Générateur HV open-source pour plasmas froids — Thèse de doctorat
Dernière mise à jour le
Vue d’ensemble
Thèse de doctorat au département BEAMS (Bio, Electro and Mechanical Systems), Université Libre de Bruxelles (ULB).
Problème central : Les endoscopes flexibles gastrointestinaux représentent une source significative d’infections nosocomiales — environ 20% restent contaminés malgré les protocoles de stérilisation standard (Pineau, 2023 : 90 311 échantillons, 12,6% de non-conformité). La géométrie complexe des canaux internes (1,3 m de long, 3 mm de diamètre interne) rend la décontamination conventionnelle insuffisante.
Réponse proposée : Le plasma froid atmosphérique (CAP — Cold Atmospheric Plasma) comme étape complémentaire de décontamination. Le CAP combine une efficacité antimicrobienne large spectre (bactéries, biofilms, spores) avec une température ambiante compatible avec les matériaux thermosensibles de l’endoscope.
Contribution principale : Un générateur haute tension open-source, contrôlable, reproductible et documenté, conçu pour piloter précisément les conditions électriques du plasma — amplitude, fréquence, mode de fonctionnement — et permettre des protocoles comparables entre équipes.
Le matériel : HVGene_Simple
Architecture
Le générateur suit une architecture en deux étages clairement séparés :
Étage basse tension :
- Alimentation DC industrielle 24 V (TRACO TXH 240-124, 240 W)
- Buck converter ajustable (0–24 V) pour contrôle de l’amplitude de sortie
- Onduleur push-pull à commutation dure, double enroulement primaire
- Microcontrôleur RP2040 (Seeed Studio XIAO) — firmware MicroPython modulaire
- Interface utilisateur : écran LCD + encodeur rotatif
Étage haute tension :
- Transformateur HV (Highvoltageshop, 15 kV AC, 300 W)
- Rapport de transformation ≈ 800 (2400 spires secondaire, 3 spires primaire)
Spécifications
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Tension de sortie (crête-à-crête) | 10–30 kV |
| Fréquence de fonctionnement | 1–100 kHz |
| Puissance maximale | ~240 W |
| Courant secondaire | < 0,02 A |
| Modes | AC sinusoïdal continu + trains d’impulsions AC |
| Coût total matériel | ~430 € |
| Licence | CC BY-SA 4.0 |
| Dépôt open-source | OSF — osf.io/4gyz2 |
Firmware MicroPython
Le firmware est organisé en modules indépendants : générateur de signaux PWM, gestion UI (LCD + encodeur), contrôle du timer de traitement, et gestion des modes. La structure modulaire facilite les extensions futures (boucle fermée, mesures en temps réel, protocoles automatisés).
Le réacteur plasma
L’endoscope lui-même sert de réacteur DBD (Dielectric Barrier Discharge) cylindrique :
- Diélectrique : tube PTFE de l’endoscope (épaisseur paroi ~0,5 mm)
- Électrode externe : maillage titane de l’endoscope, relié à la terre
- Électrode interne : sonde conductrice insérée dans le canal de travail, reliée à la haute tension
- Gap gaz : 1,5 mm (rayon interne du canal)
- Gaz : argon saturé en eau, débit 1,5 L/min
- Dimensions : 1,3 m de longueur, 3 mm de diamètre interne
Cette configuration exploite la géométrie contrainte de l’endoscope tout en générant un plasma actif (ROS/RNS) capable d’atteindre les biofilms dans les zones mortes des canaux.
Contexte et motivation
Pourquoi les endoscopes posent problème
Les données de surveillance multicentriques convergent : la décontamination protocolisée laisse un risque résiduel non négligeable. Les canaux longs, les zones mortes, les interfaces polymère-métal, et la microporosité accumulée lors des cycles de réutilisation réduisent l’efficacité des méthodes conventionnelles (désinfection de haut niveau, glutaraldéhyde, OPA).
La tendance récente vers les endoscopes à usage unique résout ce problème au prix d’un impact environnemental majeur : les endoscopes à usage unique génèrent 2,5× plus de CO₂ équivalent par procédure et représentent ~38 100 tonnes de déchets annuels aux États-Unis seuls. Le CAP comme étape complémentaire sur dispositifs réutilisables répond à la fois à l’enjeu infectieux et à la durabilité.
Pourquoi un générateur open-source
La plupart des générateurs commerciaux pour le CAP sont des boîtes noires : paramètres fixes, accès limité aux mesures électriques, pas de contrôle en boucle fermée, reproductibilité inter-laboratoires faible. Dans un domaine où les conditions électriques déterminent directement la production d’espèces réactives et donc l’efficacité antimicrobienne, cette opacité est un frein à la recherche translationnelle.
HVGene_Simple propose l’inverse : tous les paramètres de pilotage accessibles, firmware éditable, architecture documentée, coût < 500 €.
Expériences et résultats
Caractérisation du générateur
Les expériences ont couvert :
- Variation du duty cycle (impact sur la puissance déposée et la stabilité du plasma)
- Variation du nombre de spires primaires du transformateur (optimisation du rapport)
- Variation de la tension d’entrée (relation linéaire avec la tension de sortie)
- Variation du transformateur (test de plusieurs configurations)
- Caractérisation complète : carte tension/fréquence/puissance en régime stationnaire
Tests microbiologiques (Amélie Bourgeois, Labo Gastroentérologie Expérimentale ULB)
Les tests de décontamination utilisent des modèles de tubes mimant la géométrie des endoscopes, inoculés avec Pseudomonas aeruginosa (biofilm). Méthodes d’évaluation : regrowth assay, coloration cristal violet, turbidité.
Résultats préliminaires (décembre 2025) : réduction de la croissance bactérienne observée après traitement plasma, mais variabilité élevée entre réplicats. Piste d’amélioration : augmenter la puissance déposée ou optimiser le séchage avant traitement.
Publications
Article HardwareX (en cours — soumission 2026)
Titre : Open-Source High Voltage Power Supply for Cold Atmospheric Plasma Production
Auteurs : Teo Serra, Orianne Bastin, Amélie Bourgeois, Gabriele Neretti (Univ. Bologne), Antoine Nonclercq, Alain Delchambre — BEAMS/ULB
Journal : HardwareX (Elsevier, open-access, CC BY-SA)
État (juillet 2026) : Tous les chapitres principaux finalisés. En attente : certification OSHWA, dépôt OSF public, homogénéisation des fichiers design (KiCAD, Fusion 360, MicroPython).
Dépôt : osf.io/4gyz2
Abstract — 22e Journée Nationale du Génie Biomédical (2025)
Présentation du système CAP pour décontamination d’endoscopes, résultats préliminaires, contrôle électronique avancé. Co-auteurs : Antoine Nonclercq, Alain Delchambre.
Équipe
| Personne | Rôle | Labo |
|---|---|---|
| Teo Serra | Doctorant (1er auteur) | BEAMS, ULB |
| Antoine Nonclercq | Promoteur | BEAMS, ULB |
| Alain Delchambre | Co-promoteur | BEAMS, ULB |
| Orionne Bastin | Collègue BEAMS | BEAMS, ULB |
| Amélie Bourgeois | Tests microbiologiques | Labo Gastro Expérimentale, ULB |
| Gabriele Neretti | Expert plasma | Univ. Bologne, Italie |
Conférences et événements pertinents
| Événement | Date | Lieu | Deadline soumission |
|---|---|---|---|
| HAKONE XIX — DBD & plasma chemistry | 23–27 août 2026 | Montréal, Canada | — |
| IEEE ICOPS 2027 — Plasma Science | mai 2027 | TBD | nov. 2026 |
| ISPC 27 — Int’l Plasma Chemistry Society | 7–11 juin 2027 | Dublin, Irlande | janv. 2027 |
| IEEE EMBC 2027 — Biomedical Engineering | juil. 2027 | TBD | déc. 2026 |
| ICPM 12 — Int’l Conf. Plasma Medicine | 2028 | São José dos Campos, Brésil | TBD |
| ESB 2027 — European Society for Biomaterials | sept. 2027 | TBD | TBD |
Veille automatisée
Un script de veille hebdomadaire tourne chaque lundi matin et poste les résultats dans le canal Discord #recherche :
Articles scientifiques — 6 sources agrégées :
- arXiv : preprints physique des plasmas et bioingénierie
- PubMed (NCBI E-utilities) : publications biomédicales peer-reviewed
- OpenAlex : 250M+ articles, toutes disciplines
- Europe PMC : couverture biomédicale élargie (WHO, EMA, preprints)
- CrossRef : journaux et proceedings via DOI
- Semantic Scholar : recherche citation-aware
Conférences — 2 sources :
- Liste curatée ci-dessus avec alertes automatiques à J-45 et J-7 avant les deadlines
- Scraping hebdomadaire de WikiCFP sur les termes
plasma medicine,cold plasma,dielectric barrier discharge,plasma decontamination…
Tout est open-source, sans clé API, tournant sur le homeserver. Code : scripts/veille_these.py.
Outils et workflow
- Obsidian : vault thèse avec journaux quotidiens, tâches, expériences, bibliographie (Zotero intégré)
- KiCAD : design PCB du board push-pull
- Autodesk Fusion 360 : boîtier mécanique
- MicroPython : firmware RP2040 (tests unitaires inclus)
- Git + OSF : versioning et dépôt public du hardware
- LaTeX : rédaction article HardwareX