Ultrafast optical coherence elastography for volumetric and dynamic in vivo imaging

داخل الجسم الحي، ليست الأنسجة الرخوة مجرد حشوات خاملة؛ بل هي مواد ديناميكية تتغير صلابتها وبنيتها باستمرار. تعمل هذه الخصائص الميكانيكية كلغة حيوية، تتحدث عن كيفية تواصل الخلايا، وكيفية إعادة بناء الأعضاء لنفسها، وكيف يتمركز أمراض مثل السرطان أو الانسدادات الوعائية. لعقود من الزمن، سعى العلماء لإيجاد وسيلة "للاستماع" إلى هذه اللغة دون قطع الجسم أو حقن أصباغ غريبة. لقد احتاجوا إلى طريقة لرسم خرائط لصلابة الأنسجة الحية بدقة المجهر وسرعة نبضة القلب. كان التحدي دائماً يتمثل في مقايضة: فالأدوات الموجودة كانت قادرة على رؤية التفاصيل الدقيقة لكنها كانت بطيئة جداً لالتقاط التغيرات السريعة، أو كانت سريعة ولكنها ضبابية جداً بحيث لا تكشف عن البنى الصغيرة حيث يبدأ المرض.

قدم فريق من الباحثين في جامعة بكين الآن نهجاً جديداً يسمى "تخطيط المرونة بالتماسك البصري فائق السرعة". تعمل هذه التقنية مثل كاميرا عالية السرعة للعالم الميكانيكي داخل الجسم. ومن خلال الجمع بين ليزر متخصص يمسح ألوان الضوء وطريقة ذكية لتوقيت قياساته، استطاع الباحثون الآن إنشاء أفلام ثلاثية الأبعاد لكيفية اهتزاز الأنسجة. وقد أثبتوا أن هذه الطريقة يمكنها التقاط السلوك الميكانيكي للأنسجة الحية في أقل من ثانية، مما يكشف عن تفاصيل تدفق الدم في الشرايين والبنية الطبقية للعين التي كان من المستحيل رؤيتها في الوقت الفعلي سابقاً.

يكمن جوهر هذا الاختراق في كيفية تعامل الباحثين مع توقيت قياساتهم. فغالباً ما تعمل الطرق التقليدية لتصوير ميكانيكا الأنسجة مثل كاميرا التصوير البطيء التي تلتقط صورة واحدة في كل مرة، وتنتظر مرور الاهتزاز قبل الانتقال إلى النقطة التالية. هذه العملية بطيئة جداً لدرجة أن أدنى حركة للمريض — كالتنفس، أو النبض، أو التشنج — تؤدي إلى تشويش الصورة. ومع ذلك، يستخدم النظام الجديد ليزراً يمسح ذهاباً وإياباً آلاف المرات في الثانية. وبدلاً من انتظار انتهاء الاهتزاز، يلتقط النظام ثلاث لقطات سريعة للأنسجة أثناء هزها بلطف بواسطة محرك ميكانيكي صغير. وتؤخذ هذه اللقطات الثلاث في لحظات محددة من دورة الاهتزاز، وتكون متباعدة بانتظام.

ومن خلال مقارنة هذه الصور الثلاث السريعة، يمكن للباحثين فصل الخلفية الثابتة للنسيج رياضياً عن الحركة الإيقاعية الناتجة عن الاهتزاز. وهذا يسمح لهم بإعادة بناء موجة الحركة الكاملة التي تنتقل عبر النسيج من خلال ثلاث إطارات فقط. إنه تحول كبير في الاستراتيجية: فبدلاً من محاولة تجميد موجة سريعة الحركة بكاميرا بطيئة، هم يلتقطون إيقاع الموجة بسرعة تجعل الحركة نفسها واضحة. وتعمل هذه الطريقة عبر نطاق واسع من السرعات، من الهمهمات منخفضة التردد للموجات الصوتية إلى الطنين عالي التردد للاهتزازات فوق الصوتية، مغطيةً الطيف الكامل للنشاط الميكانيكي الموجود في الأنسجة البيولوجية.

لإثبات عمل النظام، اختبر الفريق أولاً على نماذج هلامية (جل) بسيطة وألواح بلاستيكية صلبة. وأظهروا أن الطريقة يمكنها قياس كيفية تحرك الموجات عبر هذه المواد بدقة، مطابقةً النتائج التي تحققها التقنيات الأبطئة والمعتمدة، ولكنها تفعل ذلك أسرع بمئات المرات. في أحد الاختبارات، قاموا بقياس لوح بلاستيكي يهتز بأكثر من مليوني دورة في الثانية، وهي سرعة كان من المستحيل التقاطها بالأدوات السابقة. نجح النظام في رسم خرائط للأنماط المعقدة لهذه الموجات عالية السرعة، مؤكداً أن التقنية قوية بما يكفي للتعامل مع الأحداث الميكانيكية البطيئة والسريعة للغاية على حد سواء.

ومع ذلك، ظهرت القوة الحقيقية للتكنولوجيا عندما وجه الباحثون اهتمامهم إلى الحيوانات الحية. فقد طبقوا النظام على الشرايين السباتية للفئران، والتي تنبض بمعدل حوالي 350 مرة في الدقيقة. في هذه الأوعية، تتغير صلابة جدار الشريان بسرعة مع كل نبضة قلب، حيث تشتد مع ارتفاع ضغط الدم وتسترخي مع انخفاضه. كانت طرق التصوير السابقة بطيئة جداً للحاق بهذه التحولات السريعة، مما يؤدي غالباً إلى إنتاج صور مشوهة لأن الشريان يتحرك أثناء عملية المسح. استطاع النظام الجديد، القادر على التقاط مئات الصور في الثانية، تسجيل دورة نبض القلب بأكملها. لقد أنتج فيلماً مستمراً وواضحاً يظهر كيف تنتقل موجة الصلابة على طول الشريان، صعوداً وهبوطاً بالتزامن التام مع النبض. وكشفت البيانات أن سرعة الموجة في الشريان تفاوتت بأكثر من 60 بالمائة بين حالتي الاسترخاء والشد في القلب، وهو مستوى من التفاصيل يسلط الضوء على الطبيعة الديناميكية للأوعية الدموية الحية.

استخدم الباحثون أيضاً النظام لإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد للأنسجة الحية. فقد مسحوا الجلد على إصبع بشري والجزء الأمامي من عين أرنب. في الإصبع، كشف النظام أن صلابة الجلد لم تكن موحدة؛ بل كانت تتغير اعتماداً على اتجاه القياس، بما يتماشى مع خطوط بصمة الإصبع. وتم رسم هذه الخرائط الاتجاهية، المعروفة باسم "تباين الخواص" (anisotropy)، في ثلاثة أبعاد، مما يوضح كيف تختلف الخصائص الميكانيكية للنسيج عبر السطح. وفي عين الأرنب، ميز النظام بين الطبقة الخارجية القوية، وهي الصلبة (sclera)، والقرنية الشفافة. وأظهر انتقالاً تدريجياً في الصلابة بين هاتين الطبقتين، بل وحدد طبقة رقيقة وأكثر نعومة من الأنسجة تسمى الملتحمة. وتثبت هذه النتائج أن النظام يمكنه رؤية الحدود الميكانيكية التي تكون غير مرئية للتصوير القياسي، مما يوفر طريقة جديدة لفهم التعقيد الهيكلي للعين.

يمثل هذا العمل تحولاً جذرياً في كيفية مراقبة العلماء للحياة الميكانيكية للأنسجة. فمن خلال إزالة حاجز السرعة الذي حد طويلاً من التصوير البصري، فتح الباحثون الباب لمراقبة العمليات البيولوجية أثناء حد حدوثها. إن القدرة على رؤية التصلب السريع للشريان أو الميكانيكا الطبقية للعين في الوقت الفعلي تقدم نافذة جديدة على كيفية عمل الجسم وكيفية فشله. وبينما تعتمد التكنولوجيا حالياً على الاهتزازات الدورية وتتطلب تعاملاً دقيقاً لتجنيد تشوش الحركة، فإن النتائج تشير إلى مستقبل يمكن فيه للأطباء والعلماء رسم خرائط الصحة الميكانيكية للأنسجة الحية بشكل روتيني بسرعة ووضوح غير مسبوقين. وتؤكد الدراسة أنه مع التوقيت الصحيح، يمكن أخيراً سماع اللغة غير المرئية لميكانيكا الأنسجة بتفاصيل كاملة وفي الوقت الفعلي.