Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont démontré une surveillance à long terme et non invasive des taux de sodium sanguin à l'aide d'un système qui combine la détection optoacoustique avec la spectroscopie Terahertz. Une mesure précise du sodium sanguin est essentielle pour le diagnostic et la gestion des conditions telles que la déshydratation, la maladie rénale et certains troubles neurologiques et endocriniens.
Le rayonnement de térahertz, qui se situe entre les micro-ondes et la région infrarouge moyenne du spectre électromagnétique, est idéal pour les applications biologiques car elle est de faible énergie et non comme les tissus, se disperse moins que la lumière infrarouge et visible proche et est sensible aux changements biologiques structurels et fonctionnels.
Pour les applications biomédicales, la spectroscopie Terahertz fait toujours face à deux défis clés: la détection de molécules autres que l'eau dans des échantillons biologiques complexes et pénétrer des couches de tissus épaisses pour permettre la détection à l'intérieur du corps. En ajoutant une détection optoacoustique, nous avons pu surmonter ces défis et démontrer le premier in vivo Détection d'ions à l'aide d'ondes Terahertz. Il s'agit d'une étape importante vers la création de techniques basées sur Terahertz pratiques pour une utilisation clinique. «
Zhen Tian, chef d'équipe de recherche, Université de Tianjin, Chine
Dans OpticaJournal phare d'Optica Publishing Group pour la recherche à fort impact, les chercheurs décrivent leur nouveau système optoacoustique Terahertz multispectral et montrent qu'il peut être utilisé pour une surveillance non invasive à long terme de la concentration de sodium chez les souris vivantes sans avoir besoin d'étiquettes. Les tests préliminaires effectués avec des volontaires humains étaient également prometteurs.
« Avec un développement ultérieur, cette technologie pourrait être utilisée pour surveiller les niveaux de sodium chez les patients sans avoir besoin de prélèvements sanguins », a déclaré Tian. « Les mesures de sodium en temps réel pourraient être utilisées pour corriger en toute sécurité les déséquilibres chez les patients critiques tout en évitant les complications neurologiques dangereuses qui peuvent survenir lorsque les niveaux de sodium changent rapidement. »
Utilisation du son pour couper le bruit
Le nouveau travail fait partie d'un projet plus vaste visant à faire avancer et à mettre en œuvre la technologie Terahertz dans le domaine biomédical en utilisant des techniques optoacoustiques de Terahertz. L'un des principaux objectifs du projet est de réduire les interférences du signal causées par l'eau, qui absorbe fortement le rayonnement térahertz.
Pour surmonter cette interférence, les chercheurs ont développé un système modulaire qui irrade l'échantillon avec des vagues Terahertz. Comme l'échantillon absorbe ces ondes, il vibre les ions sodium connectés aux molécules d'eau dans le sang, créant des ondes échographiques détectées avec un transducteur à ultrasons. Cette technique, connue sous le nom de détection optoacoustique, convertit l'énergie térahertz absorbée en ondes sonores pour la mesure.
« La technologie optoacoustique de Terahertz représente une progression révolutionnaire pour les applications biomédicales en surmontant efficacement la barrière d'absorption de l'eau qui a historiquement limité ces applications », a déclaré Tian. « La signification plus large de ce travail s'étend bien au-delà de la détection du sodium dans le sang. Cette technologie a la capacité d'identifier divers biomolécules, y compris les sucres, les protéines et les enzymes, reconnaissant leurs signatures d'absorption de térahertz uniques. »
Suivi du sodium sans aiguilles
Pour tester leur nouveau système, les chercheurs ont montré qu'il pouvait mesurer l'augmentation des taux de sodium sanguin dans les vaisseaux sanguins sous la peau des souris vivantes sur l'échelle de temps en millisecondes pendant plus de 30 minutes. Ces mesures ont été prises à l'oreille, la surface de la peau refroidie à 8 ° C pour atténuer le signal optoacoustique de fond de l'eau.
Les chercheurs ont également démontré que le système optoacoustique térahertz pouvait rapidement distinguer les niveaux élevés et faibles de sodium dans des échantillons de sang humain. Enfin, ils ont mesuré de manière non invasive les niveaux d'ions sodium dans les vaisseaux sanguins des mains de volontaires sains. Ils ont constaté que le signal optoacoustique détecté du sodium était proportionnel à la quantité de flux sanguin sous la surface de la peau, même si les mesures ont été collectées sans refroidissement de la peau. Bien que davantage de travaux soient nécessaires, ces résultats suggèrent que le système pourrait être utile pour une surveillance en temps réel non invasive.
Les chercheurs disent que l'adaptation du système à usage humain nécessitera d'identifier les sites de détection appropriés sur le corps humain – comme à l'intérieur de la bouche – qui peuvent tolérer un refroidissement rapide et permettre une forte détection du signal avec un bruit de fond en eau minimal. Ils explorent également d'autres méthodes de traitement du signal qui pourraient permettre de supprimer les interférences de l'eau sans avoir besoin de refroidissement, ce qui rend l'approche plus pratique pour les diagnostics cliniques.
