Des patchs portables électroniques ont été conçus pour surveiller divers problèmes de santé en détectant de manière non invasive des biomolécules à la surface de la peau.
Un nouveau Communication Nature discute du développement de nouveaux patchs cutanés capables de détecter en profondeur des biomolécules, qui corrèlent mieux et plus rapidement avec les états physiologiques. Par exemple, le patch photoacoustique décrit par les chercheurs, ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego, peut produire une carte tridimensionnelle (3D) de l’hémoglobine des tissus profonds.
Image – Un capteur photoacoustique pourrait aider les cliniciens à diagnostiquer des tumeurs, des dysfonctionnements d’organes, etc. Photo de Xiaoxiang Gao pour la Jacobs School of Engineering de l’UC San Diego.Étudier: Un patch photoacoustique pour l’imagerie tridimensionnelle de l’hémoglobine et de la température centrale. Crédit d’image : MDGRPHCS / Shutterstock.com
Avec l’accès aux biomolécules dans les tissus profonds, cette technologie ajoute des capacités sans précédent à l’électronique portable et a donc des implications importantes pour diverses applications dans la recherche fondamentale et la pratique clinique.”
Introduction
Les biomolécules du corps peuvent être utilisées pour surveiller les états de santé et les maladies et évaluer les résultats de certains traitements. La quantité et l’emplacement de l’hémoglobine dans le corps, par exemple, sont essentiels pour déterminer dans quelle mesure divers tissus et organes sont perfusés et l’accumulation de sang dans cette zone.
L’hypoperfusion est une cause potentielle de dysfonctionnement organique grave et survient souvent au cours d’un infarctus du myocarde, de maladies vasculaires des membres ou après une greffe. A l’inverse, une congestion sanguine est observable dans certains cancers, traumatismes ou inflammations.
Les méthodes actuelles de surveillance de ces états sont coûteuses, relativement inaccessibles ou nécessitent des équipements sophistiqués ou des traceurs radioactifs comme l’imagerie par résonance magnétique (IRM) ou la tomographie par émission de positrons (TEP). De plus, ces outils ne permettent pas un suivi à long terme des niveaux de biomolécules.
L’étude actuelle utilise les avancées précédentes dans les patchs cutanés portables qui permettent la détection de biomolécules par électrochimie pour des applications de tissus profonds.
Que montre l’étude ?
Le patch photoacoustique comprend plusieurs transducteurs ultrasonores différents qui détectent les ondes acoustiques et les diodes laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL). Les deux types sont intégrés sur un substrat commun composé d’une matrice élastomère et sont reliés entre eux par des électrodes métalliques bobinées.
Une faible perfusion sanguine à l’intérieur du corps peut provoquer de graves dysfonctionnements organiques et est associée à diverses affections, notamment des crises cardiaques et des maladies vasculaires des extrémités. Dans le même temps, une accumulation anormale de sang dans des zones telles que le cerveau, l’abdomen ou les kystes peut indiquer une hémorragie cérébrale ou viscérale.
Le patch photoacoustique utilisé ici présente une grande résistance mécanique et électrique et n’a pas besoin d’être pressé sur la peau pour sa fixation. De plus, ce patch est souple mais rigide au niveau de chaque élément transducteur et diode VCSEL.
Les diodes VCSEL haute puissance génèrent des impulsions de faisceaux laser qui pénètrent jusqu’à deux centimètres (cm) dans les tissus vivants. Les VCSEL haute puissance ont également un rapport signal sur bruit (SNR) élevé. Leur longueur d’onde préférée est de 850 nm en raison d’une excellente pénétration profonde qui permet de sonder les tissus humains profonds.
Cette longueur d’onde est cohérente avec le coefficient d’absorption optique dominant de l’hémoglobine. Les diodes VCSEL à cette longueur d’onde sont couramment disponibles en raison de la faible atténuation dans les fibres, les diodes au silicium à 850 nm étant souvent peu coûteuses et largement utilisées.
Avec ses impulsions laser de faible puissance, il est également beaucoup plus sûr que les techniques à rayons X qui ont des rayonnements ionisants.
Les impulsions laser excitent les molécules d’hémoglobine pour produire des ondes acoustiques détectées par les transducteurs puis traitées. Lorsque l’hémoglobine convertit l’énergie optique pulsée en énergie mécanique sous forme d’ondes photoacoustiques, des signaux photoacoustiques sont générés.
Les transducteurs comprennent une couche piézoélectrique doublée d’époxyde d’argent durci. Ce matériau a une efficacité de conversion d’énergie élevée et une excellente conductivité électrique qui amortit également les vibrations excessives pour fournir une résolution axiale et une bande passante de signal améliorées.
La perte de sensibilité de détection des transducteurs est inférieure à -10 dB, indiquant ainsi que le patch a une profondeur d’imagerie élevée et une sensibilité uniforme. Cela permet de produire une carte détaillée, haute résolution et 3D de l’hémoglobine.
Bien que les VCSEL produisent une chaleur importante, le patch utilisé ici n’est pas devenu trop chaud. Au lieu de cela, il est devenu légèrement plus chaud que la peau.
La chaleur générée par le patch ne dépasse pas celle des ultrasons phasés et augmente en intensité incidente à seulement 4% après une heure de fonctionnement continu. Cela met l’accent sur la stabilité des VCSEL et le respect des normes de sécurité.
Malgré l’intensité optique nettement inférieure à l’aide de VCSEL par rapport à un laser conventionnel, les moyennes des signaux photoacoustiques sont utilisées pour un SNR plus élevé, conduisant à une fréquence d’images plus faible. Ceci est équilibré en utilisant des temps de moyenne appropriés.
[This photoacoustic imaging] tire parti des caractéristiques d’absorption uniques des biomolécules et des ondes acoustiques hautement pénétrantes pour obtenir une cartographie à haute résolution spatiale des biomolécules dans les tissus profonds.”
Contrairement à l’imagerie par ultrasons, qui utilise des différences d’impédance acoustique pour différencier les tissus qui peuvent souvent conduire à des frontières floues, les images photoacoustiques sont basées sur le contraste d’absorption optique, qui permet de distinguer le sang des autres biofluides.
Simultanément, cette approche diffère des systèmes d’imagerie photoacoustique actuellement disponibles en raison de l’absence de structures complexes et de sa capacité à fonctionner à des températures ordinaires. Cela pourrait potentiellement permettre l’imagerie de personnes en mouvement.
La température à cœur doit être maintenue autour de 37 °C, avec une variation de 1 °C au cours de la journée. Ceci est réalisé par thermorégulation; cependant, un échec de ce processus pourrait entraîner des conséquences potentiellement mortelles. Les tentatives antérieures de surveillance non invasive de la température à cœur utilisaient des processus plus longs limités à la détection de surface.
La corrélation linéaire entre l’amplitude du signal photoacoustique et la température centrale dans le patch décrit ici permet à la température d’être cartographiée avec précision et rapidité lors de diverses situations cliniques et de recherche. Cependant, comme cela a été fait en ex vivo expériences, de futures études qui effectuent un étalonnage interventionnel sont nécessaires pour valider la capacité du patch à surveiller la température centrale dans le corps humain.
Invivo les tentatives de surveillance ont été couronnées de succès, avec une détection très sensible des vaisseaux sanguins et un bon contraste ; cependant, des artefacts de mouvement sont possibles.
Quelles sont les implications ?
Le patch électronique décrit ici est unique dans sa conception, sa fabrication et son principe de fonctionnement par rapport à tout autre patch électronique portable. De plus, ce nouveau patch a été testé ex vivo et in vivo avec de bons résultats qui permettront probablement aux chercheurs à l’avenir de surveiller le flux sanguin et la prolifération des vaisseaux sanguins dans une gamme de conditions, y compris le diamètre des vaisseaux sanguins, lorsque des maladies vasculaires sont suspectées ou connues.
De nombreuses autres biomolécules peuvent être détectées à l’aide de cette technologie en ajustant la longueur d’onde du laser en fonction de la biomolécule d’intérêt. Des diodes de plusieurs longueurs d’onde pourraient être incorporées pour permettre à une gamme plus étendue de biomolécules d’être détectées avec une précision accrue par leurs propriétés d’absorption à différentes longueurs d’onde.
Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour une plus grande profondeur de détection, ce qui est particulièrement important pour l’imagerie cardiaque. Pour ces applications, des VCSEL de puissance plus élevée sont nécessaires pour ces applications afin d’augmenter le SNR.
D’autres défis doivent également être relevés, notamment l’étalonnage et l’électronique de contrôle plus petite, plutôt que le système backend volumineux utilisé pour acquérir et traiter les signaux. Ces changements pourraient permettre de développer un système portable pour les mesures de l’hémoglobine et de la température centrale dans les tissus profonds de manière rapide et non invasive.
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