Deterministic baseline correction and line-shape modeling for N₂O breath spectra from healthy and gastric-disease cohorts using multi-pass absorption spectroscopy
Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy · 2026
Étude spectroscopique portant sur 999 spectres de souffle humain, provenant de sujets sains et de patients atteints de pathologies gastriques. Le N₂O expiré est mesuré par spectroscopie d’absorption multipassage utilisant un laser à cascade quantique dans le moyen infrarouge. L’étude montre qu’un signal d’absorption du N₂O peut être extrait et modélisé quantitativement à des concentrations de l’ordre du ppm dans des échantillons réels de souffle humain.
Ce que cette publication apporte
Cette étude fournit une démonstration expérimentale de la mesure du N₂O à faible concentration dans des échantillons réels de souffle humain par spectroscopie d’absorption multipassage dans le moyen infrarouge. L’analyse porte sur 592 spectres provenant de sujets sains et 407 spectres provenant de patients présentant une pathologie gastrique confirmée par endoscopie. Après correction déterministe de la ligne de base, les auteurs montrent que le signal d’absorption du N₂O peut être modélisé et utilisé pour reconstruire quantitativement des concentrations de l’ordre du ppm.
Question étudiée
Comment améliorer l’extraction, la modélisation et la reconstruction quantitative du signal d’absorption du N₂O à faible concentration dans des spectres obtenus à partir d’échantillons réels de souffle humain par spectroscopie d’absorption multipassage ?
Méthode
Les auteurs analysent 999 spectres de souffle : 592 provenant de sujets sains et 407 de patients présentant une pathologie gastrique confirmée par endoscopie. Les échantillons sont recueillis au moyen d’un système embout–valve–sac puis analysés avec un dispositif de spectroscopie d’absorption multipassage (MuPAS) utilisant un laser DFB-QCL autour de 4474 nm et une cellule multipassage de 3,2 m, à 70 mbar. Une raie d’absorption du N₂O située autour de 2236,22 cm⁻¹ est analysée après correction déterministe de la ligne de base. Les profils Lorentzien, pseudo-Voigt et exponentially modified Gaussian (EMG) sont comparés, puis l’aire sous la courbe est mise en relation avec les concentrations de N₂O calculées par le logiciel du dispositif.
Principaux résultats
La correction déterministe de la ligne de base améliore l’accord entre les spectres de N₂O mesurés et leur reconstruction : dans le groupe sain, le RMSE moyen diminue d’environ 25,5 % et le R² passe de 0,58 à 0,75 ; chez les patients, le RMSE diminue d’environ 28,2 % et le R² passe de 0,58 à 0,74.
Le profil EMG fournit globalement le meilleur ajustement local de la raie d’absorption du N₂O. Avec une fenêtre fixe, il est le meilleur modèle pour 433 des 592 spectres du groupe sain (73,1 %) et 281 des 407 spectres du groupe patient (69,0 %).
Avec le modèle EMG et une fenêtre fixe, la reconstruction AUC–concentration atteint R² = 0,697 et RMSE = 0,0905 ppm dans le groupe sain, et R² = 0,898 et RMSE = 0,0903 ppm dans le groupe patient. Les concentrations de N₂O reconstruites sont en moyenne de 0,605 ± 0,137 ppm chez les sujets sains et 0,681 ± 0,268 ppm chez les patients.
Portée du résultat
Ce que cette publication permet de conclure
Cette étude permet de conclure que le N₂O présent à faible concentration dans des échantillons réels de souffle humain peut produire un signal exploitable par spectroscopie d’absorption multipassage dans le moyen infrarouge. Sur près de 1 000 spectres humains, les auteurs obtiennent une modélisation reproductible de la raie d’absorption et une reconstruction quantitative de concentrations de l’ordre du ppm. Elle démontre ainsi la faisabilité analytique de la détection spectroscopique du N₂O dans l’air expiré humain à de faibles concentrations.
Ce qu’elle ne permet pas de conclure
Cette étude ne permet pas de déterminer combien de temps le N₂O reste détectable dans le souffle après une exposition récréative, car aucune administration de N₂O n’est réalisée. Elle ne permet pas non plus de déterminer un seuil de dépistage, une relation entre concentration expirée et altération des capacités, ni les performances diagnostiques d’un dispositif destiné au contrôle routier. Enfin, la reconstruction quantitative est évaluée par rapport aux concentrations fournies par le logiciel Voigt du même système et non par comparaison avec une méthode analytique indépendante.
Limites
L’objectif principal est méthodologique et porte sur le traitement spectral plutôt que sur la validation clinique d’une mesure du N₂O. Les concentrations de référence utilisées pour l’analyse AUC–ppm proviennent du logiciel du dispositif lui-même et ne constituent pas un étalon clinique indépendant. Les groupes sain et pathologique sont analysés collectivement sans stratification détaillée des pathologies gastriques. Les mesures sont réalisées sur des échantillons collectés dans des sacs et analysés dans des conditions contrôlées de pression et de température ; elles ne constituent donc pas une démonstration de mesure directe en temps réel au niveau de la bouche.
Sari F, Bayrakli I, Gemici K, Eken E. Deterministic baseline correction and line-shape modeling for N₂O breath spectra from healthy and gastric-disease cohorts using multi-pass absorption spectroscopy. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2026.