בארצות הברית, יותר מרבע מהמבוגרים מעל גיל 40 סובלים ממחלת עיניים, כולל גלאוקומה, קטרקט או ניוון מקולרי הקשור לגיל, או מצב בריאותי כרוני המשפיע על העיניים, כגון רטינופתיה סוכרתית. מצבים אלו מהווים עומס על בריאותו של הפרט כמו גם על מערכת הבריאות, אולם אבחון וניהול מוקדם יכולים לסייע במניעת יותר מ-90% מאובדן ראייה חמור.
צ'או ג'ואו, פרופסור להנדסה ביו-רפואית בבית הספר להנדסה מק'קלווי באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, פעל לשיפור מערכות טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית (OCT) שיכולות לבצע הדמיה ברזולוציה גבוהה של העיניים. כעת, עם חוזה של עד 20 מיליון דולר מהסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים לבריאות (ARPA-H), הוא מתכנן ליצור מערכת OCT ניידת המבוססת על מעגלים משולבים פוטוניים (PIC) ומעגלים משולבים אלקטרוניים מעוצבים בהתאמה אישית שיכולים להציע מתקדמים בדיקת עיניים להרבה יותר מטופלים ובעלות נמוכה יותר. הטכנולוגיה יכולה לשמש גם ביישומים אחרים, כגון קרדיולוגיה, דרמטולוגיה, רפואת שיניים, אנדוסקופיה ואורולוגיה.
החוזה הוא חלק מהקול הקורא הראשון של ARPA-H להצעות לגישות לא קונבנציונליות לשיפור תוצאות הבריאות על פני אוכלוסיות חולים, קהילות, מחלות ומצבים בריאותיים באמצעות מחקר פורץ דרך והתקדמות טכנולוגית. זהו חוזה ה-ARPA-H הראשון שהוענק לאוניברסיטת וושינגטון.
מערכות OCT מסורתיות הן יקרות, מורכבות, מגושמות ודורשות עבודה להרכבה וכיול. המערכת המוצעת תשקול כמה קילוגרמים, תבצע סריקות תלת מימד ברזולוציה גבוהה של הרשתית תוך פחות משנייה ותהיה חלק מהעלות של המערכות המסורתיות.
השילוב של מעגלים משולבים פוטוניים ואלקטרוניים מפשט את תהליך ההרכבה ומוריד את עלויות הייצור, מה שהופך את ה-OCT לנגיש יותר למגוון רחב יותר של מתקני בריאות וחולים. שילוב רכיבים בשבב פוטוני גם משפר את היציבות והחוסן הכללית, מה שהופך את המערכות הללו לפחות רגישות להשפעות סביבתיות ולבלאי, מה שמבטיח אורך חיים ארוך יותר ועלויות תחזוקה נמוכות יותר".
צ'או ג'ואו, פרופסור להנדסה ביו-רפואית, בית הספר להנדסה מק'קלווי, אוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס
הקבוצה של ג'ואו המציאה את טומוגרפיית קוהרנטיות אופטית של חלוקת החלל (SDM-OCT), טכניקה הלוקחת מספר תמונות OCT בהבחנה גבוהה בו-זמנית עם גלאי בודד ומהירה לפחות פי 10 מסורקי OCT קיימים, מה שיוצר פחות הזדמנויות לשגיאות מתנועת המטופל. עם זאת, מערכות אלו דרשו זמן ועבודה רבים כדי להרכיב רכיבים לכל ערוץ, מה שהגביל את השימוש הרחב בהן.
במימון ARPA-H, Zhou ומשתפי הפעולה ירכיבו את הרכיבים בשבב פוטוני תוך שימוש בהתקדמות בתהליכים משלימים של מתכת-תחמוצת-מוליכים למחצה (CMOS) המשמשים בתעשיית המוליכים למחצה. זה ייעל את הייצור ויוזיל עלויות. לאחר התפקוד, הם יערכו מחקרים באמצעות המכשיר על מטופלים מבוגרים וילדים.
פיתוח מערכת שבבים משולב פוטוני (PIC)-OCT הוא מאוד משפיע אך גם מאתגר מאוד, אמרו החוקרים, כך שהצוות חילק את עבודתו לשמונה חלקים, החל מפיתוח רכיבים ועד בדיקה. בתום הפרויקט בן חמש השנים, הצוות מצפה לפתח שבבים פוטוניים ואלקטרוניים ואבות טיפוס PIC-OCT ניידים במיוחד להדמיית עיניים.
המערכת המוצעת מהירה יותר מפי 50 ממערכות OCT מסחריות מתקדמות קיימות בשבריר מהעלות, אמרו החוקרים. על ידי אופטימיזציה ושילוב של המעגלים הפוטונים והאלקטרוניים, החוקרים יכולים ליצור מנוע רכישת תמונה ועיבוד אותות משולב עם יתרונות המתרחבים לתחומים אחרים של שירותי בריאות, כגון חישת גלוקוז ומצלמי עור ניידים.
שיתופי פעולה עם ג'ואו הם:
- שו-וויי הואנג, עוזר פרופסור להנדסת חשמל, מחשבים ואנרגיה ולהנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת קולורדו בולדר;
- Aravind Nagulu, עוזר פרופסור להנדסת חשמל ומערכות בבית הספר להנדסה מק'קלווי;
- Rithwick Rajagopal, MD, PhD, פרופסור חבר לרפואת עיניים ומדעי הראייה בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת וושינגטון;
- מרגרט ריינולדס, MD, עוזרת פרופסור לרפואת עיניים ומדעי הראייה בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת וושינגטון; ו
- לאן יאנג, הפרופסור של אדווין ה. ופלורנס ג'י סקינר להנדסת חשמל ומערכות בבית הספר להנדסה מק'קלווי.
יאנג אמרה שזה האינטרס שלה לטווח ארוך להפוך את הידע בחקר הפוטוניקה לטכנולוגיות ומוצרים מוחשיים בעלי השפעה חברתית מרחיקת לכת, כאשר יישומי בריאות נמצאים בראש סדר היום שלה.
"אני נרגש להיות חלק מהצוות הרב-תחומי הזה שמטרתו לפתח מערכת OCT חדשה עם יכולות ותכונות המתאפשרות על ידי התקדמות בתהליכי ייצור ננו עבור מכשירים אופטו-אלקטרוניים המונעים על ידי תעשיות שונות, החל מטלקומוניקציה ועד מרכזי נתונים ואלקטרוניקה צריכה", אמר יאנג. . "מערכת ה-OCT הניידת המוצעת שלנו, המבוססת על מעגלים משולבים פוטוניים (PIC), תספק בדיקת עיניים מתקדמת וחסכונית ותרחיב את היתרונות שלה לתחומים רפואיים אחרים".
Rajagopal אמר כי רופאי עיניים נהנו מהתובנות האבחוניות שמציעה טכנולוגיית OCT במשך 15 השנים האחרונות, אך המערכות מוגבלות על ידי מהירות הסריקה ושדה הראייה.
רוב הסורקים המודרניים יכולים לצלם רק את מרכז הרשתית -; המקולה -; ודורשים מטופלים שיתופיים שיש להם את הניידות לתמרן ולהישאר יציב על מערכת שולחנית למשך 30-60 שניות לפחות (או יותר), אמר ראג'גופל.
"אני מתלהב מהיתרונות הקליניים הפוטנציאליים שמציעה המערכת החדשה של ד"ר ג'ואו, שכן היא עשויה לאפשר לנו לבצע סריקות ברזולוציה גבוהה בהרבה ולכלול סריקה היקפית בו זמנית בנוסף למרכז הרשתית, כל זאת תוך נטילת חלק מהזמן הנדרש לפי המערכות הזמינות כרגע", אמר ראג'גופל. "לכן נוכל לסרוק חולים שאינם מסוגלים לשתף פעולה לצורך הדמיית עיניים מסורתית, כולל ילדים צעירים ומבוגרים עם מוגבלויות, ללא צורך בהרחבת אישונים או בדיקות הרגעה".
הצוות יעבוד עם בתי יציקה מסחריים כדי לייצר את המעגלים המשולבים הפוטוניים והאלקטרונים.
"לא רק שמערכת ה-PIC-OCT המשולבת במלואה הזו גוברת על מערכות ה-OCT הקונבנציונליות, אלא שהיא גם מתהדרת ביכולת ייצור מעולה ובחוסן ומפחיתה את טביעת הרגל של המכשיר", אמר ג'ואו. "בנוסף, ייצור המוני יקטין משמעותית את עלויות הייצור, ויסלול את הדרך להפצה עתידית נרחבת".
בעוד שלצוות יש כבר כמה פטנטים אמריקאים ובינלאומיים הקשורים ל-SDM-OCT, הוא עובד עם המשרד לניהול טכנולוגי של אוניברסיטת וושינגטון על בקשות פטנטים לעיצוב המשופר. הם גם יעבדו עם ARPA-H Project Accelerator Transition Innovation Office ועם מינהל המזון והתרופות על שיקולים רגולטוריים כדי לפנות את המסלול לתרגום קליני עתידי.
"אני מאוד נרגש להיות חלק מצוות ברמה עולמית זו כדי להמשיך בפרויקט השאפתני הזה שהופך את ה-OCT לפתרון נקודתי אמיתי", אמר הואנג. "זו דוגמה מושלמת שמראה כיצד טכנולוגיית PIC יכולה להיות טרנספורמטיבית בתחומים אחרים מלבד תקשורת ומחשוב."
