Une méthode non invasive pour mesurer le glucose dans le sang

C’est au prix d’un contrôle quotidien du taux de glucose (la glycémie) dans le sang que les patients atteints de diabète de types 1 et 2 peuvent mener une vie normale. Il existe actuellement des dispositifs électroniques utilisables à domicile qui indiquent la glycémie à partir d’une goutte de sang du patient. Des chercheurs de l‘Institut de Biophysique  de la Johann Wolfgang Goethe Universität  à Francfort, en Allemagne, proposent une méthode de mesure de la glycémie dans laquelle un faisceau indolore  de lumière infrarouge est appliqué sur la peau.  Par spectroscopie infrarouge photo-acoustique, on obtient alors le taux de glucose dans le fluide interstitiel de l’épiderme humain.

Fig. 1. Le schéma de gauche montre le faisceau laser incident sur une première cavité optique. Les ultrasons produits à la surface du doigt par effet photo-acoustique sont amplifiés par la petite cavité du résonateur acoustique. Sur la photographie, on voit un doigt dont l’extrémité est posée sur la cellule photo-acoustique miniature utilisée dans l’expérience. Crédit W. Mäntele

Fig. 1. Le schéma de gauche montre le faisceau laser incident sur une
première cavité optique. Les ultrasons produits à la surface du doigt
par effet photo-acoustique sont amplifiés par la petite cavité du
résonateur acoustique. Sur la photographie, on voit un doigt dont
l’extrémité est posée sur la cellule photo-acoustique miniature utilisée dans l’expérience.                Crédit W. Mäntele

L’infrarouge moyen pénètre dans la peau à une profondeur  de 10 à 50 micromètres. Le fluide interstitiel qui y est présent contient du glucose. Son taux est relié de façon connue à celui du glucose dans le sang que l’on veut mesurer. On choisira une longueur d’onde favorisant l’absorption de la lumière laser par le glucose, celle-ci sera mesurée par effet photo-acoustique.

L’effet photo-acoustique consiste en l’absorption par une substance d’une onde lumineuse dont l’énergie est convertie en chaleur. L’augmentation locale de température entraîne une dilatation qui génère une onde sonore. Cela fut observé pour la première fois en 1880 par Alexander Graham Bell, inventeur du téléphone. L’utilisation moderne du laser permet à la fois d’obtenir un signal d’intensité plus élevé et, grâce à la sélectivité de la lumière émise, de réaliser une véritable spectroscopie.

 

On voit sur la figure 2 le détail de la cellule photo-acoustique.  Pour réguler la température de la cellule, un thermocouple de mesure  est associé à un élément chauffant, un film résistant  collé sur celle-ci.

Fig.2 Vue en éclaté de la cellule photo-acoustique pour la mesure in vivo du spectre d’absorption du glucose dans l’épiderme. A indique le cylindre d’absorption de la lumière et R le cylindre résonateur acoustique. Crédit W. Mäntele.

Fig.2 Vue en éclaté de la cellule photo-acoustique pour la mesure in vivo du spectre d’absorption du glucose dans l’épiderme. A indique le cylindre d’absorption de la lumière et R le cylindre résonateur acoustique. Crédit W. Mäntele.

  Pour démontrer la faisabilité du procédé, l’équipe dirigée par le Professeur W. Mäntele  a utilisé le dispositif de la figure 3.  Un laser à cascade quantique accordé dans l’infrarouge moyen entre 8,3 et 10 micromètres de longueur d’onde émet des impulsions infrarouges à une fréquence de répétition de l’ordre de celle des  ultrasons. Cette lumière laser est focalisée au centre de la cellule photo-acoustique. Elle pénètre l’extrémité du doigt, y excite une onde ultrasonore amplifiée dans le résonateur acoustique de la cellule. Ce signal photo-acoustique est traité par l’ensemble électronique de la figure 3.

Fig.3 Schéma de l’appareillage utilisé. Un laser à cascade quantique émet des impulsions infrarouges. La majeure partie de celles-ci est focalisée au centre de la cellule photo-acoustique. Le patient pose un doigt sur celle-ci. Le signal photo-acoustique excite le microphone, dont le signal amplifié attaque une détection synchrone dont le signal de référence provient d’un détecteur optique via un intégrateur à porte. Les signaux sont enregistrés par une carte d’acquisition de données reliée à un ordinateur. Crédit W. Mäntele.

Fig.3 Schéma de l’appareillage utilisé. Un laser à cascade quantique émet des impulsions infrarouges. La majeure partie de celles-ci est focalisée au centre de la cellule photo-acoustique. Le patient pose un doigt sur celle-ci. Le signal photo-acoustique excite le microphone, dont le signal amplifié attaque une détection synchrone dont le signal de référence provient d’un détecteur optique via un intégrateur à porte. Les signaux sont enregistrés par une carte d’acquisition de
données reliée à un ordinateur. Crédit W. Mäntele.

Un laser à cascade quantique est un laser à semi-conducteur d’un type particulier émettant dans l’infrarouge: la lumière y est émise par transition des électrons entre des niveaux quantiques créés par une structure à confinement quantique, un puits quantique. Pour augmenter le rendement, on munit le laser d’une multitude de puits quantiques.

 

Dans une version ultérieure, cette électronique pourrait être intégrée dans un seul circuit. La sensibilité de cette méthode, déjà très élevée,  doit augmenter par une optimisation de la cellule photo-acoustique. Sa sélectivité, basée sur les possibilités d’accord en fréquence du laser utilisé, devrait s’accroître avec lesprogrès des lasers à cascade quantique. La stabilité du système correspond au temps durant lequel un patient diabétique pourra l’utiliser après une calibration utilisant une goutte de sang. On l’estime déjà à plusieurs jours, mais on pense l’améliorer. La cellule photo-acoustique décrite ici peut bien sûr être utilisée aussi pour analyser des échantillons solides présentant des bandes d’absorption dans l’infrarouge moyen ou même d’autres bandes spectrales  couvertes par la source laser.

 

 

 

 

Pour en savoir plus : Windowless ultrasound photoacoustic cell for in vivo mid-IR spectroscopy of human epidermis……     Miguel A. Pleitez,Tobias Lieblein, Alexander Bauer, Otto Hertzberg, Hermann von Lilienfeld-Toal, and Werner  Mäntele.

REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 84, 084901 (2013)