Терагерцовые волны измерят уровень натрия в крови без укола и боли
В новом исследовании ученые демонстрируют долгосрочный неинвазивный мониторинг уровня натрия в крови с использованием системы, которая сочетает в себе оптоакустическую детекцию и терагерцовую спектроскопию. Статья опубликована в журнале Optica.
Точное измерение содержания натрия в крови необходимо для диагностики и лечения состояний, связанных с обезвоживанием и нарушениями ионного баланса, которые возникают при интенсивной или длительной диарее, патологиях почек, неврологических и эндокринных расстройствах.
Терагерцовое излучение, частота которого находится между микроволнами и средней инфракрасной областью электромагнитного спектра (1 ТГц = 1012 Гц), идеально подходит для биомедицинского применения, поскольку обладает низкой энергией, безвредно для тканей, рассеивается меньше, чем ближний инфракрасный и видимый свет, и чувствительно к структурным и функциональным биохимическим процессам в исследуемой с его помощью ткани.
Но терагерцовая спектроскопия по-прежнему сталкивается с двумя ключевыми проблемами: обнаружение молекул, отличных от воды, в сложных биологических образцах и проникновение в глубинные слои тканей. Добавив оптоакустическую детекцию, авторы исследования смогли преодолеть эти трудности и продемонстрировать первое обнаружение ионов in vivo с помощью терагерцовых волн. Это важный шаг на пути к практическому клиническому применению методов, основанных на диагностике в терагерцовом диапазоне.
Поскольку образец поглощает терагерцовые волны, он вызывает вибрацию ионов натрия, связанных с молекулами воды в крови, создавая ультразвуковые волны, которые регистрируются ультразвуковым датчиком. Это позволяет получать более сильный сигнал, чем при оптическом детектировании. Автор: Чжэнь Тянь, Тяньцзиньский университет
Исследователи подробно описывают свою новую мультиспектральную терагерцовую оптико-акустическую систему и показывают, что ее можно использовать для неинвазивного долгосрочного мониторинга концентрации натрия у живых мышей без необходимости в заборе крови. Предварительные тесты, проведенные на людях-добровольцах, также оказались многообещающими.
Неинвазивное измерение содержания натрия в режиме реального времени может быть использовано для безопасной коррекции дисбаланса у пациентов в критическом состоянии, избегая при этом опасных неврологических осложнений, которые могут возникнуть при резком изменении уровня натрия.
Новая работа является частью более масштабного проекта, направленного на развитие и внедрение терагерцовой технологии в биомедицинской области с использованием оптоакустических методов. Одной из ключевых целей проекта является уменьшение помех, создаваемых водой, которая сильно поглощает терагерцовое излучение.
Чтобы преодолеть эти помехи, исследователи разработали модульную систему, которая облучает образец терагерцовыми волнами. Когда образец поглощает эти волны, ионы натрия, связанные с молекулами воды в крови, вибрируют, создавая ультразвуковые волны, которые регистрируются датчиком. Этот метод, известный как оптико-акустическое обнаружение, преобразует поглощенную терагерцовую энергию в звуковые волны для измерения.
Значение этой работы выходит далеко за рамки определения содержания натрия в крови. Технология позволяет идентифицировать различные биомолекулы, включая сахар, белки и ферменты, путем распознавания их уникальных характеристик поглощения в терагерцовом диапазоне.
Тестируя новую систему, исследователи показали, что она может измерять повышение уровня натрия в крови в кровеносных сосудах под кожей живых мышей в миллисекундном масштабе в течение более чем 30 минут. Эти измерения проводились в ушной раковине животных, при этом поверхность кожи была охлаждена до 8°C, чтобы ослабить фоновый оптико-акустический сигнал от молекул воды.
Исследователи неинвазивно измерили уровень ионов натрия в кровеносных сосудах рук здоровых добровольцев. Было обнаружено, что регистрируемый оптико-акустический сигнал ионов натрия пропорционален интенсивности кровотока под поверхностью кожи, даже несмотря на то, что измерения проводились без какого-либо охлаждения.
Исследователи говорят, что адаптация системы для использования в «человеческой» медицине потребует поиска оптимальных для диагностики мест на теле человека. Кандидатом является буккальная область — внутренняя поверхность полости рта, в частности, щек, которые могут выдерживать быстрое охлаждение и обеспечивают обнаружение сигнала при минимальном фоновом шуме от молекул воды.
Ученые изучают альтернативные методы обработки сигналов, которые могли бы позволить подавлять помехи от воды без необходимости охлаждения тканей, что делает методику более практичной для клинической диагностики и комфортной для пациентов.
Недавно ученые представили умный алкотестер, который диагностирует отравление метанолом.
