ماسح طبي

التلسكوب الراديوي المكوّن من آلاف الهوائيات يشبه أذنًا عملاقة تسمع السماء بأكملها في آنٍ واحد. لكن الأذن لا تستطيع رسم صورة: يجب ضرب الإشارات القادمة من كل زوج من الهوائيات، وفي مصفوفة من عشرة آلاف عنصر، يصل عدد الأزواج إلى خمسين مليونًا. المرابط التقليدي يفعل ذلك تمامًا، ويزداد تعقيده كمربع عدد الهوائيات.

الكرة الأرضية تقف على الطاولة، والمسطرة بجانبها: واحدة منحنية والأخرى مستقيمة. عاشت تلسكوبات الأشعة السينية لسنوات مع هذا التناقض. مراياها تجمع الضوء على سطح منحنٍ، مثل الكرة الأرضية، بينما الكواشف التي تلتقط هذا الضوء كانت مسطحة، مثل المسطرة. كان المهندسون يغطون السطح المنحني بفسيفساء من العديد من أجهزة الاستشعار المسطحة الصغيرة، متحملين الفجوات بينها وتعقيد البناء. الآن أمكن ثني المسطرة.

شعاع المجهر الإلكتروني عادةً يطير في الفراغ، مثل ساعي بريد على طريق سريع فارغ. أي جزيء هواء بالنسبة له هو مطبّ يقفز عنده ويفقد اتجاهه. لذلك، في السابق، لفحص عينة، كانوا يجمّدونها أو يجففونها أو يغطونها بمعدن — ومع ذلك كانوا ينظرون فقط في الفراغ. لكن الصدأ، وانصهار الزجاج، وتنفس المحفز، وحركة أرجل العث، كلها تحدث في الهواء، عند ضغط ودرجة حرارة قاتلين للمجهر العادي.

أشعة غاما هي أكثر أشكال الضوء طاقة في الكون، وهي إشعاع كهرومغناطيسي بأطوال موجية قصيرة للغاية. لكن جزءًا منها، متوسط القوة، ظل غير مرئي لفترة طويلة: لم تستطع الأجهزة التقاطه، فبقيت فجوة في السماء. يسميها العلماء "فجوة الميغا إلكترون فولت"، نسبة إلى وحدة الطاقة التي تحملها هذه الأشعة، وهي الميغا إلكترون فولت.

جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) هو جهاز يستخدم مجالًا مغناطيسيًا قويًا لدفع ذرات الهيدروجين في الجسم إلى الاصطفاف، ثم يسجل الإشارة الصادرة عنها. عادةً ما تشغل هذه الأجهزة غرفة كاملة وتكلف مثل منزل جيد. قرر مهندسون من عدة مختبرات صنع جهاز تصوير يمكن وضعه في حقيبة سفر، ونشروا جميع التصميمات في المجال العام.

لمدة ثلاثة أيام متتالية، ضرب الليزر نفثًا من الغاز، وفي كل ثانية وُلدت حزمة إلكترونات بطاقة تعادل طاقة برق صغير. في السابق، كانت هذه الحزم لا تُنتَج إلا في قاعات ضخمة حيث يشغل المسرّع مبنى بأكمله. الآن، الجهاز بأكمله يتسع في غرفة واحدة وعمل دون انقطاع لمدة 72 ساعة. السر يكمن في أن نبضة الليزر تضغط في الغاز موجة — مثل قارب يترك خلفه أثرًا.

يلتقط ملف جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) إشارة التردد الراديوي الصادرة عن ذرات الهيدروجين، تمامًا كما يلتقط هوائي إرسال محطة راديو بعيدة. لكن هذه الإشارة ضعيفة للغاية، وإذا أضاف المضخم ضوضاء خاصة به، تصبح الصورة النهائية محببة.

عندما يمر جسيم مشحون عبر قضيب شفاف من مادة وميضية (scintillator)، يترك ومضة ضوئية. داخل القضيب، تمدد ألياف بصرية رفيعة مثل الأوتار، تجمع هذا الضوء وتنقله إلى كاشف ضوئي. هكذا تعمل العديد من كاشفات الجسيمات منذ عدة عقود. المشكلة الكلاسيكية: دقة تحديد الموضع محدودة بالمسافة بين الألياف.

يقضي الطبيب سنوات في تعلم التعرف على الأمراض من صور الدماغ. في البداية، يرى علامات الشيخوخة بوضوح، ثم يتقن التعرف على الأورام — وفجأة يبدأ في الخلط بين ما كان يعرفه سابقًا. وهذا هو الحال تقريبًا مع العديد من الشبكات العصبية: المعرفة الجديدة تمحو القديمة. تُعرف هذه الظاهرة بالنسيان الكارثي (catastrophic forgetting) — عندما تفقد النماذج المدربة على مهمة جديدة دقتها في المهام السابقة.

الأوركسترا تعزف، لكن قائد الأوركسترا لا يسمع سوى الهمهمة العامة. كل آلة تعزف دورها، ولا يمكن تمييز أين الناي وأين الكمان الجهير. نحتاج إلى محلل طيف — جهاز يفكك الصوت إلى تردداته. في علم الفلك نفس المهمة: الغبار والغاز البينجمي البارد يشعان على موجات مليمترية ودون مليمترية، ولكي نفهم تركيبهما وحركتهما، علينا تفكيك هذا الضوء إلى طيف. الجهاز الجديد SWISS هو مثل هذا المحلل، لكن للضوء.

تعمل الكاميرا أحادية البكسل مثل رسام يرسم لوحته عبر استنسل مليء بالثقوب. في كل إطار، يصل إلى المستشعر الوحيد جزءٌ فقط من الضوء، معدَّلًا بواسطة قناع — وهو مُعدِّل ضوء مكاني (spatial light modulator) — ثم يعيد الكمبيوتر بناء الصورة الكاملة بتجميع هذا الفسيفساء عبر خوارزميات حسابية. في السابق، كان تسلسل الأقنعة ثابتًا: وكأن الرسام يستخدم دائمًا نفس الاستنسل دون أن يتأمل المشهد.

تلتقط عشرات الملفات النحاسية في الماسح الضوئي استجابة ضعيفة من الأنسجة، مثل ميكروفونات تحاول سماع همس في قاعة صاخبة. كل ميكروفون يسحب خلفه حزمة سميكة من الأسلاك. تضغط الأسلاك على بعضها البعض، وتسبب تداخلاً كهربائياً، وتسخن، وتضيف خطراً على المريض. اقترحت مجموعة من الباحثين استبدال "كتلة النحاس" بألياف بصرية.

القلب أحياناً يخرج عن إيقاعه — مثل أوركسترا تبدأ فيها آلات الكمان فجأة بالعزف كلٌّ على هواه. في مثل هذه الحالات، يبحث أطباء القلب عن المناطق «الخارجة عن النغمة» من خلال قراءة الإشارات الكهربائية للقلب، ويكوونها بدقة باستخدام مسبار رفيع — القسطرة. لكن هناك إزعاج: أداة الاستماع (الخريطة الكهربائية) وأداة الكي هما قسطرتان مختلفتان، ويجب إدخالهما إلى القلب بالتناوب عبر الأوعية الدموية. حركات زائدة، ووقت إضافي.

في طبق بتري صغير — قطرة سائل بحجم رأس الدبوس. التصوير المقطعي العادي لن يلاحظها: الإشارة ضعيفة جدًا. لكن عند تقريب حساس صغير للمجال المغناطيسي من القطرة، يتغير المشهد. وضعت مجموعة من الباحثين مقياس مغناطيسية تجاريًا مضخوخًا بصريًا (جهاز يقرأ فيه الليزر اهتزازات الذرات في أبخرة معادن قلوية) بجوار العينة مباشرة. لا ملفات وسيطة — فقط تلامس مباشر.

في كل ثانية، تمر عبر جسم الإنسان حوالي مئة جسيم غير مرئي تُعرف بالميونات. تولد هذه الجسيمات عاليًا في السماء عندما تصطدم الأشعة الكونية بذرات الهواء، ثم تهطل كالمطر على الأرض. هذه الجسيمات شديدة الاختراق لدرجة أنها تستطيع عبور مبنى متعدد الطوابق، لكنها تنحرف قليلًا عند مواجهة مادة كثيفة، مثل الرصاص أو اليورانيوم.

مصوّر يلتقط صورة لعدّاء بتعريض طويل — فيحصل على شكل ضبابي. هكذا تقريبًا يرى جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدي الأعضاء المتحركة: القلب ينقبض، والرئتان تتنفسان، فتصبح الصورة مشوشة. لتجنب ذلك، يُطلب من المريض أن يتجمد ويحبس نفسه. لكن بالنسبة لطفل أو شخص يعاني من ضيق التنفس، يكاد يكون هذا مستحيلًا. طريقة تُدعى GRASP تحل المشكلة بشكل مختلف.

المشهد مضاء بالأضواء الكاشفة، لكن الأحداث الأكثر إثارة تجري في الظل — حيث تختبئ جزيئات غير مرئية للعين. الكاميرا الجديدة تلتقط حرارة هذه «الكائنات الخفية» وتحولها إلى ضوء عادي. تعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة — المنطقة التي يترك فيها كل جزيء، سواء كان ثاني أكسيد الكربون أو بخار الماء، بصمة ضوئية فريدة، مثل توقيع على وثيقة.

عند الحاجة إلى فحص الدماغ من الداخل، عادةً ما يُوضع الشخص في أنبوب ضيق لجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي أو يُعرَّض لأشعة الكمبيوتر المقطعي. كلتا الطريقتين مكلفتان وضخمتان وغير متاحتين دائمًا. درس المهندسون بديلًا — وهو رادار يرسل نبضات راديوية ضعيفة ويلتقط انعكاساتها من طبقات الأنسجة المختلفة.

الضوء يحتاج إلى مساحة. عدسة الكاميرا تبعد عن المستشعر عدة سنتيمترات حتى يتسنى للأشعة أن تتركّز. والآن، تم ضغط هذه المسافة إلى سُمك ورقة، ومع ذلك يظل الضوء يتصرف وكأنه قطع سنتيمتراته المعتادة. هذا بالضبط ما تفعله "الصفائح المكانية" (spaceplates) — عناصر مسطحة تحاكي مسار الضوء الحر. حتى الآن، كانت لهذه الصفائح خاصية مزعجة: كلما زاد ضغط المساحة، ضاق مجال الرؤية.

المصباح اليدوي ينشر الضوء في بقعة عريضة، بينما الليزر يطلق شعاعًا ضيقًا يلتقط أدق التفاصيل. في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، يلعب التدرج دور هذا الشعاع — وهو تغير سريع في المجال المغناطيسي على طول الجسم. وكلما كان التباين أكثر حدة، أمكن تتبع حركة جزيئات الماء في الأنسجة بدقة أكبر.

يزيل الجراح ورم الثدي، ولكن كيف يعرف أنه لم تبقَ أي خلية سرطانية على الحافة؟ حاليًا، يُرسل النسيج إلى المختبر، ويأتي الجواب بعد عدة أيام. إذا كانت الحافة غير نظيفة — يلزم إجراء عملية ثانية. الطريقة الجديدة تعد بإعطاء الجواب مباشرة في غرفة العمليات، بينما لا تزال المريضة على الطاولة. يعمل الجهاز مثل «مصباح» بالموجات الميكروية: يضيء قطعة النسيج المستأصلة بإشعاع غير مرئي، وبكسل واحد فقط يلتقط الإشارة المنعكسة.

يضرب الليزر قطعة صخرية من كوكب آخر. يتبخر الحجر، ويلتقط الجهاز الجسيمات المتطايرة ويفرزها حسب وزنها. هكذا تعمل مطيافية الكتلة بالتأين بالليزر (laser ionization mass spectrometry) — وهي طريقة قد تجيب على السؤال الأهم في علم الأحياء الفلكي: هل توجد حياة خارج الأرض؟ يستطيع الجهاز النظر داخل الصخر طبقة تلو الأخرى، مثلما يزيل عالم الآثار طبقات التربة.

الإصبع حساس حي: تحت الجلد تنبض الشرايين بإيقاع القلب. أجهزة قياس الضغط التقليدية تضغط على الذراع وتعطي رقمًا واحدًا، أما هذا الخاتم المزود بثمانية أقطاب فيمرر تيارًا ضعيفًا، ومن طريقة مروره عبر الأنسجة يرسم صورة لتدفق الدم. وكأنك ترى نهرًا تحت الجليد: التيار يلتف حول العوائق ويُظهر أين يتدفق أسرع. يضم الخاتم 32 قناة، وكأنها 32 نافذة صغيرة على الأوعية الدموية.

البحث عن نقطة مضيئة مفردة في عينة مظلمة يشبه محاولة إيجاد إبرة في كومة قش: شعاع المجهر يزحف سطرًا بعد سطر، مضيِّعًا الوقت والضوء. استبدل الفيزيائيون هذا المسح البطيء بأنماط ضوء عشوائية. تُضاء العينة بحقل واسع في كل مرة، لكن بنمط جديد من البقع المضيئة والمظلمة، كما لو كانت تُسقط عليها ظلال عشوائية من شبكة. تسجّل الكاميرا كمية الضوء القادمة من المساحة كلها، ثم يجمع الخوارزم الصورة من هذه الشظايا.

كومة من الورق: إذا كانت الأوراق مكدسة بدقة فوق بعضها، يمر الضوء عبرها بشكل متساوٍ. لكن بمجرد إدارة ورقة بضع درجات، يتغير المشهد. هذا ما تفعله الطبقات في بعض المواد تقريبًا: أدرها بالنسبة لبعضها البعض — فتتغير الخصائص، وأحيانًا بشكل جذري. التحليل الطيفي لا علاقة له بالأمر — أو بالأحرى، ليس هو الأسلوب المستخدم. بنى العلماء جهازًا أطلقوا عليه اسم المجهر الكمومي للّف.

تستمر ومضة الليزر بضع فيمتو ثوانٍ (femtoseconds) – وكأن لحظة واحدة قُسّمت إلى مليون جزء. في هذه الومضة، تمتزج ألوان متعددة معاً، من الأحمر إلى البنفسجي. الأجهزة التي تقيس شكل الومضة كثيراً ما تخطئ: فهي ترى بعض الألوان جيداً وبعضها الآخر بشكل سيئ. ولهذا السبب، تكون الصورة الناتجة غير واضحة. يقترح مؤلفو المقال حلاً بسيطاً. يُمرَّر ضوء الومضة عبر مرشحات ملونة، مثل الزجاجات الملونة.

الإلكترون الواحد في مجال مغناطيسي يشبه قمة دوّارة صغيرة تدور وتصدر «صريرًا» ضعيفًا بترددها الخاص. يكاد يكون من المستحيل سماع هذا الصرير مباشرة: فهو يغرق في الضوضاء. ابتكر العلماء رنانًا — شريطًا ميكروويفيًا فائق التوصيل يعمل مثل شوكة رنانة مضبوطة على نفس النغمة. عندما يقترب الإلكترون، يجعل صريره الشوكة الرنانة تصدر صوتًا أعلى، فيصبح الإشارة ملحوظة.

الكاميرا التي تبحث عن الأورام تعمل مثل كاميرا فوتوغرافية حساسة للغاية: فهي تلتقط توهجًا خافتًا من مادة تتراكم في الخلايا المريضة. في الأجهزة التقليدية، يولد الضوء داخل بلورة — قطعة صلبة تشبه الزجاج. لكن البلورة لا تنقل دائمًا بدقة مكان انبعاث الضوء، فتصبح الصورة ضبابية قليلًا. الفكرة الجديدة هي استبدال البلورة بالزينون السائل. وهو سائل شفاف يتوهج ذاتيًا عند اصطدام جسيم ضوئي به.

في المستشفى، عادةً ما تُرسل عينة الدم من الإصبع إلى المختبر، ويعود النتيجة بعد يوم كامل. الطريقة الجديدة تعد بتقليص هذه الرحلة إلى بضع دقائق. فبدلاً من التقاط الضوء المنعكس من العينة، تقرأ الجهد الكهربائي الناشئ عند الحدود بين وسطين — مثل الوخز الخفيف عندما تلمس بطارية بأصابع مبللة. وتبين أن هذه الإشارة مستقرة ودقيقة بشكل مدهش. اختبر الباحثون الطريقة على أنواع مختلفة من التحاليل.

الميكروبلاستيك — شظايا صغيرة من البوليمرات الاصطناعية — يُكتشف اليوم في كل مكان: من الأنهار الجليدية الجبلية إلى المواد الغذائية. النهج التحليلي التقليدي، التحليل الطيفي، الذي يعتمد على تفاعل الضوء مع المادة، تطلب لفترة طويلة كواشف باهظة الثمن لتسجيل الأشعة تحت الحمراء غير المرئية.

ضبط جهاز الراديو على المحطة المفضلة هو بحث عن التردد الصحيح وسط الضوضاء. الجهاز الجديد يفعل الشيء نفسه، لكن لموجات يبلغ طولها نحو ثلاثة مليمترات. تأتي هذه الموجات من مجرات بعيدة، وربما من جسيمات المادة المظلمة. الجهاز عبارة عن نمط من مسارات نايوبيوم فائقة التوصيل على صفيحة سيليكون. كل مسار يتردد عند تردده الخاص، مثل وتر الغيتار على نغمته.

جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) التقليدي عبارة عن مغناطيس ضخم لا يمكن تحريكه، وحاسوب قوي يحول الإشارات الصادرة من الجسم إلى صورة. في السنوات الأخيرة، ظهرت أجهزة تصوير مقطعي محمولة ذات مجال مغناطيسي أضعف: فهي خفيفة الوزن، وغير مكلفة، ويمكن استخدامها في مستشفى ميداني أو في سيارة إسعاف.

في حالات الصرع، يحدد الطبيب جرعة الدواء شبه عشوائيًا. الجرعة القليلة جدًا تعني استمرار النوبات، والكثيرة جدًا تؤدي إلى آثار جانبية. عادةً، تُرسل عينة دم المريض إلى المختبر، وتصل النتيجة بعد يوم أو يومين. أما الآن، فيمكن إجراء نفس التحليل على رقاقة سيليكونية صغيرة. يعمل المستشعر مثل أنف حساس للغاية. تُضاء قطرة الدم المجففة بشعاع تحت أحمر، وتمتص جزيئات الدواء الضوء عند طول موجي خاص بها.

إبرة صغيرة تنزلق فوق السطح، مثل إصبع يمر على صفحة مكتوبة بطريقة برايل. هكذا يعمل المجهر المسحي النفقي: فهو يتحسس التضاريس المصنوعة من الذرات ويحول التعرجات إلى صورة. ولكن عندما نحتاج إلى إضافة مجال مغناطيسي، يصطدم التصميم بالجدار. عادةً ما يكون المجال عموديًا على السطح، مثل المطر الذي يسقط عموديًا من الأعلى.

عادةً ما يرتبط تصوير أشعة إكس بجهاز ضخم في المستشفى. لكن مثل هذه الصورة يمكن أن يلتقطها جهاز بحجم كف اليد، مصنوع من مكونات إلكترونيات الهواة. مؤلفو العمل استخدموا حاسوبًا مصغّرًا Raspberry Pi، وكاميرا بدقة 12.3 ميغابكسل، وشاشة تتوهج تحت أشعة إكس. المبدأ بسيط: أشعة إكس غير المرئية تصطدم بالشاشة المغطاة بمادة تحوّلها إلى ضوء عادي.

كل شهيق وزفير يزيح الأعضاء الداخلية عدة سنتيمترات. بالنسبة لجهاز الرنين المغناطيسي الذي يلتقط صورًا للبطن، فإن هذا يشبه تصوير عدّاء بسرعة غالق بطيئة — فالصورة تظهر ضبابية. لطالما عرف الأطباء كيفية التعامل مع هذه المشكلة: يطلبون من المريض حبس أنفاسه أو يلتقطون سلسلة من اللقطات السريعة بين الأنفاس. هذه الطرق بسيطة لكنها فعّالة.

قطرتان من السائل تتدليان جنبًا إلى جنب وتبدآن بالترنيم بتناغم. القطرة الواحدة تشبه وترًا مضبوطًا على نغمة معينة، ومعًا تشكلان ليزرًا يضيء بلون نقي واحد فقط. هكذا يعمل نوع جديد من المستشعرات — الجزيء الضوئي السائل. السر يكمن في أن القطرتين مختارتان بحجمين مختلفين قليلًا. موجات ضوئهما تتراكب فوق بعضها مثل أسنان مشطين بمسافات مختلفة: تتطابق بعض الأسنان فقط، ويبقى شعاع ساطع واحد.

صورة الأشعة السينية للبطارية تشبه صورة فوتوغرافية من خلال زجاج ضبابي: التفاصيل الدقيقة تندمج في بقعة رمادية. السبب هو قيد الكاشف نفسه، الذي لا يميز التفاصيل الأصغر من بكسله. اقترح المهندسون تجاوز هذا الحاجز بإضاءة العينة ليس بشعاع منتظم بل بنمط مخطط. تعمل الخطوط كاستنسل: فهي تنقل معلومات حول البنى الدقيقة إلى أجزاء الصورة التي يراها الكاشف جيدًا.

عندما يؤلمك ظهرك، يطلب منك الطبيب أن تنحني للأمام والخلف ليرى كيف تتحرك الفقرات. عادةً ما تُستخدم سلسلة من صور الأشعة السينية لهذا الغرض: فهي تُظهر الحركة، لكن فقط في مستوى واحد، مثل ظل على الحائط. أما الطرق ثلاثية الأبعاد، مثل التصوير المقطعي المحوسب، فلا تستطيع مواكبة الحركة.

المصور يصور عداءً: لكي لا تظهر الصورة مهزوزة، يحتاج إلى سرعة غالق قصيرة. ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي هو نفس المصور، لكن "سرعة الغالق" لديه طويلة: خلال هذه المدة، تتغير العضلة. لذلك، التصوير بالرنين المغناطيسي الديناميكي (سلسلة من اللقطات الحجمية أثناء الحركة) مهمة صعبة: البيانات قليلة، والحركة لا تنتظر.