پزشکی هسته ای

اندازه‌گیری حجم تنفسی ریه‌ها برای ارزیابی وضعیت بیمار و تشخیص تعدادی از بیماری‌هایی که راه‌های هوایی را مسدود می‌کنند، مهم است. با این حال، رویکردهای فعلی برای اندازه‌گیری حجم ریه، اطلاعاتی در مورد تغییرات حجمی موضعی در ریه ارائه نمی‌دهند و نمی‌توان آن را برای نوزادان تازه متولد شده یا بیماران تحت بیهوشی استفاده کرد.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، دانشمندان در ایرلند یک روش نوری به نام گاز را در طیف‌سنجی جذبی پراکنده رسانه (GASMAS) آزمایش کرده‌اند که نه از یک ریه واقعی، بلکه از یک مدل بافت ریه یا "فانتوم" استفاده می‌کند (J. Biomed. Opt., doi: 10.1117). /1.JBO.27.7.074707). فانتوم مصنوعی به دانشمندان این امکان را داد که تغییرات حجمی را در طول یک فرآیند تنفسی اندازه‌گیری کنند و به گفته نویسندگان مطالعه، پتانسیل GASMAS را در کلینیک نشان دهند.

از تابش نور تا غلظت گاز

سیستم تنفسی انسان که ساختار پیچیده ای از ماهیچه ها و سایر بافت هاست، نقش های اساسی بسیاری از جمله استنشاق هوای حاوی اکسیژن و بازدم دی اکسید کربن و رساندن اکسیژن به سلول ها ایفا می کند. تشخیص به موقع هرگونه نقص سیستم مهم است.

با این حال، تشخیص همیشه آسان نیست. روش‌های توسعه‌یافته قبلی، مانند اسپیرومتری و پلتیسموگرافی، مستلزم آن است که بیماران به طور فعال در طول آزمایش تنفس و تنفس کنند. این باعث می شود که آزمایش ها برای نوزادان تازه متولد شده یا برای بیمارانی (مانند کسانی که تحت بیهوشی عمومی هستند) که بیهوش هستند نامناسب باشد.

آندریا پاچکو از مؤسسه ملی تیندال و دانشگاه کالج کورک، ایرلند و همکارانش می‌خواستند با اندازه‌گیری تغییرات حجم گاز در ریه‌ها به طور غیرمستقیم بر اساس ویژگی‌های پراکندگی نوری و جذب، ببینند که آیا تکنیک GASMAS می‌تواند این مشکلات را پشت سر بگذارد. GASMAS نه تنها غیر تهاجمی است، بلکه می تواند سیگنال های جذب گازها را در پس زمینه سیگنال های ارگان های اطراف ریه ها تشخیص دهد.

این تیم از دو منبع نوری مختلف برای آزمایش استفاده کردند: 760 نانومتر برای باند جذب O2 و 820 یا 935 نانومتر برای H2O. از آنجایی که غلظت H2O شناخته شده است (به عنوان رطوبت نسبی در داخل سیستم تنفسی انسان در 100٪ نگه داشته می شود)، با اندازه گیری شدت نور پراکنده، تیم می تواند طول مسیر نور را با استفاده از معادله Beer-Lambert محاسبه کند. و با متصل کردن طول مسیر محاسبه شده به معادله شدت سیگنال های نور برای O2، تیم می تواند غلظت O2 را نیز دریابد.

یک فانتوم بهتر

اما قبل از اینکه GASMAS بر روی بیماران واقعی استفاده شود، این روش باید روی افراد غیر انسانی آزمایش می شد. این همان جایی است که فانتوم بافت وارد می شود. پاچکو و همکارانش قبلاً یک ناحیه کامل قفسه سینه یک نوزاد تازه متولد شده را با استفاده از فانتوم های نوری مختلف ساخته بودند تا امکان سنجی GASMAS را بر روی بدن انسان آزمایش کنند. اما این مدل آناتومی ریه را در مقیاس آلوئول ها - کیسه های هوایی کوچکی که در آنها تبادل اکسیژن و دی اکسید کربن در خون انجام می شود - در نظر نمی گرفت - و بنابراین، نمی توانست میزان دقیق GASMAS را مشخص کند. قادر به تشخیص تغییرات حجم تنفس در ریه ها باشد.

برای مطالعه جدید، تیم یک فانتوم با ساختار مویرگی ساخته شد که با اندازه آلوئول های ریه انسان مطابقت دارد. آنها همچنین از یک فانتوم نوری به اصطلاح مایع - مخلوطی از مایع چرب، جوهر و آب - استفاده کردند که با خاصیت جذب و پراکندگی بافت ریه مطابقت دارد.

تست کردن سیستم

برای تقلید بازدم، دانشمندان 20 مویرگ از 229 مویرگ را در هر مرحله با فانتوم مایع پر کردند و سیگنال نور پراکنده را در هر مرحله اندازه گرفتند. مویرگ های خالی بدون مایع پاسخ آلوئول های پر از هوا را تقلید کردند. پس از یازده اندازه‌گیری، از جمله اندازه‌گیری سیستم مویرگی کاملاً خالی، دانشمندان روند را معکوس کردند و در حین انجام همان اندازه‌گیری‌ها، از استنشاق کپی کردند. در طول آزمایش، کل ساختار در محفظه ای قرار داشت که دما و رطوبت فیزیولوژیکی مربوطه را حفظ می کرد.

تیم سپس سیگنال جذب GASMAS را با نسبت مویرگ‌های پر از هوا در مقابل مویرگ‌های پر از فانتوم مقایسه کرد و دریافت که با کاهش نسبت مویرگ‌های پر از هوا، سیگنال به طور پیوسته کاهش می‌یابد. وقتی پاچکو و همکارانش داده‌ها را تجزیه و تحلیل کردند، متوجه شدند که با موفقیت نشان داده‌اند که GASMAS واقعاً می‌تواند برای اندازه‌گیری تغییر حجم سیستم فانتوم و بنابراین، ریه‌های انسان استفاده شود.

پاچکو می گوید که مقالات قبلی در مورد GASMAS "بیشتر بر روی اندازه گیری غلظت گاز متمرکز شده اند." ما نشان می دهیم که GASMAS می تواند برای حس کردن تغییرات کوچک حجم در فانتوم استفاده شود. ... از آنجا، [ما می توانیم] سعی کنیم ... آزمایش هایی را طراحی کنیم تا ببینیم آیا می توانیم به نحوی از این نتایج استفاده کنیم و مجموعه جدیدی از اندازه گیری ها را در بیماران واقعی برنامه ریزی کنیم.

فانتوم برای انسان

استفاده از GASMAS روی بیماران انسانی فقط یک رویا نیست. پاچکو با همکاری مرکز تحقیقات INFANT در کورک، ایرلند، و GPX Medical، یک شرکت تجهیزات پزشکی مستقر در سوئد، می گوید که او و همکارانش با استفاده از یک سیستم در 1 نوامبر با موفقیت استفاده از آن را بر روی اولین بیمار انسانی خود - یک نوزاد - نشان دادند. توسعه یافته توسط GPX. و آنها به انجام آزمایشات بالینی مشاهده ای ادامه می دهند.

پاچکو می گوید: «تکنیک بسیار تکامل یافته است. او می افزاید که هنوز راه های بیشتری وجود دارد که GASMAS می تواند مورد استفاده قرار گیرد، مانند در بیماران بزرگسال و با آندوسکوپ ریوی. همچنین ممکن است برای تشخیص عفونت سینوس و گوش استفاده شود. او می‌گوید: «من پتانسیل‌های زیادی از فناوری می‌بینم، اما هنوز راه زیادی در پیش است. "اما دیدن این که می توان ... تغییرات در حجم [گاز] را اندازه گیری کرد، بسیار هیجان انگیز است."