تطوير هوائي روسي عالي الدقة للتصوير المقطعي الكهروضوئي للأوعية الدموية
© Fotolia / Photokanok_1984
تابعنا عبر
يُمكّن هوائي الموجات فوق الصوتية الجديد، المصمم على غرار "الهوائي الأم"، الذي طُوّر في روسيا، من تصوير الأوعية الدموية "عبر الجلد" بدقة عالية وفي الوقت الحقيقي، بدءًا من الشرايين الكبيرة وصولًا إلى الشعيرات الدموية الدقيقة.
يستخدم هذا الجهاز، الذي ابتكره فيزيائيون من معهد غابونوف-غريكوف للفيزياء التطبيقية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم (نيجني نوفغورود) بالتعاون مع زملاء دوليين، التصوير المقطعي الكهروضوئي لتحويل صوت الأوعية الدموية إلى أفلام ثلاثية الأبعاد للدورة الدموية.
وقد حظي هذا العمل بتقدير مؤسسة العلوم الروسية، التي دعمت المشروع، كواحد من أهم عشرة اكتشافات علمية لعام 2025، حسب ما ورد في مقال في "بوابة روسيا العلمية".
كيف تُولَّد "موسيقى الأوعية الدموية"؟
يعتمد المبدأ الأساسي لهذا النظام على التأثير الكهروضوئي الصوتي، حيث تُصدر نبضات الليزر "أصواتًا" في نطاق الموجات فوق الصوتية. تُسلَّط نبضات ليزر فائقة القصر، ذات معايير مضبوطة بدقة، على الأنسجة؛ فتقوم الجزيئات الماصة (مثل الهيموجلوبين في الدم) بتحويل جزء من الضوء إلى حرارة.
يؤدي التسخين السريع إلى تمدد موضعي، مُولِّدًا موجات صوتية حرارية مرنة - موجات ضغط تنتقل عبر الأنسجة، لكن ترددها عالٍ جدًا بحيث لا تستطيع الأذن البشرية سماعها، حيث تستجيب كل مادة أو بنية بشكل مختلف للضوء، وبالتالي تُصدر "نغمة" صوتية مميزة خاصة بها.
من خلال تسجيل هذه الإشارات ورسم خرائطها في الفضاء، يستطيع الباحثون تحديد مواقع الأوعية الدموية تحت الجلد وغيرها من التراكيب الداخلية دون الحاجة إلى إجراءات جراحية، كما يمكن لهذه الطريقة أن تُوفر معلومات وظيفية عن الدم، حيث يمتص الدم الشرياني (الغني بالأكسجين) والدم الوريدي (الفقير بالأكسجين) الضوء بشكل مختلف، وبالتالي تختلف استجاباتهما الصوتية.
ومن خلال التبديل السريع لطول موجة الليزر، يستطيع النظام تقييم أكسجة الدم، والتمييز بفعالية بين الدم الغني بالأكسجين والدم الفقير به في الوقت الفعلي.
ما الذي يمكن أن يفعله الهوائي الكروي الجديد؟
توضح المقالة أن تقنيات التصوير الحالية، مثل الموجات فوق الصوتية والتصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي، لا تستطيع توفير التباين على المستوى الجزيئي والتفاصيل المكانية الدقيقة والدقة الزمنية العالية اللازمة لمراقبة كل من الأوعية الكبيرة والشعيرات الدموية المجهرية في آن واحد. صُمم الهوائي الجديد خصيصًا لسد هذه الفجوة.
يستطيع الهوائي الجديد تصوير الأوعية الدموية التي يتراوح قطرها من حوالي 3 مم إلى 30 ميكرومترًا، أي ما يقارب حجم خلية دم حمراء واحدة، ويلتقط النظام صورًا ثلاثية الأبعاد بسرعة فائقة، ما يسمح بمراقبة تدفق الدم والمسام الدقيقة في الأنسجة الحيوية في الوقت الحقيقي.
ويصف الباحثون هذه التقنية بأنها أداة قادرة على "الرؤية عبر الجلد" ومراقبة عمليات الدورة الدموية الديناميكية ذات الصلة بالتشخيص المبكر لأمراض القلب والأوعية الدموية، والأمراض التنكسية العصبية، والأورام.
الاسم الكامل للجهاز هو هوائي كروي متعدد العناصر واسع النطاق، مصنوع من مادة البوليمر الكهروإجهادي.
تشمل أبرز ميزات تصميمه، كما ورد في مقال "ساينتفك روسيا"، ما يلي:
غشاء رقيق من البوليمر الكهروإجهادي (مصنوع من فلوريد البولي فينيليدين، PVDF) يشكل العنصر الحساس الأساسي، بالإضافة إلى مرحلة تضخيم تُطابق الخرج الكهربائي للغشاء مع محول تناظري رقمي.
يحتوي الغشاء على 512 عنصر استشعار قابل للعنونة بشكل فردي، تبلغ مساحة كل منها أقل من 1 مم²؛ وتُعد هذه الكثافة العالية من العناصر المُكدسة على سطح كروي سابقة عالمية، وفقًا للمؤلفين.
يتم تسجيل البيانات من جميع العناصر الـ 512 في وقت واحد، حيث يعمل كل عنصر بشكل مستقل، مما يُتيح إعادة بناء ثلاثية الأبعاد فورية للبنية الوعائية في الحجم المصوّر.
تتميز هذه الهوائيات بحساسية ونطاق تردد محسّنين بشكل ملحوظ مقارنةً بمصفوفات السيراميك الكهروإجهادي التقليدية.
تزيد حساسية الهوائي للإشارات الكهروضوئية بأكثر من عشرة أضعاف عن حساسية كاشفات السيراميك الكهروإجهادي التقليدية.
يتميز كل عنصر بنطاق ترددي فائق الاتساع؛ حيث يمتد نطاق استجابته من حوالي 300 كيلوهرتز إلى حوالي 30 ميجاهرتز، وهو نطاق أوسع بكثير من نطاق هوائيات الموجات فوق الصوتية التقليدية ذات النطاق العريض.
يشبه المخترعون سلوك الهوائي بمكون عضوي: فالأوعية الدموية الدقيقة تُصدر صوت "صفير" عند الترددات العالية، بينما تُصدر الشرايين السميكة صوت "طنين" عند الترددات المنخفضة، ويمكن للنظام الاستماع إلى كليهما في الوقت نفسه، وهذا يُتيح تصوير كل من الشعيرات الدموية المجهرية والأوعية الدموية الكبيرة ضمن حجم مسح واحد يبلغ نحو 1 سم³.
تصف المقالة تجربتين رئيسيتين تُظهران قدرات الهوائي:
في التجربة الأولى، قام الباحثون بتصوير الأوعية الدموية داخل راحة يد بشرية.أنتج النظام خرائط ثلاثية الأبعاد مفصلة للشبكة الوعائية، تُظهر تدفق الدم عبر أوعية بأحجام مختلفة في الوقت الفعلي.
يُمكن لهذا النوع من التصوير أن يُساعد في الكشف المبكر عن مشاكل القلب والأوعية الدموية، مثل ضعف تدفق الدم أو الآفات الدقيقة، دون جراحة أو إشعاع مؤين.
يُمكن لهذا النوع من التصوير أن يُساعد في الكشف المبكر عن مشاكل القلب والأوعية الدموية، مثل ضعف تدفق الدم أو الآفات الدقيقة، دون جراحة أو إشعاع مؤين.
في التجربة الثانية، استُخدم الهوائي لفحص دماغ فأر سليم بطريقة غير جراحية.
ركز الفريق على تغيرات نسبة الأكسجين في الدم المرتبطة بـ "الاقتران العصبي الوعائي": فعندما تنشط الخلايا العصبية، تُطلق الأوعية الدموية المحلية المزيد من الدم الغني بالأكسجين، ما يُغير الإشارة الكهروضوئية الصوتية.
ومن خلال تحفيز كف الفأر كهربائيًا، تتبّع الباحثون كيفية تنشيط مناطق دماغية محددة مرتبطة بالنشاط الحركي؛ وأظهرت الهوائيات بوضوح ارتفاع مستويات الأكسجين في الدم في المناطق القشرية الصحيحة.
ركز الفريق على تغيرات نسبة الأكسجين في الدم المرتبطة بـ "الاقتران العصبي الوعائي": فعندما تنشط الخلايا العصبية، تُطلق الأوعية الدموية المحلية المزيد من الدم الغني بالأكسجين، ما يُغير الإشارة الكهروضوئية الصوتية.
ومن خلال تحفيز كف الفأر كهربائيًا، تتبّع الباحثون كيفية تنشيط مناطق دماغية محددة مرتبطة بالنشاط الحركي؛ وأظهرت الهوائيات بوضوح ارتفاع مستويات الأكسجين في الدم في المناطق القشرية الصحيحة.
يشير قائد المشروع، بافيل سوبوتشيف، إلى أن هذه التجارب تُعدّ بمثابة "نماذج" ليتمكن الأطباء من فهم إمكانيات هذه التقنية وتحديد مدى ملاءمتها لمهام تشخيصية محددة.
التحديات التقنية واختيارات المواد
يتناول المقال بالتفصيل كيف تغلب الفريق على العديد من العقبات الهندسية لبناء الهوائي.
استبدل الفريق عناصر السيراميك الكهروإجهادي التقليدية بغشاء بوليمر كهروإجهادي مرن، يتميز بحساسية أعلى ونطاق استقبال أوسع بكثير، ولكنه يتطلب عناية فائقة في التعامل.
كما يجب تشكيل غشاء البوليمر الكهروإجهادي على هيئة نصف كروية دون شده أو تسخينه بشكل مفرط، لأن درجات الحرارة التي تتجاوز 70 درجة مئوية تقريبًا قد تؤدي إلى فقدان استقطابه وتدهور أدائه.
ونظرًا لعدم إمكانية لحام هذا الغشاء مباشرةً، اضطر الباحثون إلى ابتكار طرق بديلة لإنشاء وصلات كهربائية موثوقة لجميع القنوات الـ 512، بما في ذلك مرحلة تضخيم مدمجة بالقرب من الغشاء.
كذلك اختبر الفريق أغشية بوليمر كهروإجهادي من عدة دول، وبعد مقارنات مستفيضة، استقروا على غشاء PVDF، والذي حقق أفضل حساسية كهروضوئية لتصميمهم.
التطبيقات الطبية وغير الطبية
تُحدد المقالة عدة مجالات محددة يُمكن استخدام الهوائي فيها.
في المجال الطبي، قد يُساعد النظام في:
تشخيص أمراض الدورة الدموية والأوعية الدموية، بما في ذلك متلازمات ما بعد التجلط، من خلال مراقبة تغيرات تدفق الدم أثناء الاختبارات الوظيفية (على سبيل المثال، عند رفع أحد الأطراف فوق مستوى القلب أو خفضه تحته).
دراسة الاقتران العصبي الوعائي وأنماط تنشيط الدماغ، مما قد يُؤدي إلى أدوات غير جراحية لمراقبة وظائف الدماغ.
تصوير العقد اللمفاوية الحارسة في علم الأورام، باستخدام عوامل تباين معتمدة سريريًا مثل الإندوسيانين الأخضر (ICG)، والتي يمكن تتبعها من خلال امتصاصها لضوء الليزر.
وبعيدًا عن مجال الرعاية الصحية، تم اختبار الهوائي في مجالات أخرى:
قياس سُمك طبقات الزيت على الماء؛ حيث أظهر الفريق أن الاستجابة الكهروضوئية لطبقات النفط الخام عند 532 نانومتر تُشابه استجابة الدم، مما يسمح بتقدير السُمك في المختبر.
إجراء فحص جودة غير مُتلف للمكونات البصرية، حيث يعمل النظام كـ"مجهر ليزري فوق صوتي" قادر على كشف العيوب غير المرئية في طبقات الربط الشفافة من خلال تحليل الموجات فوق الصوتية المُشتتة.
خارطة طريق: من "موسيقى الأوعية الدموية" إلى المجاهر الطبية وتصوير الدماغ
يسلط المقال الضوء على توجهات البحث المستقبلية الجارية في المعهد.
يتمثل أحد الأهداف في ابتكار مجهر طبي متعدد الوسائط قادر على تصوير الأوعية الدموية والنشاط العصبي في آنٍ واحد، وذلك من خلال رصد البروتينات الفلورية، مثل البروتين الفلوري الأخضر (GFP) أو متغيراته ذات الانزياح الأحمر، والتي تتوهج بوجود أيونات الكالسيوم - وهي سمة مميزة لإطلاق الإشارات العصبية.
ومن خلال ربط المجسات البصرية الحساسة للكالسيوم بتقنية الكشف القائمة على الامتصاص في الهوائي، يأمل الباحثون في رصد نشاط الدماغ بتأخير زمني أقصر بكثير من الطرق الحالية القائمة على الديناميكا الدموية، والتي قد تستغرق حوالي 10 ثوانٍ لرصد التغيرات.
كما يخطط الفريق لجعل هذه التقنية أكثر سهولة في الاستخدام وأكثر عملية، ويدرسون استبدال الليزرات المعقدة عالية الطاقة بمكونات ليزرية ثنائية أبسط، ويبحثون عن طرق لخفض تكلفة النظام الصوتي الفرعي.
يخلص المقال إلى أن هذا "الهوائي الأم" ليس مجرد نموذج أولي للمختبر، بل يتحول إلى منصة لأنظمة الصوت الضوئي من الجيل التالي، القادرة على مراقبة تدفق الدم في الوقت الحقيقي، وفي المستقبل، "الاستماع" إلى نشاط الدماغ من الخارج.
