تشخیص کووید-۱۹ در تنفس با ابزار ستاره‌شناسی

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از اس‌ای، ستاره‌شناسان و فیزیکدانان مدت‌هاست که از یک حسگر مبتنی بر لیزر به نام شانه فرکانس نوری (optical frequency comb) برای مطالعه ترکیب مواد کیهانی و افزایش دقت زمان‌سنجی استفاده می‌کنند؛ اما همه‌گیری کووید، این ابزار همه کاره را از دنیای فضا و فیزیک به سمت مراقبت‌های بهداشتی سوق داده است.

شانه‌های فرکانس نوری، لیزرهایی هستند که به طور همزمان پالس‌های نور را در فرکانس‌های متعدد شلیک می‌کنند. از آنجایی که این پالس‌های فوق سریع به طور دقیق در امتداد طیف نور قرار دارند،  یعنی از مادون قرمز تا رنگ‌های مرئی گرفته و فرابنفش، مجموعه‌ای از قله‌ها را در نموداری از فرکانس‌ها تشکیل می‌دهند که شبیه به دندانه‌های شانه است. این «شانه» را می‌توان به روش‌های مختلفی استفاده کرد.

به عنوان مثال، انواع گوناگون مولکول‌ها، رنگ‌های مختلفی از نور را جذب می‌کنند. با تشخیص اینکه کدام طیف نور در نزدیکی فرکانس‌های خاص جذب می‌شود، شانه می‌تواند مولکول‌های خاصی را در یک نمونه از هوا شناسایی کند.

در یک پژوهش جدید، دانشمندان ثابت کردند که این ابزار می‌تواند ویروس کووید-۱۹ را روی نفس افراد تشخیص دهد و به طور بالقوه راه را برای آزمایش‌های تشخیصی سریع و غیرتهاجمی برای بسیاری از بیماری‌ها هموار کند.

هر بار که انسان بازدم می‌کند، بیش از ۱۰۰۰ نوع مولکول به نام ترکیبات آلی فرار (VOC) دفع می‌شود.

کریستینا دیویس (Cristina Davis)، از دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، می‌گوید: تغییرات در ترکیبات آلی فرار می‌تواند با مشکلات خاص سلامتی مرتبط باشد. هزاران سال است که پژوهشگران می‌دانند که برخی از بیماری‌ها یا اختلال‌های بالینی، بوی نفس راه تغییر می‌دهند. منابع در ادبیات پزشکی یونان و چین باستان نشان می‌دهد که پزشکان از بینی به عنوان یک ابزار تشخیصی استفاده می‌کردند.

جان یی (Jun Ye) فیزیکدان و یکی از نویسندگان این پژوهش جدید می‌گوید: به تازگی سگ‌ها برای شناسایی برخی بیماری‌ها در انسان آموزش دیده‌اند و آشکارسازهای شانه لیزری نیز به آموزش نیاز دارند. ما در حال آموزش شانه فرکانسی خود با استفاده از یادگیری ماشینی هستیم و پس از آموزش این لیزر تبدیل به یک سگ الکترونیکی با حساسیت بسیار بیشتر می‌شود.

کیژونگ لیانگ (Qizhong Liang)، نویسنده ارشد این پژوهش و دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه کلرادو بولدر نیز تاکید می‌کند: این بینی مصنوعی قدرتمند این مزیت را دارد که بیماری را به روشی سریع و غیرتهاجمی بو بکشد. برای حداکثر دقت، نتایج مثبت حاصل از آزمایش‌های کووید با این فناوری جدید باید با آزمایش PCR قابل‌اعتمادتری بررسی شوند؛ اما برای غربالگری سریع در فرودگاه‌ها، سالن‌های کنسرت یا بیمارستان‌ها، می‌تواند نسبت به روش‌های دیگری مانند اسکن دمای بدن بهتر باشد.

شانه‌های فرکانسی می‌توانند کاری بیشتر از شناسایی مولکول‌ها انجام دهند. آنها ابتدا در دهه ۱۹۹۰ برای ساخت ساعت‌های اتمی نوری دقیق ساخته شدند که مخترعان آن جایزه نوبل فیزیک را در سال ۲۰۰۵ برای توسعه آن دریافت کردند. این شانه‌ها نوسان طبیعی اتم‌ها را به‌قدری دقیق اندازه‌گیری می‌کنند که به جزء ضروری ساعت‌های اتمی تبدیل شده‌اند. آن‌ها با شمارش این نوسانات، زمان را به‌طور باورنکردنی حفظ می‌کنند.

در نجوم، پژوهشگران از شانه‌های فرکانس نوری برای اندازه گیری فرکانس نوری که از ستارگان دور می‌آید، استفاده می‌کنند. وجود اختلالات می‌تواند نشان‌دهنده‌ این باشد که یک ستاره سیاره‌ای فراخورشیدی دارد.

در علم آب و هوا از آنها برای پژوهش گازهای گلخانه‌ای استفاده شده است و در سال ۲۰۰۸ پژوهشگران برای اولین بار ثابت کردند که این فناوری می‌تواند به عنوان یک دستگاه آزمایش تنفس برای یافتن نشانگرهای زیستی بیماری استفاده شود. آن‌ها این یافته را تا سال ۲۰۲۰ و شیوع کووید-۱۹ دنبال نکردند.

پژوهشگران، نمونه‌های تنفسی از ۱۷۰ دانشجو و کارمند دانشگاه کلرادو بولدر را طی ماه‌های مه ۲۰۲۱ تا ژانویه ۲۰۲۲ جمع‌آوری کردند. هر شرکت‌کننده آزمایش‌های معمول کووید از جمله PCR داد و نتیجه آزمایش حدود نیمی از آنها مثبت بودند.

سپس از شانه فرکانسی برای تجزیه و تحلیل الگوهای جذب نور در بین مولکول‌های موجود در تنفس شرکت‌کنندگان استفاده شد. با استفاده از یادگیری ماشینی روی داده‌های شانه فرکانسی، همراه با داده‌های PCR که از قبل جواب آن مشخص بود، 6 «مولکول متمایز» پیدا شد که نشان‌دهنده‌ عفونت کووید در تنفس بود. نتایج پژوهش آن‌ها در ماه آوریل در مجله «Breath Research» منتشر شد.

هوش مصنوعی کلید موفقیت این پروژه بود. یادگیری ماشینی می‌تواند همه داده‌ها را به طور همزمان تجزیه و تحلیل کند و می‌تواند به طور خودکار بهترین راه برای استفاده از همه‌ این اطلاعات متمایز برای ساخت یک مدل پیش‌بینی پیدا کند.

کریستن بیورکمن (Kristen Bjorkman)، یکی از نویسندگان این پژوهش می‌گوید که این فناوری ممکن است روزی برای تشخیص بیماری مزمن انسدادی ریه، نارسایی کلیه، سرطان‌های ریه و پانکراس و حتی بیماری آلزایمر مورد استفاده قرار گیرد.

این آزمایش برای کودکان نیز بسیار مناسب است، زیرا نتیجه‌ آن تنها نیاز به تنفس کودک دارد و به طور غیر تهاجمی انجام می‌شود.