Les progrès récents de l'électronique et de l'optique ont ouvert de nouvelles possibilités pour les vagues de térahertz (THz) – un type de lumière invisible qui tombe entre la lumière infrarouge et les micro-ondes sur le spectre. L'utilisation de la diffusion THz pour le diagnostic médical est une frontière prometteuse dans ce domaine, car les ondes THz peuvent sonder les structures de tissu d'une manière que les méthodes d'imagerie traditionnelles ne peuvent pas. Les méthodes de mesure THz émergentes ont le potentiel de détecter des changements subtils de l'architecture tissulaire qui se produisent dans des maladies comme le cancer et les blessures par brûlure, servant de puissant outil de diagnostic.
Cependant, les techniques d'imagerie THz existantes sont confrontées à des limitations importantes pour les applications médicales. La plupart des approches existantes reposent principalement sur les différences de teneur en eau entre les tissus sains et malades comme principale source de contraste diagnostique – une approche qui s'avère trop simpliste pour les maladies complexes.
De plus, alors que les mesures de polarisation des ondes THz réfléchies semblent précieuses pour le diagnostic des tissus, les mécanismes sous-jacents qui créent différentes réponses de polarisation dans les tissus restent mal compris. Cette lacune dans la compréhension souligne un besoin de modèles de calcul capables d'expliquer et de prédire les phénomènes que les chercheurs ont observés expérimentalement.
Pour relever ces défis, une équipe de recherche dirigée par le professeur Hassan Arbab de l'Université Stony Brook (New York, États-Unis) a mené une étude complète combinant la modélisation mathématique, les simulations informatiques avancées et la validation expérimentale pour comprendre comment les ondes THZ répondent aux structures tissulaires. Comme indiqué dans le Journal of Biomedical Opticsl'équipe de chercheurs a modélisé comment la lumière THz polarisée interagit avec les caractéristiques microscopiques qui varient entre les tissus sains et malades / endommagés.
Les chercheurs ont d'abord utilisé la simulation de Monte Carlo – une puissante technique de calcul – pour modéliser la façon dont les ondes THz se dispersent des particules sphériques incrustées dans des milieux biologiques très absorbants. Ces particules de diamètres variables peuvent représenter des structures liées à la maladie, telles que les grappes de tumeurs ou la destruction des follicules pileux et des glandes transpiratrices observées dans les blessures aux brûlures. Pour valider leurs modèles, l'équipe a créé des fantômes tissulaires en utilisant des particules de polypropylène de tailles variables en suspension en gélatine, imitant les propriétés optiques des tissus réels.
La simulation a révélé deux paramètres clés – l'intensité de la lumière diffuse diffuse et son degré de polarisation – qui changent de manière prévisible avec la taille et la concentration des particules. Remarquablement, l'équipe a montré qu'une caractérisation des propriétés de polarisation pertinentes du tissu peut être obtenue en utilisant une seule mesure de polarisation, contrairement aux approches conventionnelles en nécessitant au moins quatre.
Les résultats expérimentaux des fantômes tissulaires ont confirmé les prédictions de simulation, montrant des modèles clairs dépendants de la fréquence qui étaient en corrélation avec la taille des particules. Comme prévu, des particules de diffusion plus grandes produisaient une lumière dispersée à une intensité plus élevée. Ils ont également produit des baisses distinctes de polarisation à des fréquences spécifiques, qui pourraient être utilisées pour évaluer la taille des particules de diffusion.
Enfin, les chercheurs ont démontré le potentiel clinique de leur approche en capturant une image polarimétrique d'une brûlure induite dans des échantillons de peau porcine, révélant un contraste clair entre les régions tissulaires brûlées et saines.
La capacité de détecter et de caractériser les changements structurels microscopiques du tissu ouvre de nouvelles possibilités pour la détection précoce du cancer pour améliorer les résultats des patients. En particulier, l'imagerie polarimétrique THz pourrait être utile pour identifier le bourgeon tumoral, dans lequel de petits grappes de cellules cancéreuses se détachent de la tumeur principale. Alors que les méthodes actuelles reposent sur l'échantillonnage des tissus et les procédures de coloration complexes, l'imagerie polarimétrique THz offre une alternative potentiellement plus simple et plus efficace pour détecter ces grappes.
Pour l'avenir, l'équipe de recherche prévoit d'étendre ses études à des échantillons de tissus cancéreux réels et d'étendre ses capacités de mesure THz pour capturer des caractéristiques tissulaires encore plus petites. En utilisant des systèmes THz avec une bande passante plus grande actuellement en cours de développement, les techniques polarimétriques pourraient potentiellement résoudre des structures aussi petites que 10 à 30 micromètres, ouvrant des possibilités pour la détection d'un plus large éventail de changements tissulaires liés à la maladie.
Alors que la technologie THz continue de progresser, les résultats de cette étude représentent une étape significative vers son inclusion dans le diagnostic médical de routine, transformant potentiellement la façon dont les cliniciens détectent et suivent la progression de la maladie.
