音とTHz波を使い針なしで血中ナトリウムを計測

July, 14, 2025, 天津/Washington--ナトリウム濃度の非侵襲的モニタリングをリアルタイムで行うことで、脱水症、神経障害、その他の健康状態をより適切に管理できる可能性がある。

新しい研究では、天津大学の研究者は、光音響検出とテラヘルツ分光法を組み合わせたシステムを使用して、血中ナトリウム濃度の長期的で非侵襲的なモニタリングを実証した。血中ナトリウムの正確な測定は、脱水症、腎臓病、特定の神経障害や内分泌障害などの状態を診断し、管理するために不可欠である。

テラヘルツ波は、マイクロ波と電磁スペクトルの中間赤外領域の間に位置し、低エネルギーで組織に無害であり、近赤外光や可視光よりも散乱が少なく、構造的および機能的な生物学的変化に敏感であるため、生物学的応用に最適である。

「生物医学アプリケーションの場合、テラヘルツ分光法は依然として2つの重要な課題に直面している。それは、複雑な生体サンプル中の水以外の分子を検出することと、厚い組織層を貫通して体内の検出を可能にすることです」と、中国の天津大学の研究チームリーダーZhen Tianは話している。「光音響検出を追加することで、これらの課題を克服し、テラヘルツ波を用いたイオンのin vivo検出を初めて実証することができた。これは、テラヘルツベースの技術を臨床使用に実用化するための重要な一歩である。」

Opticaでは、研究チームは新しいマルチスペクトルテラヘルツ光音響システムについて説明し、ラベルを必要とせずに生きたマウスのナトリウム濃度の非侵襲的で長期的なモニタリングに使用できることを示している。また、人間のボランティアによる予備試験も有望視されていた。

「さらなる開発により、この技術は採血を必要とせずに患者のナトリウムレベルを監視するために使用できる可能性がある。リアルタイムのナトリウム測定は、ナトリウムレベルが急速に変化したときに発生する可能性のある危険な神経学的合併症を回避しながら、重篤な患者の不均衡を安全に修正するために使用できる」(Tian)。

音を使って騒音をカットする
この新しい研究は、テラヘルツ光音響技術を使用して生物医学分野でテラヘルツ技術を進歩させ、実装することを目的とした大規模なプロジェクトの一部である。このプロジェクトの主な目的の1つは、テラヘルツ放射を強く吸収する水によって引き起こされる信号干渉を減らすことである。

この干渉を克服するために、研究チームは、サンプルにテラヘルツ波を照射するモジュラーシステムを開発した。サンプルがこれらの波を吸収すると、血液中の水分子に結合したナトリウムイオンを振動させ、超音波発生器で検出される超音波を生成する。光音響検出として知られるこの技術は、吸収されたテラヘルツエネルギーを音波に変換して測定する。

「テラヘルツ光音響技術は、これまでこれらのアプリケーションを制限してきた吸水障壁を効果的に克服することにより、生物医学アプリケーションの画期的な進歩を表している。この研究の広範な意義は、血中ナトリウムの検出をはるかに超えている。この技術は、糖、タンパク質、酵素などの様々な生体分子を、その特有のテラヘルツ吸収シグネチャーを認識することで同定する能力を持っている」(Tian)。

針を使わずにナトリウムを追跡
チームの新しいシステムをテストするために、研究チームは、生きているマウスの皮膚の下の血管内の血中ナトリウム濃度の増加をミリ秒の時間スケールで30分以上測定できることを示した。これらの測定は耳から行われ、皮膚表面を8℃に冷却して、水からのバックグラウンド光音響信号を減衰させた。

チームはまた、テラヘルツ光音響システムがヒトの血液サンプルの高ナトリウムレベルと低ナトリウムレベルをすばやく区別できることを実証した。最後に、健康なボランティアの手の血管内のナトリウムイオンレベルを非侵襲的に測定した。その結果、ナトリウムから検出された光音響信号は、皮膚を冷却せずに測定値が収集されたにもかかわらず、皮膚表面下の血流量に比例することを発見した。さらに多くの研究が必要だが、これらの結果は、システムが非侵襲的なリアルタイムモニタリングに役立つ可能性があることを示唆している。

研究チームによると、システムを人間が使用できるように適応させるには、急激な冷却に耐え、水のバックグラウンドノイズを最小限に抑えて強力な信号検出を可能にする、人体上の適切な検出場所(口の中など)を特定する必要がある。
また、冷却を必要とせずに水の干渉を抑制できる可能性のある代替の信号処理方法も模索しており、このアプローチを臨床診断により実用的にしている。