atteignable dans un futur proche. En utilisant des exemples dans les domaines du contrôle de l’hygiène et de la thérapie télématique personnalisée, il s’agira d’illustrer la façon dont l’association de la microélectronique, des systèmes des technologies de l’information et de la communication, peut permettre de nouvelles formes de thérapie qui peuvent conduire à une meilleure qualité du traitement et, pour le patient, à une meilleure qualité de vie.

Les contrôles d’hygiène jouent un rôle de plus en plus important dans le traitement médical et les soins aux patients, mais aussi dans la vie quotidienne. Alors que dans les pays en développement le risque d’épidémie augmente continuellement en raison de normes d’hygiène faibles voire inexistantes et de l’augmentation de la densité de population, dans les pays industrialisés, même avec des normes élevées, un risque accru de maladies dues à des germes multi-résistants - en particulier pour les patients hospitalisés et le personnel médical – existe désormais. Le nombre de ces germes augmente et, à cause de la mauvaise utilisation des antibiotiques, en particulier en agriculture, nous risquons de retomber dans un « âge de pierre thérapeutique » de plus en plus difficile à maîtriser. Bien que l’on dispose aujourd’hui de techniques analytiques de laboratoire sophistiquées qui permettent d’identifier les bactéries pathogènes de manière fiable en l’espace de quelques jours - pour certains agents pathogènes, il existe même désormais des tests médicaux rapides, qui peuvent identifier les bactéries dans un laps de temps plus court -, on doit toutefois se contenter de la stérilité garantie par le fabricant pour les solutions de perfusion, les poches de sang et autres fluides nécessaires au traitement des patients, de même que pour leurs moyens d’administration, un contrôle direct et rapide avant utilisation n’ayant pas encore été mis en place. Cela vaut également pour l’alimentation en eau potable et en eau de refroidissement dans certains hôpitaux.

Les légionnelles apparaissent ainsi régulièrement dans les réservoirs d’eau de refroidissement et dans les systèmes de réfrigération médicaux. Ces bactéries peuvent ensuite diffuser dans l’air sous forme d’aérosol et, lorsque les conditions météorologiques s’y prêtent, déclencher une épidémie de légionellose (comme celle apparue à Ulm en 2009, touchant 53 malades et provoquant 6 décès ; ou à Warstein en 2013, avec plus de 150 malades et 2 décès). L’importance de conditions de production et de travail hygiéniques est également cruciale dans la production et la transformation des aliments. Dans les piscines et les lacs, dans le domaine de l’eau potable et même des eaux usées, les contrôles d’hygiène sont également essentiels. Dans ces derniers cas, il n’est pas toujours primordial de déterminer l’espèce bactérienne avec exactitude. Pour un test rapide, il est souvent suffisant de connaître le nombre de germes, ou leur densité dans les liquides. Une « puce à hygiène » permettant la détection électronique simple et rapide des densités de germes dans les liquides a été développée par notre laboratoire à cet effet. L’élément central de cette puce est une IDES (structure d’électrodes interdigitées) spéciale.

La Figure 1 montre la structure générale du capteur à hygiène en technologie couche mince. Deux IDES séparées électriquement par une couche isolante sont superposées et déposées sur un substrat en verre. Chacune des quatre structures de pistes conductrices électriquement isolées entre elles est raccordable par l’intermédiaire d’un contact spécifique.

Figure 1. Structure générale du capteur. Les couches de métal 1 et 3 ainsi que 2 et 4 sont séparées entre elles par une couche isolante.

Figure 1. Structure générale du capteur. Les couches de métal 1 et 3 ainsi que 2 et 4 sont séparées entre elles par une couche isolante.

Figure 2. Le dispositif tout-en-un. Un téléphone mobile comportant des capteurs médicaux intégrés permet de mesurer l’oxymétrie de pouls, la pression artérielle, la température, la résistance cutanée (hydratation). Des interfaces pour des instruments de mesure peuvent renseigner sur le poids, la glycémie, ainsi que d’autres données (d’après [3,4]). Les mesures sont collectées à partir d’un doigt (en général l’index) qui est introduit dans l’ouverture du manchon (à droite).

Figure 2. Le dispositif tout-en-un. Un téléphone mobile comportant des capteurs médicaux intégrés permet de mesurer l’oxymétrie de pouls, la pression artérielle, la température, la résistance cutanée (hydratation). Des interfaces pour des instruments de mesure peuvent renseigner sur le poids, la glycémie, ainsi que d’autres données (d’après [3,4]). Les mesures sont collectées à partir d’un doigt (en général l’index) qui est introduit dans l’ouverture du manchon (à droite).

Figure 3. Diagramme représentant le fonctionnement du système COMES®. Des instruments de mesure médicaux et des capteurs sont connectés à des terminaux de télécommunication via une interface radio, de manière à permettre à la fois l’envoi de données à une base de données sémantique et interactive et la transmission de messages aux patients, voire une intervention directe sur ceux-ci. Le système peut être utilisé par le patient seul ou en collaboration avec son médecin et/ou un centre d’appel médical. L’amplitude de l’échange de données est déterminée par le patient (d’après [5]).

Figure 3. Diagramme représentant le fonctionnement du système COMES®. Des instruments de mesure médicaux et des capteurs sont connectés à des terminaux de télécommunication via une interface radio, de manière à permettre à la fois l’envoi de données à une base de données sémantique et interactive et la transmission de messages aux patients, voire une intervention directe sur ceux-ci. Le système peut être utilisé par le patient seul ou en collaboration avec son médecin et/ou un centre d’appel médical. L’amplitude de l’échange de données est déterminée par le patient (d’après [5]).

Dans un champ électrique non homogène, des forces diélectrophorétiques sont exercées sur des microparticules polarisables, ce qui a pour effet de les déplacer dans la direction des gradients de champ les plus forts. Au moyen d’un façonnage approprié des électrodes, les bactéries contenues dans le liquide à examiner peuvent ainsi, comme les microparticules, être concentrées sur les électrodes avec, comme conséquence, le changement d’impédance entre celles-ci. Ce changement d’impédance peut alors, à l’aide de solutions d’étalonnage constituées d’un nombre connu de bactéries, être utilisé comme mesure de la densité de germes dans le liquide.

D’autres développements de cette technologie offrent la possibilité, en tant qu’« alerteurs précoces », de détecter rapidement des contaminations dans les systèmes fluidiques, les solutions de nettoyage et de lavage, les sources d’aérosols et les systèmes d’approvisionnement en eau, élevant ainsi le niveau d’hygiène. Le risque de contamination microbienne dans les hôpitaux pourrait ainsi être réduit et la consommation d’antibiotiques contenue.

La situation sociodémographique dans le secteur de la santé demande de plus en plus des systèmes qui favorisent l’autonomie de la population. Grâce à l’utilisation ciblée de technologies microélectroniques, il est aujourd’hui possible de mesurer des données telles que la pression artérielle, le pouls, la saturation en oxygène du sang, l’hydratation, le poids et l’intensité de l’activité physique de manière autonome, et de les contrôler par échange de données. Les capteurs biomédicaux sont une composante essentielle de ces systèmes. La combinaison des capteurs modernes et des technologies de l’information et de la communication qui, dans le reste du monde technique ont déjà généré d’énormes potentiels d’efficacité au cours des dernières décennies, renferme également de considérables potentiels de qualité et de réduction de coûts pour le domaine médical [2].

La plateforme de télémédecine autonome COMES^® permet aux patients atteints d’une maladie cardiovasculaire, par exemple, de mesurer eux-mêmes leurs constantes vitales et de les transmettre automatiquement par téléphonie mobile à une base de données. Le médecin traitant a ainsi accès aux données de ses patients à tout moment – en cas de valeurs inhabituelles, il est alerté immédiatement et peut intervenir. Grâce à cette surveillance régulière, les patients se sentent en sécurité et plus indépendants. COMES^® est conçu comme un système autonome d’accompagnement du patient. Celui-ci peut contrôler ses données médicales sur la base de données et les transmettre au médecin en cas de besoin. Il peut également obtenir des renseignements supplémentaires, grâce à des systèmes de feedback (retours) s’appuyant sur la base de données. Le médecin est, quant à lui, en mesure de suivre les patients équipés de la plateforme COMES^®, d’intervenir préventivement si les données le demandent ou, s’il est absent ou indisponible, d’organiser la prise en charge du patient par le centre médical tout en restant en contact avec lui.

COMES^®, en tant que « laboratoire virtuel », offre aussi la possibilité de développer des formes diagnostiques et thérapeutiques télématiques, dont certaines sont présentées ci-dessous à titre d’exemples [6].

La gouttière dentaire intelligente – diagnostiquer et traiter le bruxisme

Le rôle des implants est de fournir des informations importantes pour une thérapie ciblée, ou de remplacer les fonctions corporelles qui dysfonctionnent. Nous utilisons pour cela des systèmes dits « à boucle fermée » (closed-loop) : selon les signes vitaux détectés, une régulation active agit sur les fonctions corporelles, par exemple à travers l’administration d’un médicament ou l’envoi d’un « biofeedback » ciblé au patient concerné.

Un exemple illustrant le fonctionnement de ces systèmes pilotés par rétroaction dans le corps humain est la gouttière dentaire intelligente¹ que nous avons développée pour le diagnostic et le traitement du bruxisme (grincement de dents) [8,9]. L’appareil très compact peut être intégré dans une gouttière dentaire classique (Figure 4). L’activité des muscles masticateurs est mesurée au moyen d’un système de capteurs piézo-électriques. Un émetteur radio envoie les données à un récepteur sans fil de la taille d’une boîte d’allumettes pouvant être situé près du lit ou sur le corps du patient. Le récepteur enregistre les données reçues pendant plusieurs mois qui, grâce à une interface USB, peuvent être transférées vers l’ordinateur du médecin traitant. Le système permet de surveiller l’activité de bruxisme, de jour comme de nuit. Un logiciel permet d’analyser sa fréquence et les moments où elle survient.

Figure 4. La gouttière dentaire intelligente comme support d’essai de la plateforme technologique pour les implants intelligents, et pour la détection et le traitement du bruxisme. Les données révélant une activité accrue de bruxisme sont faciles à identifier lors de l’analyse. Chaque barre correspond à la fréquence des grincements de dents en une seule nuit.

Figure 4. La gouttière dentaire intelligente comme support d’essai de la plateforme technologique pour les implants intelligents, et pour la détection et le traitement du bruxisme. Les données révélant une activité accrue de bruxisme sont faciles à identifier lors de l’analyse. Chaque barre correspond à la fréquence des grincements de dents en une seule nuit.

Figure 5. Principe de fonctionnement de l’implant pour le traitement local des tumeurs comme le système à boucle fermée.

Figure 5. Principe de fonctionnement de l’implant pour le traitement local des tumeurs comme le système à boucle fermée.

La Figure 4 présente les données d’un patient recueillies sur trois mois, chaque barre correspondant à la fréquence des événements de bruxisme en une nuit. Pour ce patient, cette fréquence a toujours augmenté en fin de mois et il a pu être établi que le stress professionnel en était le déclencheur. Ainsi, grâce à un logiciel d’analyse, il est possible d’identifier les causes individuelles du bruxisme, puis d’en déduire une thérapie personnalisée.

En plus d’être utilisé pour son diagnostic, ce système peut également servir à traiter le bruxisme grâce à un « biofeedback » immédiat, tactile (vibration) ou acoustique, à travers l’unité réceptrice placée dans la gouttière. Cette stimulation conduit, à long terme, au conditionnement du patient, et donc à une réduction de son bruxisme.

Les quelques exemples cités laissent entrevoir à quel point les bénéfices de ces systèmes pourraient être importants pour les patients. Les dispositifs médicaux pourraient être plus hygiéniques, et l’hygiène pourrait globalement être améliorée au moyen de capteurs adéquats. Le patient pourrait, lui, accompagner sa thérapie grâce à son téléphone portable, et les causes des maladies pourraient être directement influencées au moyen d’implants et de leurs systèmes sensoriels. De plus, il pourrait prendre les décisions concernant son traitement plus facilement s’il était constamment informé de son état de santé.

Augmenter la biodisponibilité de médicaments au moyen de systèmes électroniques auxiliaires est également particulièrement intéressant. En effet, seule une fraction du médicament administré de manière systémique atteint le site qu’il est sensé traiter et une grande partie est absorbée par d’autres organes ou est directement excrétée. Les thérapies localisées permettent d’administrer localement une concentration de drogue plus élevée, sans interférer avec le reste du corps. Ceci n’est pas seulement une grande opportunité pour le traitement des tumeurs, mais aussi, par exemple, pour celui de plaies et pour certaines maladies chroniques.

Un problème non négligeable dans le développement de nouveaux systèmes diagnostiques et thérapeutiques assistés par l’électronique tient à la sécurité des communications et à la protection des données. Le niveau d’acceptation que rencontreront les différents systèmes et procédures auprès des patients dépendra de la garantie de sécurité de ces appareils. Cet aspect est primordial, par exemple pour qu’un patient muni d’un implant radiocommandé puisse être certain que des personnes non autorisées ne puissent pas le manipuler de l’extérieur, ou qu’aucune donnée ne soit lisible par des tiers non autorisés. Il s’agit ici d’augmenter la résilience des systèmes techniques de manière à ce qu’ils fonctionnent réellement en toute sécurité dans toutes les circonstances imaginables.

La « Médecine 4.0 », c’est-à-dire l’électronique médicale et les systèmes associés, ne s’oppose pas au médecin, mais tente d’intégrer les avantages des procédures diagnostique et thérapeutique télématiques modernes dans la pratique médicale. Cette médecine a notamment du sens si l’on considère qu’un nombre croissant de patients âgés se trouve face à un nombre sans cesse plus restreint de médecins. Soulageant les soignants de leurs tâches routinières, elle leur permet de se consacrer à leurs patients et peut, grâce aux mesures recueillies et à leur dynamique, détecter très tôt une éventuelle détérioration de leur état de santé.

Les concepts de maintenance préventive, tels qu’effectués dans l’industrie, en particulier dans l’« Industrie 4.0 », peuvent aussi être transposés à la prise en charge des malades chroniques et des patients à risque. La détection par capteurs des données vitales et leur évaluation dans des bases de données devraient permettre d’éviter des situations d’urgence imprévues et ainsi éventuellement de réduire les problématiques d’engorgement des services d’urgence.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.