أكد أستاذ الهندسة الكهربائية والطب الحيوي بجامعة كولومبيا في نيويورك البروفيسور كين شيبرد أن جامعته طورت جهازاً طبياً صغيراً جداً أحادي الشريحة، يمكن حقنه في المرضى باستخدام إبرة تحت الجلد لفحص أجزائه من الداخل. وأضاف شيبرد، في لقاء نشرته مجلة «مدار» الصادرة عن المركز العلمي، أن تلك الشريحة الصغيرة تومض في صورة بالموجات فوق الصوتية، بما اكتشفته، مبيناً أن هذا الوميض يرسل معلومات تخبر الشخص بما تم قياسه موضعياً... وإلى التفاصيل. • إلام استند هذا البحث؟ - ينص قانون مور على أنه يمكنك حشر مزيد ومزيد من الترانزستورات في حيز معين على شريحة ذات دائرة إلكترونية متكاملة Integrated circuit chip هذا العدد ازداد بوتيرة تصاعدية على مر الثلاثين أو الأربعين عاما الماضية، واستخدم بنحو أساسي ليس لتصغير الشرائح، ولكن لوضع مزيد من الترانزستورات على شريحة من الحجم نفسه. لذا انتقلنا من شرائح تحمل ألف ترانزستور إلى شرائح تحمل عشرات المليارات منها، لكن يمكننا أن نفعل شيئا آخر بتلك الكثافة، وهو أن نستخدمها لصنع شرائح صغيرة جدا جدا. • ما مدى صغر حجم ما نتكلم عنه؟ - هذا أصغر نظام شريحة فردية مستقل نعلم أنه يدعم كلاً من الطاقة والاتصال ثنائي الاتجاه Bidirectional communication، إنه تقريبا بقياس 300×300 ميكرون (الميكرون = 0.001 ملم). • ما التحديات الرئيسة لإنتاج شريحة صغيرة كهذه؟ - تحتاج الشريحة إلى الطاقة، وإلى أن تكون قادرة على الاتصال بها، وإلا فلن تكون ذات جدوى لذلك ما كنا نعمل لأجله هو مثال على جهاز تكون الشريحة فيه هي النظام بكامله. ليس هناك شيء آخر، لا توجد مصفوفة خارجية من أجهزة الاستشعار ولا هوائي خارجي ولا بطارية خارجية، ولا أي شيء خارجي، ولكي تعمل الشريحة كنظام مستقل، يجب أن تفي ببعض المعايير، يجب أن تصل الطاقة إلى الشريحة لاسلكيا، لذلك يجب دمج كل الهوائيات اللاسلكية التي تمدها بالطاقة وتؤمن الاتصال معها، ثم في حالة هذا النوع من الشرائح القابلة للغرس، تستشعر الشريحة أيضا شيئا ما، ومن ثم يجب دمج وظيفة الاستشعار تلك. ينتظر أن توجد صعوبة كبيرة للاتصال بجهاز بهذا الصغر بالموجات الكهرومغناطيسية، مثل موجات الراديو، لأن الطول الموجي كبير جدا بالنسبة إلى حجم الجهاز، حتى عند مستوى عشرات الغيغاهيرتز، أنت تتحدث عن أطوال موجية في نطاق عدة ملليمترات، حجم هذا الجهاز أقل بكثير من ملليمتر، ولهذا نستخدم الموجات فوق الصوتية Ultrasound. يشغل هذا الجهاز بالأمواج الصوتية ويتواصل عبرها، وليس بالأمواج الكهرومغناطيسية، وهو أمر مفيد لأن الأمواج الصوتية تنتقل جيدا في الجسم. • كيف يمكنك تشغيل الشريحة باستخدام الموجات فوق الصوتية؟ - نحن ندرس استخدام هذه الأجهزة لزيادة التخطيط بالموجات فوق الصوتية Ultrasonography لتقديم معلومات إضافية غير متوافرة في الأساس. الطريقة التي تعمل بها الموجات فوق الصوتية هي أنها ترسل موجة صوتية إلى جسمك، وعندما يكون هناك عدم تطابق صوتي Acoustic mismatch، فإن الاختلاف يكون في المعاوقة الصوتية Acoustic impedance اي مقدار المقاومة Resistance التي تصادفها حزمة الموجات فوق الصوتية في أثناء مرورها عبر الأنسجة بسبب المواد أو الواجهات المختلفة في جسمك. يعكس بعض من تلك الطاقة الصوتية مرة أخرى إلى جهاز التصوير. وهذا ما تراه في صورة بالموجات فوق الصوتية، لكن هناك أشياء كثيرة غير متوافرة أو غير معروفة. على سبيل المثال، هذه الشريحة بحد ذاتها التي صممناها تقيس درجة الحرارة، ولا توجد طريقة في التصوير بالموجات فوق الصوتية الداخلية يمكنني من خلالها معرفة أي شيء عن درجة الحرارة. إذا وضعت أحد هذه الأجهزة في جسمك ووجهت إليه حزمة من الموجات فوق الصوتية، فستشغل الطاقة الجهاز الذي يقيس عندها درجة الحرارة الموضعية ويعدل الطاقة المنعكسة مرة أخرى إلى جهاز التصوير بالموجات فوق الصوتية وفقا لذلك، إذن ما تراه هو هذه الشريحة الصغيرة في صورتك بالموجات فوق الصوتية، تومض إليك، وهذا الوميض يرسل إليك معلومات تخبرك بما قاسته موضعيا. تضطلع الشريحة أيضا بحصد الطاقة من حزمة الموجات فوق الصوتية، ويمكنها أن تفعل ذلك، لأننا دمجنا فيها مادة كهربائية - انضغاطية أو كهروضغطية Piezoelectricity تحول الصوت إلى كهرباء، لذلك عندما توضع موجة ضغط على هذه المادة تنضغط المادة قليلة، مما يولد جهدا كهربائية Voltage، يستخدم هذا الجهد لتشغيل الشريحة. • إلى أي عمق يمكن زرع الشريحة في الجسم؟ - نحن نستخدم موجات فوق صوتية من نحو 5 ميغاهرتز لهذه الأجهزة، معظم الموجات فوق الصوتية الإكلينيكية ذات تردد أقل قليلا، عادة من 1 ميغاهرتز أو نحو ذلك، وكلما زاد التردد قلت قدرتك على الاختراق إلى عمق أكبر، إذ تمتص أنسجتك الموجات فوق الصوتية بقدر أكبر، ولكن عند تردد 1 ميغاهرتز تكون الأطوال الموجية كبيرة جدا، بحيث لا يمكنها الاتصال بهذا الجهاز، لذا عند تردد 5 ميغاهرتز، يمكننا أن نصل إلى عمق ستة أو سبعة سنتيمترات، وهذا جيد جدا. • كيف يتم وضعها داخل الجسم؟ - الشرائح صغيرة بما يكفي لتلائم إبرة حقن من قیاس 18 ومن ثم بهذه الطريقة يتم حقنها في الجسم، ويمكن أيضا إزالتها بالطريقة نفسها. • كيف تعمل بمجرد أن تصبح داخل الجسم؟ - هناك طريقتان يمكن استخدام الأجهزة وفقا لهما، الأولى هي المكان الذي تزرع فيه فترة طويلة يمكنك ببساطة إدخالها وتركها لشأنها، ولكن تحتاج إلى إجراء مزيد من التجارب لفهم العواقب طويلة المدى لوجود شيء كهذا في جسمك. يعتقد أن كونها صغيرة جدا سيساعد على تقبلها، ومن ثم سيكون هناك رد فعل أقل من الجسم عليها کجسم غريب. الطريقة الأخرى هي ببساطة أن تزال بعد فترة من الوقت، ويمكنك فعل ذلك باستخدام إبرة الحقن نفسها، ولكن بتوجيه من الموجات فوق الصوتية، يستخدم جهاز التصوير بالموجات فوق الصوتية لتوجيه الإبرة والعثور على الجهاز ثم شفطه وإخراجه. • ما التطبيقات المحتملة؟ - يوفر تصميمنا المحدد معلومات إضافية لجهاز التصوير بالموجات فوق الصوتية، ويمكن استخدام ذلك في أي سياق تقريبا تقوم فيه بالتصوير بالموجات فوق الصوتية، على سبيل المثال هناك عديد من التطبيقات الإكلينيكية التي يستخدم فيها الأطباء الحرارة، لذلك إذا أردت معرفة مقدار الحرارة التي تستخدمها، يمكنك استخدام الشريحة التي تقيس درجة الحرارة. قد تكون هناك أيضا مؤشرات حيوية معينة تبحث عنها، فربما تضطلع بالتصوير المستمر بالموجات فوق الصوتية على فترة ممتدة للتحقق من عدم عودة ورم ما، ولكن قد يكون من المنطقي زرع أجهزة كهذه تقيس المؤشرات الحيوية Biomarkers للإشارة حتى قبل ذلك إلى ما إذا كان هناك ما يقلق، نحن نفكر أيضا في محاولة تحسين الالتئام بمراقبة المؤشرات الحيوية المختلفة داخل المجروح. • ما الخطوات الآتية؟ - هناك كثير من الأشياء الأخرى التي يمكنك فعلها باستخدام غرسات الشريحة كنظام Chip as a system. هناك كثير من الاهتمام في الوقت الحالي بواجهات الجهاز العصبي المركزي Central nervous system أي واجهات الدماغ/ الحاسوب والأجهزة التي تتفاعل مع الجهاز العصبي المحيطی Peripheral nervous system من أجل أشياء مثل إدارة الألم والتفاعل مع الجهاز العصبي الذاتي Aautonomic nervous system للتحكم في أشياء مثل ضغط الدم. ما تقدمه هذه الأجهزة هو ما نسميه "الكفاءة الحجمية"، وهو عبارة عن بيان يوضح مقدار الوظيفة التي يمكنك الحصول عليها من الجهاز القابل للزرع لمقدار معین من الحجم المزاح. هذه الأجهزة هي أكثر الأجهزة التي يمكنك تخيلها كفاءة من ناحية الحجم، لأنه يمكنك الحصول على أقصى قدر من الوظائف من هذه الأجهزة للحد الأدنى من الحجم المزاح، وهذا يمنحها كثيرا من المزايا.