Spectroscopie THz du gaz expiré
Les tests de l’haleine ont existés dans la pratique médicale depuis des siècles. Par exemple, la mauvaise haleine à permis de diagnostiquer, dès le XIIIe siècle, des « désordres biliaires » de patients souffrant de maladies rénales ou hépatiques avancées. À l’heure actuelle, des dizaines de gaz expirés sont avérés être des marqueurs de différentes pathologies (voir par ex [Kazemi S. et al., Diagnostic values of Helicobacter pylori diagnostic tests: stool antigen test, urea breath test, rapid urease test, serology and histology Journal of Research in Medical Sciences 2011 16 1097-104]). Parmi ceux-ci, citons le test à l’uréase marquée au carbone 13 qui est le plus utilisé des tests respiratoires. Il permet en effet de détecter la présence de la bactérie Helicobacter pylori dans l’estomac car elle dégrade l’urée marquée et libère le carbone 13. Mais aussi le test à l’oxyde nitrique (NO) pour la détection de l’asthme ou de la bronchectasie, du monoxyde de carbone (CO) pour la détection d’infections respiratoires, l’ammoniac (NH3) pour le diagnostic du cancer du poumon. Le tableau ci-dessous regroupe les différents tests de l’air expiré et les pathologies associées.
L’analyse de l’air expiré est totalement non invasive et sans danger aussi bien pour le patient que pour le personnel hospitalier. Elle peut donc être utilisée pour le diagnostic, la surveillance et le choix de la thérapie ainsi que pour la prédiction de la réponse à des traitements spécifiques.
Toutefois, les analyseurs de l’air expiré disponibles commercialement ne peuvent être utilisés que pour quelques substances spécifiques, telles que les isotopes du dioxyde de carbone (CO2), de l’oxyde d’azote (NO), de l’hydrogène (H2) et du méthane (CH4). En outre, la technologie utilisée dans ces analyseurs (capteurs électrochimiques, chimioluminescence (voir par ex. [Cristescu S M, et al., Methods of NO detection in exhaled breath J. Breath Res. 2013 7 017104/1-11]) n’est pas applicable pour la détection de plusieurs gaz simultanément ce qui réduit la fiabilité du diagnostic, car un ensemble de bio-marqueurs est nécessaire pour obtenir un diagnostic concluant.
Au niveau international, un seul modèle de spectromètre de gaz fonctionnant aux fréquences THz a été développé en Russie. Celui-ci, présente un inconvénient majeur car sa source de rayonnement THz est basée sur la technologie spécifique des tubes BWO (backward waves oscillator) existant seulement en Russie. Cela pose des problèmes évidents pour son développement dans les pays européens. Heureusement, au cours des dernières années, le développement de la technologie des semi-conducteurs a conduit à l’émergence de nouvelles sources THz semi-conducteurs avec une stabilité à haute fréquence. Pour obtenir une analyse à très haute sélectivité dans les gaz portant plusieurs composants chimiques à détecter ; les caractéristiques spectroscopiques des sources de radiation doivent atteindre la résolution de Doppler avec une précision dans la mesure de la fréquence atteignant 10-8–10-10fois la fréquence centrale de référence.
Résultats attendus
- À l’heure actuelle, il existe deux types de sources de rayonnement qui peuvent satisfaire les exigences de la spectroscopie de l’air expiré. La première est basée sur l’utilisation d’une source contenant un photomélangeur (classiquement en GaAs-BT) : la fréquence de différence de deux lasers optiques continus est obtenue en utilisant un mélangeur à semi-conducteur. Le deuxième type de source est un générateur de fréquence micro-onde créé en multipliant la fréquence d’un synthétiseur de référence très stable. Si la première présente un problème en terme de puissance disponible, les sources disponibles dans le système de spectroscopie demandé dans le projet seront capables de couvrir la gamme de fréquence de 50 GHz à 1100 GHz avec une très haute résolution, une haute stabilité temporelle et une puissance importante.
La spectroscopie THz de haute précision peut satisfaire pleinement aux exigences de l’analyse des gaz en temps réel. En effet, le domaine de fréquence THz est favorisée par la présence de lignes de forte absorption de nombreux biomarqueurs exhalés (NO, CO, de l’acétone, ammoniaque, etc …) ce qui permettra de réaliser l’analyse des gaz présents dans l’air expiré.