Un nouveau système utilise le son et les ondes térahertz pour mesurer le taux de sodium dans le sang sans aiguille

La surveillance non invasive des taux de sodium en temps réel pourrait permettre une meilleure prise en charge de la déshydratation, des troubles neurologiques et d’autres problèmes de santé.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont démontré la possibilité d’une surveillance à long terme et non invasive des taux de sodium dans le sang à l’aide d’un système combinant la détection optoacoustique et la spectroscopie térahertz. La mesure précise du taux de sodium dans le sang est essentielle pour diagnostiquer et prendre en charge des affections telles que la déshydratation, les maladies rénales et certains troubles neurologiques et endocriniens.

Le rayonnement térahertz, qui se situe entre les micro-ondes et la région infrarouge moyen du spectre électromagnétique, est idéal pour les applications biologiques car il est à faible énergie et non nocif pour les tissus, se diffuse moins que le proche infrarouge et la lumière visible, et est sensible aux changements biologiques structurels et fonctionnels.

« Pour les applications biomédicales, la spectroscopie térahertz reste confrontée à deux défis majeurs : détecter des molécules autres que l’eau dans des échantillons biologiques complexes et pénétrer des couches tissulaires épaisses pour permettre la détection à l’intérieur du corps », a déclaré Zhen Tian, chef de l’équipe de recherche de l’université de Tianjin en Chine. « En ajoutant la détection optoacoustique, nous avons pu surmonter ces défis et démontrer la première détection in vivo d’ions à l’aide d’ondes térahertz. Il s’agit d’une étape importante vers la mise en pratique des techniques basées sur les térahertz à des fins cliniques. »

Dans Optica, les chercheurs décrivent leur nouveau système optoacoustique multispectral térahertz et montrent qu’il peut être utilisé pour la surveillance non invasive et à long terme de la concentration en sodium chez des souris vivantes sans avoir besoin de marqueurs. Les tests préliminaires réalisés sur des volontaires humains se sont également révélés prometteurs.

« Avec des développements supplémentaires, cette technologie pourrait être utilisée pour surveiller les niveaux de sodium chez les patients sans avoir besoin de prélèvements sanguins », a ajouté M. Tian. « Les mesures en temps réel du sodium 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. »

Utiliser le son pour réduire le bruit

Ces nouveaux travaux s’inscrivent dans le cadre d’un projet plus vaste visant à faire progresser et à mettre en œuvre la technologie térahertz dans le domaine biomédical à l’aide de techniques optoacoustiques térahertz. L’un des principaux objectifs du projet est de réduire les interférences causées par l’eau, qui absorbe fortement le rayonnement térahertz.

Pour surmonter ces interférences, les chercheurs ont mis au point un système modulaire qui irradie l’échantillon avec des ondes térahertz. Lorsque l’échantillon absorbe ces ondes, il fait vibrer les ions sodium liés aux molécules d’eau dans le sang, créant ainsi des ondes ultrasonores qui sont détectées par un transducteur ultrasonique. Cette technique, connue sous le nom de détection optoacoustique, convertit l’énergie térahertz absorbée en ondes sonores pour la mesurer.

« La technologie optoacoustique térahertz représente une avancée révolutionnaire pour les applications biomédicales en surmontant efficacement la barrière d’absorption de l’eau qui a historiquement limité ces applications », a précisé M. Tian. « L’importance plus large de ces travaux va bien au-delà de la détection du sodium dans le sang. Cette technologie a la capacité d’identifier diverses biomolécules, notamment les sucres, les protéines et les enzymes, en reconnaissant leurs signatures d’absorption térahertz uniques. »

Utiliser le son pour réduire le bruit

Ces nouveaux travaux s’inscrivent dans le cadre d’un projet plus vaste visant à faire progresser et à mettre en œuvre la technologie térahertz dans le domaine biomédical à l’aide de techniques optoacoustiques térahertz. L’un des principaux objectifs du projet est de réduire les interférences causées par l’eau, qui absorbe fortement le rayonnement térahertz.

Pour surmonter cette interférence, les chercheurs ont mis au point un système modulaire qui irradie l’échantillon avec des ondes térahertz. Lorsque l’échantillon absorbe ces ondes, il fait vibrer les ions sodium liés aux molécules d’eau dans le sang, créant ainsi des ondes ultrasonores qui sont détectées par un transducteur ultrasonique. Cette technique, connue sous le nom de détection optoacoustique, convertit l’énergie térahertz absorbée en ondes sonores pour la mesurer.

« La technologie optoacoustique térahertz représente une avancée révolutionnaire pour les applications biomédicales en surmontant efficacement la barrière d’absorption de l’eau qui a historiquement limité ces applications », a dit M. Tian. « L’importance plus large de ces travaux va bien au-delà de la détection du sodium dans le sang. Cette technologie a la capacité d’identifier diverses biomolécules, notamment les sucres, les protéines et les enzymes, en reconnaissant leurs signatures d’absorption térahertz uniques. »

Suivi du sodium sans aiguilles

Pour tester leur nouveau système, les chercheurs ont démontré qu’il pouvait mesurer les augmentations du taux de sodium dans les vaisseaux sanguins sous la peau de souris vivantes à l’échelle de la milliseconde pendant plus de 30 minutes. Ces mesures ont été prises au niveau de l’oreille, la surface de la peau ayant été refroidie à 8 °C afin d’atténuer le signal optoacoustique de fond provenant de l’eau.

Les chercheurs ont également démontré que le système optoacoustique térahertz pouvait rapidement distinguer les taux 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 en bonne santé. Ils ont constaté que le signal optoacoustique détecté provenant du sodium était proportionnel au débit sanguin sous la surface de la peau, même si les mesures ont été recueillies sans refroidissement de la peau. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires, ces résultats suggèrent que le système pourrait être utile pour une surveillance non invasive en temps réel.

Selon les chercheurs, l’adaptation du système à l’utilisation humaine nécessitera l’identification de sites de détection appropriés sur le corps humain – tels que l’intérieur de la bouche – qui peuvent tolérer un refroidissement rapide et permettre une détection forte du signal avec un bruit de fond minimal de l’eau. Ils étudient également d’autres méthodes de traitement des signaux qui pourraient permettre de supprimer les interférences dues à l’eau sans qu’il soit nécessaire de refroidir le système, ce qui rendrait l’approche plus pratique pour les diagnostics cliniques.

J. Li, Y. Yao, J. Liang, C. Li, L. Jiang, Z. Tian, W. Zhang, « Non-invasive, real-time monitoring of blood Na+ in vivo using terahertz optoacoustics, » 12, 914-923 (2025). DOI: 10.1364/OPTICA.559182.