Analiza składu wydychanego powietrza stała się obiecującym, nieinwazyjnym narzędziem diagnostycznym do wykrywania szerokiego zakresu chorób poprzez identyfikację biomarkerów w oddechu. Zaawansowane systemy optoelektroniczne, szczególnie oparte na laserowej spektroskopii absorpcyjnej w średniej podczerwieni (MIR), analizują gazy resztkowe znajdujące się w wydychanym powietrzu i dzięki temu są w stanie wykryć obecność różnych schorzeń, np. astmy, cukrzycy czy nawet nowotworów. Technologia ta wykazała także duży potencjał w innych rozwiązaniach m.in. w pomiarze poziomu glukozy bez nakłuwania naskórka oraz we wczesnym wykrywaniu próchnicy zębów.

Gdy podczerwień może więcej

Podczerwień (IR) to zakres promieniowania elektromagnetycznego o długościach fali większych niż światło widzialne, ale krótszych niż fale radiowe. Choć niewidoczna dla ludzkiego oka, pozwala wykrywać wiele pierwiastków i związków chemicznych, w tym te sygnalizujące stany chorobowe. W podczerwieni wykorzystuję się metodę spektroskopii absorpcyjnej, która bazuje na rozpoznawaniu unikalnego dla danej cząsteczki wzorca pochłaniania promieniowania, czyli tzw. widma absorpcyjne. Jest ona najbardziej efektywna w zakresie MIR (3–8 µm), ponieważ tam widma absorpcyjne są lepiej rozdzielone niż w zakresie bliskiej (0,76–1 µm) czy krótkiej podczerwieni (1-3 µm). Metoda spektroskopii pozwala zatem, na jednoznaczną identyfikację danych związków chemicznych co umożliwia precyzyjne pomiary jakościowe i ilościowe różnych substancji.

Źródło: VIGO Photonics

Za sprawą rozwoju zarówno komponentów optycznych, rozwiązań związanych z przetwarzaniem sygnału jak i kluczowych elementów systemu podczerwieni – źródła światła i detektora – technologia, która od dziesięcioleci wykorzystywana była w przemyśle i obronności znalazła także zastosowanie w medycynie. Część bazujących na niej rozwiązań jest obecnie w trakcie badań klinicznych, tak by w przyszłości na stale zagościć w szpitalach i gabinetach lekarskich.

Większość współczesnych systemów opracowywanych w sektorze medycznym i działających w podczerwieni korzysta już z ogromnego postępu w technologii laserów, zwłaszcza tych pracujących w zakresie średniej podczerwieni. Szczególne znaczenie mają tu dwa typy źródeł światła: wewnątrzpasmowe lasery kaskadowe (interband cascade laser, ICL) oraz kwantowe lasery kaskadowe (quantum cascade laser, QCL). W połączeniu z bardzo czułymi detektorami tworzą one niezwykle skuteczne systemy do analizy gazów.

Nie jest to jednak całkowicie nowa droga – rozwój tych technologii bazuje na wcześniejszych sukcesach spektroskopii w medycynie. Jedną z pierwszych i najbardziej rozpowszechnionych metod była spektroskopia Fouriera w podczerwieni (FTIR). W jej działaniu wykorzystuje się szerokopasmowe źródło światła (najczęściej termiczne) oraz tzw. interferometr Michelsona.

Jak to działa w praktyce? Próbkę umieszcza się w jednym z dwóch ramion interferometru, a urządzenie rejestruje sygnał zwany interferogramem. Następnie, dzięki transformacie Fouriera, można go przekształcić w widmo podczerwone próbki. Widmo to pokazuje charakterystyczne „ślady” przy określonych długościach fal, które odpowiadają energiom pochłoniętych fotonów. Te z kolei są bezpośrednio związane z unikalnymi drganiami i obrotami cząsteczek.

Dzięki temu spektrometr FTIR pozwala w jednym pomiarze uzyskać szeroki obraz widma podczerwonego próbki – swoistą „mapę chemiczną”, która ujawnia jej skład. Metoda ta jest niezbędna w wielu zastosowaniach laboratoryjnych i zyskała dodatkową wartość dzięki wprowadzeniu wysoce czułych detektorów używających chłodziarek Peltiera, wykonanych z tellurku kadmowo-rtęciowego lub półprzewodników III-V opartych na supersieciach typu II. Oferują one rozdzielczość porównywalną z wcześniej stosowanymi detektorami chłodzonymi ciekłym azotem, ale są praktyczniejsze w użyciu. Opracowano także nowe wersje systemów FTIR, takie jak mikroskopy FTIR, które łączą kamery światła widzialnego z detektorami IR, umożliwiając wykonywanie pomiarów spektralnych w konkretnych punktach próbki.

Złap oddech

W przypadku laserowej spektroskopii gazów, identyfikacja biomarkerów w ludzkim oddechu ma ogromne znaczenie w medycynie. Poza azotem, tlenem i CO₂, które stanowią większość objętości oddechu, w powietrzu wydychanym znajduje się ponad 3000 substancji śladowych, których podwyższone stężenie może wskazywać na choroby. Biomarkery te obejmują m.in.: formaldehyd (rak płuc), metan lub etan (stres oksydacyjny), tlenek azotu (astma, nieżyt nosa), siarczan karbonylu (niewydolność wątroby, mukowiscydoza) czy aceton (cukrzyca typu 1).

Największe wyzwania dla tych systemów to czas odpowiedzi urządzeń (do kilku minut dla pełnego pomiaru) oraz niski próg detekcji – gazy mogą być obecne w stężeniach sięgających pojedynczych części na miliard. To drugie ograniczenie wynika bezpośrednio z prawa Bouguera-Lamberta-Beera, które mówi, że absorpcja światła przez roztwór jest proporcjonalna zarówno do długości drogi optycznej w próbce, jak i do stężenia substancji absorbującej.

Źródło: VIGO Photonics

W efekcie analizatory gazów oparte na laserach, przeznaczone do badania ludzkiego oddechu, zazwyczaj wykorzystują komorę optyczną, w której umieszczany jest mierzony gaz. Z tego podejścia wykształciło się kilka odmiennych technik. Jedną z nich jest spektroskopia wieloprzejściowa (multi-pass absorption spectroscopy, MUPASS) wykorzystująca lustra umieszczone na końcach komory w celu wydłużenia drogi optycznej — nawet do kilkuset metrów w przypadku urządzeń mieszczących się na stole. Bardziej zaawansowaną metodą jest spektroskopia strat we wnęce (cavity ring-down spectroscopy, CRDS). W tej technice używa się lasera impulsowego, a po wprowadzeniu impulsu do komory z gazem mierzy się spadek intensywności światła w czasie, co pozwala określić stężenie gazu. CRDS jest jedną z najczulszych metod detekcji gazów i sprawdza się w analizie oddechu.

Poza doborem drogi optycznej i przetwarzaniem sygnału (np. przy użyciu algorytmów odrzucania szumów), ważne jest też przygotowanie próbki. Niskie progi detekcji uzyskuje się zwykle przy niskim ciśnieniu gazu, co zmniejsza poszerzenie linii absorpcyjnych. Usunięcie pary wodnej z próbki pomaga zredukować główne źródło zakłóceń w spektroskopii MIR.

Współprace badawcze

W ostatnim czasie udowodniono wysoką użyteczność tych zaawansowanych systemów laserowych, a pierwsze urządzenia przeznaczone do komercyjnego zastosowania wchodzą obecnie w fazę badań klinicznych. Należy tu wspomnieć polski projekt SENSORMED — zrealizowany przez trzy polskie instytucje akademickie oraz firmę VIGO Photonics (polskiego producenta detektorów podczerwieni), którego rezultatem był stworzony w 2018 roku, system CRDS+MUPASS z trzema pasmami, umożliwiający jednoczesny pomiar trzech gazów.

Dla tlenku azotu wybrano system CRDS działający przy długości fali lasera 5,26 µm, natomiast system MUPASS wykorzystano przy 2,25 µm do pomiaru metanu i 2,34 µm do pomiaru tlenku węgla. Wykorzystano w nim także najlepsze dostępne detektory bazujące na tellurku kadmowo-rtęciowym ze zintegrowanymi soczewkami immersyjnymi zwiększającymi czułość, a także wysokiej jakości komory optyczne. Dzięki odpowiednio przygotowanej próbce udało się osiągnąć progi detekcji w zakresie od 30 do 400 części na miliard.

Wykryte biomarkery wskazywały na potencjalne przypadki astmy, dławicy piersiowej, chorób żołądka oraz podwyższonego poziomu bilirubiny we krwi i zespołów Gilberta, Dubin-Johnsona, Rotora oraz Criglera-Najjara.

Systemy laserowe mają potencjał, by zapewnić szybkie i nieinwazyjne pomiary, np. podczas corocznych badań kontrolnych. Choć w praktyce nie mogą całkowicie zastąpić klasycznej diagnostyki — ze względu na istniejące, choć ograniczone, wyniki fałszywie dodatnie — mogą wspierać działania w zakresie profilaktyki zdrowotnej.

Pomiary glukozy

W medycynie od dawna poszukuje się zastosowań laserów średniej podczerwieni do nieinwazyjnego pomiaru poziomu glukozy. Eliminacja konieczności nakłuwania palca byłaby bardzo pożądana przez pacjentów z cukrzycą na całym świecie. Podstawowym wyzwaniem przy tym rozwiązaniu jest ograniczona zdolność przenikania promieniowania przez tkanki skóry, a także jej skład – znajdująca się w nim woda zakłóca detekcję sygnału. Aby temu zaradzić, można mierzyć jedynie cząsteczki glukozy znajdujące się blisko powierzchni skóry, co zwykle wykonuje się za pomocą wysokiej mocy impulsowych laserów QCL o długościach fal między 8 a 10 µm. W tym zakresie linie absorpcji glukozy są liczne i dobrze określone, przy stosunkowo niewielkiej interferencji wody.

Źródło: VIGO Photonics

Użycie lasera impulsowego wraz z przetwarzaniem sygnału, np. detekcją fazoczułą, może zwiększyć czułość i poprawić próg detekcji. Można też stosować krótsze fale 2,5–3 µm. Potrzebna jest jednak odpowiednia optyka, np. miniaturowe sfery integrujące, do zbierania światła wychodzącego ze skóry. Testy wykazały, że pomiary emisji termicznej są korzystniejsze niż pomiary rozproszonego promieniowania QCL, ponieważ pozwalają rejestrować niewielkie zmiany temperatury skóry spowodowane absorpcją glukozy.

Podobne podejście może sprawdzić się również przy wykrywaniu innych substancji, np. mleczanów we krwi, które są wskaźnikiem zmęczenia mięśni podczas treningu. Aby takie rozwiązania mogły trafić do urządzenia, z którego moglibyśmy korzystać na co dzień – konieczne byłoby jego zminiaturyzowanie.

IR w stomatologii

Bardziej tradycyjnym zastosowaniem podczerwieni w medycynie jest stomatologia. Właściwe użycie laserów podczerwieni i detekcji ciepła pozwala na wczesne wykrywanie próchnicy. Niskoenergetyczny laser impulsowy świeci na ząb, a następnie mierzy się luminescencję i promieniowanie cieplne. Zdrowe i zepsute zęby dają różne sygnały, a regulacja lasera pozwala „wejrzeć” w ich różne głębokości. Dzięki temu można wykryć ubytki o średnicy już 50 µm i głębokości 5 mm. Wczesne wykrycie próchnicy pozwala na prostą terapię, zamiast kosztownych i inwazyjnych zabiegów.

Innym zastosowaniem jest chirurgia stomatologiczna bez znieczulenia przy użyciu laserów CO₂. Lasery o długości fali 9,3 lub 10,6 µm umożliwiają cięcie zęba, usuwanie próchnicy i przygotowanie zębów do wypełnień kompozytowych. Zabieg jest wygodniejszy i dokładniejszy niż tradycyjne użycie wiertła, ale wymaga precyzyjnej kontroli lasera, co jest możliwe dzięki szybkim i czułym detektorom. Metoda ta jest już obecnie w użyciu.

Detekcja w podczerwieni staje się coraz ważniejsza w medycynie. Widać jej duży potencjał w także w profilaktyce i diagnostyce domowej, jednak jeszcze czeka nas długa droga zanim zostaną wprowadzone do sprzedaży. Branża fotoniki dysponuje już laserami, detektorami i sprawdzonymi metodami pomiarowymi. Jednak by urządzenia były praktyczne, trzeba jednak rozwiązać problemy z ich rozmiarem, zużyciem energii i nagrzewaniem się.

Duże nadzieje wiąże się z fotonicznymi układami scalonymi (PIC) działającymi w średniej podczerwieni. Dzięki nim systemy można by łatwo miniaturyzować i stosować w masowej produkcji. Jednak to rozwiązanie także wymaga jeszcze kilku lat badań i testów klinicznych, np. w analizie oddechu czy nieinwazyjnym pomiarze glukozy – by potwierdzić działanie tej technologii w praktyce.

Wraz z rozwojem fotonicznych układów scalonych, detekcja w podczerwieni może w przyszłości stać się tak naturalnym narzędziem w medycynie, jak stetoskop w rękach lekarza.