طيف الخواص البصرية داخل الجسم في خمسة مواقع على عشرة أفراد باستخدام البصريات المشتتة زمنياً

إسقاط الضوء عميقاً داخل الجسم

يستخدم الباحثون الطبيون الضوء أكثر فأكثر بدلاً من الأشعة السينية للاقتراب من ما تحت الجلد وتتبع ما يحدث داخل أجسامنا. لكن لتحويل الضوء إلى أداة تشخيصية موثوقة، يحتاج العلماء أولاً إلى معرفة بالضبط كيف تمتص الأنسجة الضوء وتبعثره. يقدم هذا المقال مجموعة بيانات غنية ومفتوحة تُرسم فيها طرق انتقال الضوء عبر الأنسجة البشرية الحية في عدة مواقع بالجسم، ممهِّدَة الطريق لاختبارات وعلاجات بصرية أكثر أماناً ودقة.

لماذا الضوء أداة طبية قوية

بين الضوء الأحمر والقياسات القريبة من تحت الأحمر يوجد «منطقة مريحة» حيث يمكن للضوء اختراق السنتيمترات داخل الأنسجة دون أن يُمتص بالكامل. يُستخدم هذا النطاق بالفعل في أجهزة تراقب أكسجة الدماغ أو توجه علاجات الليزر. ومع ذلك، تأتي معظم القياسات الحالية لِـ "الخواص البصرية" للأنسجة من قطع نسيجية مُختبرة خارج الجسم، أو من حيوانات، أو من تجارب صغيرة ومجزأة. وهذا يصعّب تصميم أجهزة جديدة، أو مقارنة الدراسات، أو احتساب الاختلافات الطبيعية بين الأشخاص. سعى المؤلفون لملء هذه الفجوة بمجموعة بيانات معيارية داخل الجسم يمكن لأي شخص استخدامها.

كيف جُمعت القياسات

استخدم الفريق تقنية تُسمى مطيافية البصريات المشتتة في نطاق الزمن. أطلقوا نبضات ضوئية فائقة القصر داخل الجسم عبر مسبار محمول باليد وقاسوا المدة التي استغرقها الفوتونات المتشتتة للعودة. تكشف شكلة منحنى "زمن الطيران" هذا مدى امتصاص النسيج للضوء ومقدار تشتته. قِيست عشرة متطوعين أصحاء، يختلفون في العمر والجنس ولون البشرة وبنية الجسم، في خمسة مواقع: الجزء العلوي من الذراع، الساعد فوق عظمي الزند والكعبرة، البطن، الجبين، وعظم الكعب (العظم الإسفلتي). لكل موقع سُجل الضوء عند 51 طول موجي من 610 إلى 1110 نانومتر مرتين (مع إعادة وضع المسبار) وثلاث مرات لكل موضع، بينما أُخذت صور بالموجات فوق الصوتية في نفس النقاط لإظهار التشريح الكامن تحت السطح.

تحويل توقيتات الفوتونات إلى خرائط نسيجية

لترجمة أزمنة وصول الفوتونات الخام إلى معلومات ذات فائدة طبية حيوية، طابق المؤلفون كل منحنى زمن‑الطيران مع نموذج فيزيائي مجرَّب جيداً لانسياب الضوء في وسائط مشتتة. سمح ذلك بتقدير رقمين أساسيين عند كل طول موجي: مدى فقدان الضوء بالامتصاص، ومدى قوته في التشتت. أُنجزت المعالجة بعناية لتجنّب الضوضاء والتشوهات، وتمت مطابقة النظام مع "شبحيات" سائلة ذات خواص معروفة ومع مقاييس أداء دولية. تتضمن مجموعة البيانات النهائية، المستضافة على Zenodo، الملفات الخام غير المُعدلة، والبيانات الوصفية التي تربط كل ملف بالمشارك وموقع الجسم، ومخرجات تحليل مثالية، وأدوات جاهزة للاستخدام بلغة بايثون وMATLAB لقراءة ورسم البيانات.

ما تكشفه البيانات عن الأجسام الحقيقية

تُظهر الأطياف الناتجة كيف تترك الماء والدهون والدم والبروتينات الهيكلية كلٌ بصمته المميزة في أجزاء مختلفة من الجسم. على سبيل المثال، تُظهر قياسات البطن لدى المشاركين ذوي مؤشر كتلة الجسم الأعلى إشارات أقوى من الدهون عند الأطوال الموجية التي تمتص فيها الدهون كثيراً، بينما تُظهر الأطياف لدى المشاركين الأنحف طيفاً تغلب عليه إشارات الماء. تشترك المناطق الغنية بالعظم مثل الساعد والكعب في ميزات طفيفة ربما ترتبط بالكولاجين في العظم، أما الجبين الذي يحوي القليل من تخزين الدهون فيهيمن عليه توقيعات الماء والدم. بمقارنة القياسات المتكررة في نفس المكان مع الاختلافات بين الأشخاص، يُبيّن المؤلفون أن التباين البيولوجي الطبيعي بين الأشخاص أكبر بكثير من ضوضاء الآلة نفسها، مما يبرز أهمية مراعاة التنوع البيولوجي عند تصميم أدوات بصرية تشخيصية.

أساس لطب مستقبلي قائم على الضوء

بشكل يومي، يُشبه هذا المشروع بناء خريطة طريق مفصَّلة لكيفية انتقال الضوء عبر الجسم. يمكن لأي شخص يصمم ماسحاً بصرياً جديداً، أو يختبر نظرية حول حركة الفوتونات في النسيج، أو يدرب نظام ذكاء اصطناعي لتفسير الإشارات البصرية أن يبدأ الآن من بيانات بشرية دقيقة ومفتوحة بدلاً من التخمين. من خلال جمع قياسات مُحقَّقة بعناية، وصور فوق صوتية، وأدوات تحليل شفافة، توفّر مجموعة البيانات مرجعاً مشتركاً يجب أن يسرِّع تطوير طرق غير غازية قائمة على الضوء لاكتشاف الأمراض، ومراقبة الصحة، وتوجيه العلاج.

الاستشهاد: Damagatla, V., Karremans, S., Bossi, A. et al. In-vivo optical properties spectra across five body locations on ten subjects using time-domain diffuse optics. Sci Data 13, 261 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06586-9

الكلمات المفتاحية: بصريات الأنسجة, الضوء القريب من تحت الأحمر, التصوير غير الغازي, بيانات طبية حيوية مفتوحة, هجرة الفوتون