ابتكر مهندسون وأطباء أداةً تعمل بالموجات فوق الصوتية قابلة للارتداء يمكنها تقييم بنية قلب الإنسان ووظيفته. يمكن ارتداء هذه الأداة، ذات حجم طابع البريد، لمدة تصل إلى 24 ساعة وتعمل حتى أثناء ممارسة تمارين شاقة.

يقول رئيس المشروع دكتور شينج اكسو، أستاذ الهندسة النانوية في جامعة كاليفورنيا، سان دييجو: “تهدف هذه الأداة إلى إتاحة التصوير بالموجات فوق الصوتية إلى أكبر عدد من الناس”.  يتطلب مخطط صدى القلب، أو فحص القلب بالموجات فوق الصوتية حاليًا، تقنيات فعالة ومدرّبة وآلات ضخمة.

يتابع دكتور اكسو قائلًا: “ستساعد هذه التقنية أي شخص على استخدام التصوير بالموجات فوق الصوتية أثناء الحركة”.

وبفضل خوارزميات الذكاء الاصطناعي، فهذه الأداة قادرة على قياس كمية الدم التي يضخها القلب.  وهو أمر مهم لأن القلب لا يضخ الدم بالقدر الكافي في معظم أمراض القلب والأوعية الدموية. كما تظهر المشاكل في وظيفة القلب أثناء حركة الجسم فقط عادةً.

نُشِر هذا العمل في دورية Nature.

يعد تصوير القلب أداة سريرية ضرورية لتقييم حالة القلب على المدى الطويل، لاكتشاف المشاكل فور ظهورها ورعاية الحالات الحرجة. تقدم هذه الأداة المراقِبة للقلب القابلة للارتداء غير الجراحية، معلومات تلقائية عن نشاط ضخ القلب الذي يصعُب تصويره، حتى أثناء ممارسة الشخص للتمارين الرياضية.

يستخدم نظام مراقبة القلب القابل للارتداء الموجات فوق الصوتية لالتقاط صور مستمرة لغرف القلب الأربعة من زوايا مختلفة، وكذلك تحليل مجموعة الصور الفرعية المرتبطة سريريًا في الوقت الصحيح باستخدام تكنولوجيا ذكاء اصطناعي مخصصة. وهو يكمل إنجازات الفريق السابقة في تقنيات تصوير الأنسجة العميقة القابلة للارتداء.

أوضح دكتور اكسو: “مع المخاطر المتزايدة لأمراض القلب، وجَبَ التفكير في إجراءات مراقِبة شاملة وأكثر تطورًا. وبتقديم معلومات كاملة إلى المرضى والأطباء، تهدف مراقبة تصوير القلب المستمرة في الوقت الصحيح إلى تقديم صورة مثالية عن القلب وتغيير نمط تشخيصه”.

وعلى الجانب الآخر، تقدم الطرق غير الجراحية المتاحة إمكانات وبيانات محدودة. توفر تلك التقنية المتطورة التي ابتكرها فريق دكتور سو تصويرًا آمنًا وعالِ الجودة للقلب دون جراحة، للحصول على صور  مكانية وزمانية عالية الدقة وواضحة التباين. أشار دكتور هاو هوانج، طالب الدكتوراه في فريق دكتور اكسو في جامعة كاليفورنيا في سان دييجو  أنها تقلل من تعب المرضى وتتغلب على القيود التي تفرضها عليهم التقنيات غير الجراحية مثل التصوير المقطعي، الذي قد يعرّض المرضى للإشعاع.

يعد التصميم الفريد للمستشعر مثاليًا لجسم الإنسان أثناء الحركة، وأوضح دكتور ساواسيانج جاو، الباحث السابق في مجموعة دكتور اكسو في جامعة سان دييجو ذلك الأمر بقوله: “يمكن لهذه الأداة الاتصال بالصدر بأقل قدر من الضغط أثناء الحركة، لتقدم تسجيلًا مستمرًا لنشاط القلب قبل ممارسة التمارين الرياضية وأثناء ممارستها وبعدها”.

أهمية تصوير القلب

إن مرض القلب هو السبب الرئيسي لوفاة كبار السن، وقد أصبح أكثر انتشارًا بين الأصغر عمرًا بسبب أسلوب الحياة المتبع. ولأن علامات الإصابة بأمراض القلب مؤقتة ويصعُب التنبؤ بها، فمن الصعب اكتشافها. مما أدى إلى زيادة الحاجة إلى تقنيات أكثر تطورًا وشاملة وغير جراحية وقليلة التكلفة مثل تصوير القلب طويل الأمد، ومنها هذه الأداة القابلة للارتداء.

يعد تصوير القلب واحدًا من أقوى الأدوات للكشف على القلب وتشخيص مشاكله البسيطة قبل أن تتحول إلى مشاكل أكبر. يقول دكتور هونجي هو، باحث ما بعد الدكتوراه في معمل دكتور سو في سان ديجو، وأول باحث للدراسة: “يمر القلب بكل أنواع الاعتلالات، ويوضح تصويره المشاكل الحقيقية. فتصويره أولاً بأول يبين الصورة الكاملة للقلب بوضوح، سواء أدى هذا الانقباض القوي والطبيعي لغرف القلب إلى تغيرات في حجمهم، أو حدثت أي مشكلة في بنية القلب أدت إلى حالة طارئة”.

آلية عمل هذه الأداة

يجمع النظام الجديد المعلومات عبر لاصقة قابلة للارتداء تشبه في نعومتها جلد الإنسان، مصممة لتلتصق بالجلد بقوة. يبلغ طول هذه اللاصقة 1.9 سم، وعرضها 2.2 سم، وسمكها 0.09 سم. ترسل هذه الأداة موجات فوق صوتية وتستقبلها، التي تستخدم بدورها لتوليد مسار مستمر لنحصل في النهاية على صور لبنية القلب أولاً بأول.

يتمكن النظام من فحص البطين الأيسر للقلب على شكل صور منفصلة ثنائية الاتجاه باستخدام الموجات فوق الصوتية، لنحصل على صور مفيدة سريريًا أكثر من وسائل الفحص السريري المعقدة السابقة التي لا يمكنها المساعدة في تصوير القلب أثناء ممارسة التمارين الرياضية.

يتسم أداء القلب بالعوامل الثلاث التالية: حجم الدفقة (أي حجم الدم الذي يضخه القلب مع كل دقة)، والكسر القذفي (معدل الدم الذي يضخه القلب من البطين الأيسر مع كل دقة)، والنتاج القلبي (كمية الدم التي يضخها القلب في الدقيقة).

ابتكر فريق دكتور سو قاعدة لتسهيل المعالجة التلقائية المستمرة القائمة على الذكاء الاصطناعي.

أوضح دكتور موهان لي، طالب الماجستير في فريق دكتور سو في جامعة كاليفورنيا في سان دييجو: “يقسِّم نموذج التعلُّم العميق شكل البطين الأيسر تلقائيًا بعد التصوير المستمر، إذ يفصل حجم القلب لقطة بعد لقطة لنحصل على موجات لقياس حجم الدفقة والنتاج القلبي والكسر القذفي”.

كما يقول دكتور روسيانج كي: “تشمل مكونات الذكاء الاصطناعي نموذج التعلم العميق لتقسيم الصورة؛ وهي قاعدة تستخدم لحساب حجم القلب، وخوارزمية لاحتساب البيانات”. ويكمل قائلًا: “نستخدم هذا النموذج التعليمي للأداة لحساب حجم القلب وفقًا لشكل قطاع البطين الأيسر ومساحته. وهو أول ما يُصنِّف في أدوات التصوير بالموجات الصوتية القابلة للارتداء. إذ تتمكن هذه الأداة من توفير موجات دقيقة ومستمرة لمؤشرات القلب الأساسية في مختلف الأوضاع الجسدية، ويشمل ذلك حالة الثبات وما بعد الحركة، وهو شيء فريد من نوعه لم يحدث من قبل”.

يتميز جهاز الاستشعار الذي يعمل بالموجات الصوتية بالمرونة، مما يسمح له بتقديم تسجيل مستمر لنشاط القلب قبل ممارسة التمارين الرياضية أو الحركة أو أثناءها أو بعدها. 

لذلك يمكن أن تقدم هذه التقنية منحنيات للمؤشرات الثلاث باستمرار دون تدخل جراحي، لأن مكونات الذكاء الاصطناعي تعالج الصور دوريًا للحصول على الأرقام والمنحنيات.

وقد واجه الفريق بعض التحديات التقنية التي تتطلب اتخاذ قرارات دقيقة للبدء باستخدام هذا البرنامج. ولإنتاج هذه الأداة القابلة للارتداء نفسها، استخدم الباحثون مكون 1-3 كهروضغطي مع دعم اي جي ايبوكسي كمادة للمحولات في جهاز التصوير بالموجات فوق الصوتية، مما يقلل من الخطر ويحسِّن الكفاءة أكثر من الطرق السابقة. فأثناء اختيار تكوين الانتقال لمصفوفة المحول، حققوا نتائج رائدة من خلال النقل المركب واسع الشعاع. كما اختاروا نموذج (FCN-32)، من بين تسعة نماذج شهيرة لتقسيم الصور القائم على الآلات، مما حقق أدق النتائج الممكنة.

وفي هذه السلسلة الحالية، تتصل اللاصقة بجهاز كمبيوتر عبر كابلات لتتمكن من تحميل البيانات آليًا أثناء وضع اللاصقة. طوَّر الفريق دائرة لاسلكية للاصقة، التي ستُغَطَّى في الإصدارات اللاحقة.

الخطوات المستقبلية

يخطط دكتور اكسو إلى التسويق لهذه التقنية من خلال موقع سفتونيك؛ وهي شركة تابعة لجامعة كاليفورنيا في سان دييجو والتي أسسها مع المهندس شو يانج. كما يشجِّع الآخرين في مجتمعه العلمي باتباعه ومتابعة العمل على نقاط بحثه التي تتطلب اكتشافًا أعمق.

لمتابعة هذه النتائج، يوصي اكسو بالخطوات المباشرة التالية:

• التصوير بنظام بي، الذي يوفر إمكانيات تشخيصية تشمل أعضاء الجسم المختلفة.
• تصميم المصور الناعم، الذي يسمح للباحثين بالحصول على مجسات المحولات التي تغطي العديد من المواضع في نفس الوقت.
• تصغير النظام الخلفي الذي يشغل المصور الناعم.

• العمل على بناء نموذج تقني عام للتعليم يناسب مناطق أكثر من الجسم.

المصدر: https://medicalxpress.com

 ترجمة: سهير محمد

مراجعة وتدقيق: زينب محمد