近日，天津大學(xué)科研團(tuán)隊開發(fā)了一種新型太赫茲光聲系統(tǒng)，該系統(tǒng)首次實現(xiàn)無須抽血或標(biāo)記即可實時監(jiān)測活體小鼠血鈉水平，人體實驗也證實了其臨床應(yīng)用潛力。相關(guān)成果日前發(fā)表在國際期刊《光學(xué)》上。
動態(tài)觀測血鈉濃度變化尤為重要
“鈉離子是人體最重要的電解質(zhì)之一，它參與調(diào)節(jié)水電解質(zhì)平衡、能量代謝和細(xì)胞功能，對于機(jī)體免疫與炎癥調(diào)節(jié)具有多方面重要作用。”在天津大學(xué)實驗室，論文通訊作者、天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院光電子科學(xué)技術(shù)系教授田震向記者展示了血鈉檢測的重要性。他拿起一支采血管說，數(shù)據(jù)顯示，全球每年有300萬—600萬患者出現(xiàn)血鈉紊亂，其中低鈉血癥患病率達(dá)15%—20%，高鈉血癥患病率為9%，嚴(yán)重血鈉失衡患者的死亡率高達(dá)40%—60%。
田震特別指出，伴有急性腎損傷、顱腦損傷或心力衰竭的危重患者更容易出現(xiàn)血鈉失衡，即便是輕微的低鈉血癥，也可能導(dǎo)致心力衰竭等疾病的死亡率顯著上升。而嚴(yán)重血鈉失衡，與腦水腫等神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥密切相關(guān)，且臨床癥狀的嚴(yán)重程度取決于血鈉離子的變化速度。“血鈉波動的速度直接關(guān)系到患者的預(yù)后。”田震強(qiáng)調(diào)，嚴(yán)密監(jiān)測鈉離子的矯正速率，抑制鈉失衡的發(fā)展進(jìn)程，對改善患者的預(yù)后，防止永久性神經(jīng)系統(tǒng)損傷至關(guān)重要。
在治療血鈉失衡的過程中，精準(zhǔn)調(diào)控尤為關(guān)鍵。田震解釋道：“如果血鈉濃度糾正過快，超過校正的安全限度，則會導(dǎo)致血漿滲透壓的迅速變化，從而引發(fā)滲透性脫髓鞘綜合征，產(chǎn)生致命性、不可逆性腦損傷，危及患者生命。因此，要在治療過程中防止矯枉過正，精確控制血鈉濃度，對血鈉濃度持續(xù)動態(tài)檢測尤為重要。”
目前血鈉檢測金標(biāo)準(zhǔn)是抽取血樣，在血氣分析儀（BGA）或?qū)嶒炇抑羞M(jìn)行分析。“這種方法為有創(chuàng)操作，需要反復(fù)抽血。不僅增加患者痛苦，還存在感染風(fēng)險。”田震說。
更嚴(yán)重的問題是檢測的滯后性。“重癥患者的血鈉可能每分鐘都在變化。”田震表示，開發(fā)一種無創(chuàng)、可以動態(tài)觀測血鈉變化的檢測方式極為重要。
新技術(shù)有望實現(xiàn)無創(chuàng)連續(xù)檢測
基于這些臨床痛點，團(tuán)隊創(chuàng)新性地采用了基于“水靜音”的太赫茲光聲技術(shù)，研發(fā)了新型太赫茲光聲系統(tǒng)。田震介紹，該系統(tǒng)為無創(chuàng)實時血鈉監(jiān)測提供了全新解決方案。
太赫茲波位于微波與中紅外波段之間，具有低能量、組織無害性和弱散射性等優(yōu)勢，被視為理想的生物醫(yī)學(xué)檢測工具。然而，水分子對太赫茲波的強(qiáng)吸收特性一直限制著其實際應(yīng)用。
“為解決這個難題，我們通過模塊化系統(tǒng)發(fā)射太赫茲波，激發(fā)血液中鈉離子振動產(chǎn)生超聲波，再經(jīng)超聲換能器捕獲信號。”文章第一作者、天津大學(xué)副教授李嬌解釋說，太赫茲光聲技術(shù)將光聲技術(shù)與太赫茲光譜技術(shù)相結(jié)合，可巧妙地將吸收的太赫茲能量轉(zhuǎn)化為聲波，有效規(guī)避了水分子對太赫茲波的強(qiáng)吸收干擾。實驗結(jié)果表明，該技術(shù)能在無標(biāo)記條件下實現(xiàn)活體小鼠血鈉濃度的長期實時監(jiān)測，人體志愿者試驗也取得了積極進(jìn)展。
“這項技術(shù)的臨床應(yīng)用前景廣闊。”田震說，短期看，在血鈉監(jiān)測方面，無創(chuàng)連續(xù)檢測將徹底改變現(xiàn)有診療模式，為“無針診斷”開辟了新途徑。治療期間無須抽血，就能使醫(yī)生實時掌握患者血鈉變化，在血鈉失衡的治療中，將顯著降低因血鈉糾正過快導(dǎo)致的神經(jīng)損傷風(fēng)險。
未來，太赫茲光聲技術(shù)還可拓展至蛋白質(zhì)、糖類以及特定有機(jī)大分子的無創(chuàng)檢測中，推動生命體征監(jiān)測與疾病診療技術(shù)體系的升級迭代。
更令人振奮的是，該技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域也展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。李嬌認(rèn)為，由于太赫茲光聲技術(shù)對鈉離子的本征吸收特性，未來將有望實現(xiàn)無須標(biāo)記的神經(jīng)電活動直接檢測，這將為研究鈉鉀離子介導(dǎo)的神經(jīng)活動提供全新工具。
然而，要實現(xiàn)這些應(yīng)用目標(biāo)，研究團(tuán)隊仍需攻克多項技術(shù)挑戰(zhàn)。首要問題是人體組織的信號衰減效應(yīng)，這要求進(jìn)一步提升系統(tǒng)的光源強(qiáng)度和探測靈敏度。其次，溫度控制也是關(guān)鍵難點，目前研究團(tuán)隊正在評估口腔內(nèi)膜組織作為潛在檢測部位的可行性。此外，臨床試驗設(shè)計面臨特殊挑戰(zhàn)，如何在確保受試者安全的前提下建立可靠的驗證方法，成為團(tuán)隊當(dāng)前重點攻關(guān)的方向。
“此次研究中，血鈉檢測的成功驗證了我們技術(shù)路線的可行性。團(tuán)隊將繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，推動這項創(chuàng)新技術(shù)盡快服務(wù)于臨床，為醫(yī)療診斷和科學(xué)研究提供更精準(zhǔn)、更安全的檢測手段。”李嬌說。
