Subsecond Terahertz Spectroscopic Mapping of Corneal Hydration Gradients

تُعد عين الإنسان أعجوبة من أعاجيب الهندسة البصرية، لكن المكون الأكثر حيوية فيها، وهو القرنية، يعتمد على توازن دقيق ليعمل بكفاءة. يجب أن تظل هذه النافذة الشفافة التي تشبه القبة والموجودة في مقدمة العين شفافة تماماً لتركيز الضوء على الشبكية. وتعتمد هذه الشفافية على بقاء بنية القرنية الداخلية جافة بما يكفي لمنع تشتت الضوء، ورطبة بما يكفي للحفاظ على شكلها وصحتها. وعندما يختل هذا التوازن، تتراكم المياه داخل الأنسجة، مما يسبب تورماً يؤدي إلى تشوش الرؤية ويمكن أن يشير إلى حالات مرضية كامنة خطيرة. حالياً، يقدر الأطباء محتوى الماء في القرنية عن طريق قياس سمكها، تماماً مثل تخمين كمية الماء في إسفنجة من خلال مراقبة مدى تمددها. ومع ذلك، فإن السمك هو مؤشر غير مباشر؛ فقد تتورم العين بشكل غير متساوٍ، أو قد تختلف التشريحية الطبيعية للشخص، مما يجعل قياس السمك البسيط دليلاً غير مثالي لمستويات الترطيب الفعلية التي تحدد صحة العين.

ولحل هذه المشكلة، طور فريق من الباحثين في جامعة ستوني بروك طريقة جديدة للنظر داخل العين دون لمسها، باستخدام شكل من أشكال الضوء يقع بين الموجات الدقيقة (الميكروويف) والأشعة تحت الحمراء في الطيف الكهرومغناطيسي. هذا الضوء، المعروف باسم إشعاع الترا هيرتز (terahertz radiation)، يتفاعل بقوة مع جزيئات الماء، مما يجعله حساساً بطبيعته لكمية الرطوبة الموجودة في مادة ما. لقد كان التحدي دائماً يكمن في السرعة والدقة؛ فالعين البشرية في حركة مستمرة، حتى عندما يحاول الشخص الثبات، والقرنية سطح منحني يصعب مسحه بحزمة ضوئية يجب أن تصطدم به بزاوية مثالية لكي ينعكس بوضوح. كانت المحاولات السابقة لتصوير القرنية بهذه التقنية تستغرق عدة ثوانٍ، وهو وقت طويل في عالم حركة العين، مما يؤدي غالباً إلى صور ضبابية أو مشوهة. احتاج الباحثون إلى نظام يمكنه التقاط صورة كاملة لترطيب القرنية في جزء من الثانية، بسرعة كافية لتجميد الحركة الطبيعية للعين.

وفي أحدث أعمالهم، كشف الفريق عن نظام تصوير مدمج قادر على رسم خريطة لمحتوى الماء في القرنية في أقل من ثانية. يستخدم الجهاز مرآة متخصصة يمكنها الدوران بسرعة فائقة، وتوجيه شعاع من ضوء الترا هيرتز عبر السطح المنحني للعين. ومن خلال قياس الوقت الدقيق الذي يستغرقه الضوء للارتداد من نقاط مختلفة في القرنية، يمكن للنظام بناء خريطة مفصلة لخصائص الأنسجة. ولضمان بقاء الصورة حادة حتى لو تحركت العين قليلاً، يتضمن النظام ميزة تتبع ذكية؛ حيث يقوم باستمرار بتحليل الإشارات العائدة للكشف عما إذا كانت العين قد تحركت جانبياً أو للأمام والخلف، ثم يعدل موضع الماسح الضوئي فوراً للتعويض عن ذلك. وهذا يسمح للجهاز بالتقاط شبكة كاملة من نقاط البيانات تغطي مساحة واسعة من القرنية في غضض 0.8 ثانية فقط، وهي سرعة تجعل استخدامه عملياً على مريض حي ومتحرك.

لاختبار هذه التكنولوجيا، استخدم الباحثون أولاً نموذجاً مصنوعاً من عدسة لاصقة توضع فوق كرة معدنية، لمحاكاة انحناء العين. تركوا العدسة تجف طبيعياً مع وزنها باستمرار لتتبع كمية الماء التي فقدتها بدقة. وبينما كانت العدسة تجف، كان ماسح الترا هيرتز يلتقط صوراً كل دقيقة. وأظهرت النتائج علاقة واضحة ومباشرة بين كمية الماء المفقودة وقوة الإشارة المنعكسة بواسطة الماسح. ومع جفاف العدسة، تغير الانعكاس بطريقة يمكن التنبؤ بها. والأهم من ذلك، كشف الماسح أن عملية التجفيف لم تكن موحدة عبر العدسة؛ فقد جفت بعض المناطق بشكل أسرع من غيرها، مما خلق نمطاً معقداً من البقع الرطبة والجافة التي لم يكن بإمكان قياس الوزن البسيط اكتشافها. وقد أثبت هذا أن الماسح يمكنه رؤية الاختلافات المحلية في الترطيب، مما يوفر مستوى من التفاصيل تفتقده الطرق التقليدية.

ثم انتقل الفريق إلى اختبار أكثر تعقيداً باستخدام عيون خنزير حقيقية تم استخراجها من الحيوان. وُضعت هذه العيون على ميزان وسُمح لها بالجفاف بينما كان الماسح يلتقط صوراً كل بضع دقائق. تماماً كما في حالة العدسة اللاصقة، رصد الماسح ارتباطاً قوياً بين فقدان الماء والتغيرات في الإشارة المنعكسة. ووجد الباحثون أنه مقابل كل واحد بالمائة من الماء المفقود من العين، تنخفض قوة انعكاس الترا هيرتز بنسبة تقارب 0.7 بالمائة. تشير هذه العلاقة المتسقة إلى أن هذه التكنولوجيا يمكن استخدامها لقياس تغيرات الترطيب بدقة عالية. ومع ذلك، كشفت الصور أيضاً أن الماء لم يغادر العين بشكل متساوٍ؛ فقد جفت بعض أجزاء القرنية بشكل أسرع بكثير من غيرها، مما خلق نطاقات وبقعاً متميزة من مستويات الترطيب المختلفة. يسلط نمط التجفيف غير المنتظم هذا الضوء على قصور كبير في الممارسات الطبية الحالية: فقياس سمك القرنية في نقطة واحدة فقط في المركز قد يعطي صورة مضللة للصحة العامة للأنسجة، لأنه يغفل هذه الاختلافات المحلية الحرجة.

كما استكشفت الدراسة مدى قدرة الماسح على التمييز بين طبقات القرنية المختلفة. في نموذج العدسة اللاصقة، استخدم الباحثون تقنية رياضية لفصل الأصداء المرتدة من السطح الأمامي للعدسة عن تلك المرتدة من الخلف. سمح هذا برسم خريطة لكل من سمك العدسة وقدرتها على الانعكاس في آن واحد. واكتشفوا أنه مع جفاف العدسة، تغير سمكها وقدرتها على عكس الضوء بطرق لم تكن متزامنة تماماً. تشير هذه النتيجة إلى أن استخدام السمك وحده كبديل للترطيب قد يكون غير كافٍ، خاصة في الإعدادات السريرية حيث يحتاج الأطباء إلى فهم الحالة الحقيقية للأنسجة. إن القدرة على رؤية كل من الهندسة ومحتوى الماء في وقت واحد توفر صورة أغنى بكثير لما يحدث داخل العين.

وبينما أجريت التجارب على نماذج وعيون حيوانية، فإن النتائج تشير نحو مستقبل يمكن فيه للأطباء تقييم صحة القرنية في الوقت الفعلي دون لمس المريض. إن سرعة النظام وقدرته على تصحيح حركة العين تجعلانه مرشحاً قوياً للاستخدام السريري، مما قد يساعد في تشخيص حالات مثل "مرض فوش للقرنية" (Fuchs endothelial corneal dystrophy) أو مراقبة آثار ارتداء العدسات اللاصقة في وقت أبكر مما هو ممكن اليوم. ويؤكد الباحثون أنه بينما تعد هذه التكنولوجيا واعدة، إلا أن هناك حاجة لمزيد من العمل لتطوير عملية فصل الطبقات المختلفة للقرنية البشرية والتحقق من القياسات لدى البشر الأحياء. وفي الوقت الحالي، تعتبر هذه الدراسة بمثابة إثبات للمفهوم، حيث تثبت أنه من الممكن التقاط خريطة تفصيلية لترطيب القرنية في أقل من ثانية، وتحويل مشكلة بيولوجية معقدة إلى مجموعة بيانات بصرية واضحة يمكن أن تغير طريقة مراقبة صحة العين.