DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41676-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41748899
تاريخ النشر: 2026-02-26
المؤلف: Pouya Karami وآخرون
الموضوع الرئيسي: البلورات الضوئية والتطبيقات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة مستشعرًا ضوئيًا جديدًا يستخدم هيكل بلوري فوتوني ثنائي الأبعاد للكشف المبكر عن سرطان عنق الرحم. المستشعر، الذي تم بناؤه من شبكة من قضبان السيليكون، يوجه الضوء عبر أنسجة عنق الرحم، مما يسمح بتحديد الأنسجة الصحية أو المصابة بفيروس الورم الحليمي البشري (HPV) أو السرطانية بناءً على التغيرات في خصائص الضوء دون الحاجة إلى صبغات أو علامات. تعتبر إضافة تأثيرات درجة الحرارة على أداء المستشعر من التقدمات المهمة في هذا البحث، والتي أغفلتها الدراسات السابقة. أظهرت الاختبارات عند درجات حرارة مختلفة (10°C، 25°C، 45°C، و60°C) أداءً مثاليًا عند 25°C، مع الحفاظ على موثوقية عبر درجات حرارة أخرى. أظهر المستشعر دقة عالية وحساسية، حيث اكتشف اختلافات دقيقة في أنواع الأنسجة.
تشير النتائج إلى أن المستشعر يعمل بفعالية عند طول موجي قدره 1.55 ميكرومتر، مع حساسية قصوى ومؤشر أداء عند 25°C. تم استخدام شبكة عصبية اصطناعية (ANN) لتعزيز تصنيف الأنسجة، محققة دقة تصل إلى 91.7% من خلال تحليل الميزات البصرية الرئيسية مثل انزياح الطول الموجي والعرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM). بينما يظهر المستشعر وعدًا للكشف غير الجراحي عن سرطان عنق الرحم، فإنه يعمل حاليًا ككاشف يعتمد على معامل الانكسار دون ارتباط جزيئي انتقائي، مما يتطلب مزيدًا من تطوير الوظائف السطحية للتطبيقات السريرية. من الضروري التحقق التجريبي المستقبلي لتأكيد نتائج هذه المحاكاة، مما يضع هذا العمل كخطوة مهمة نحو تطوير المستشعرات الضوئية السريرية.
مقدمة
يظل سرطان عنق الرحم مصدر قلق صحي شائع بين النساء، ويعود ذلك أساسًا إلى العدوى المستمرة بفيروس الورم الحليمي البشري (HPV) التي تؤدي إلى تغييرات خلوية وتطور السرطان. تعيق طرق التشخيص التقليدية، بما في ذلك مسحات باب والاختبارات الجزيئية، على الرغم من فعاليتها، تكاليفها العالية، وأوقات المعالجة الطويلة، والحاجة إلى معدات متخصصة. استجابةً لذلك، ركزت الأبحاث الحديثة على تطبيق المستشعرات الضوئية التي تستخدم البلورات الفوتونية (PhC) كبديل واعد وغير جراحي للكشف عن سرطان عنق الرحم. تقدم البلورات الفوتونية، التي تتميز بقدرتها على التحكم في الضوء من خلال هياكل ذات معاملات انكسار متغيرة، مزايا كبيرة مثل الحساسية العالية، وأوقات الاستجابة السريعة، والتوافق مع الدوائر الضوئية المتكاملة (PICs).
تقدم هذه الدراسة مستشعرًا ضوئيًا جديدًا يعتمد على بلورة فوتونية ثنائية الأبعاد مصممة خصيصًا للكشف عن سرطان عنق الرحم. الابتكار الرئيسي هو دمج التغيرات في معامل الانكسار المعتمد على درجة الحرارة، والتي غالبًا ما أغفلتها الدراسات السابقة. يعمل المستشعر عند طول موجي قدره 1.55 ميكرومتر، مما يحسن الأداء للتكامل مع موجّهات السيليكون. تقيم الأبحاث فعالية المستشعر عبر درجات حرارة مختلفة (10°C، 25°C، 45°C، و60°C) ونمذجة معاملات الانكسار للأنسجة الصحية، والمصابة بفيروس HPV، والسرطانية. تشير النتائج إلى أن المستشعر المقترح يمكنه اكتشاف تغيرات دقيقة في معامل الانكسار بدقة عالية، مع الحفاظ على أداء مستقر عبر تغيرات درجة الحرارة. هذه البساطة في التصميم، إلى جانب حساسيتها العالية، تضع المستشعر كأداة قابلة للتطبيق لتشخيص سرطان عنق الرحم المبكر وغير الجراحي في البيئات السريرية.
النتائج
أظهرت نتائج محاكاة المستشعر التي أجريت باستخدام مجموعة أدوات RSoft Photonics CAD اختلافات كبيرة في أطوال الموجات الرنانة لأنواع الأنسجة المختلفة – الصحية، والمصابة بفيروس HPV (ما قبل السرطان)، والسرطانية – عبر درجات حرارة مختلفة (10°C، 25°C، 45°C، و60°C). باستخدام طريقة الفرق المحدود في الزمن (FDTD)، كشفت المحاكاة أنه عند 10°C، انزاح الطول الموجي الرناني للأنسجة المصابة بفيروس HPV بمقدار 0.5 ميكرومتر وللأنسجة السرطانية بمقدار 2 ميكرومتر، مع عرض كامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) قدره 0.5 نانومتر. مع زيادة درجة الحرارة إلى 25°C، أصبحت هذه الانزياحات أكثر وضوحًا، حيث انزاحت الأنسجة المصابة بفيروس HPV بمقدار 1.5 ميكرومتر والأنسجة السرطانية بمقدار 5.5 ميكرومتر، مما يشير إلى زيادة حساسية المستشعر.
عند درجات حرارة أعلى، استمرت انزياحات الطول الموجي الرناني في الزيادة، مع قيم ملحوظة عند 45°C (1.8 ميكرومتر للأنسجة المصابة بفيروس HPV و3.3 ميكرومتر للأنسجة السرطانية) وعند 60°C (1.2 ميكرومتر للأنسجة المصابة بفيروس HPV و2.9 ميكرومتر للأنسجة السرطانية). ظلت قيم FWHM مستقرة نسبيًا، تتراوح بين 0.3 إلى 0.4 نانومتر. تم تقييم معلمات أداء المستشعر، بما في ذلك الحساسية، ومؤشر الأداء (FOM)، وحد الكشف (DL)، وعامل الجودة (Q-F). عند 25°C، وصلت الحساسية للأنسجة المصابة بفيروس HPV إلى 3750 نانومتر/RIU، بينما كانت للأنسجة السرطانية 1818 نانومتر/RIU، مما يظهر قدرة المستشعر على التمييز بين أنواع الأنسجة بفعالية بناءً على الانزياحات الرنانة الناتجة عن درجة الحرارة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصميم مستشعر ضوئي جديد يعتمد على هيكل بلوري فوتوني ثنائي الأبعاد (PhC) للكشف المبكر عن سرطان عنق الرحم. يتميز المستشعر بشبكة سداسية من قضبان السيليكون بحجم محدد 21×21، مما يخلق فجوة ضوئية تحبس الضوء بفعالية ضمن نطاقات طول موجي معينة. تم اختيار الطول الموجي التشغيلي 1.55 ميكرومتر لتوافقه مع الاتصالات السلكية والدوائر الضوئية المتكاملة. يسمح تصميم المستشعر بإنشاء موجّه يوجه الضوء عبر منطقة الاستشعار، حيث يمكن أن تؤدي التفاعلات مع أنسجة عنق الرحم إلى انزياحات في الطول الموجي الرناني، مما يمكّن من الكشف عن الأنسجة الصحية، والمصابة بفيروس HPV، والسرطانية.
قيمت الدراسة تكوينات مختلفة للمستشعر، وحددت تصميمًا مثاليًا مع عامل جودة (Q) قدره 5271 وعرض كامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) قدره 0.3 نانومتر، مما يشير إلى حساسية ودقة عالية. بالإضافة إلى ذلك، تم نمذجة معامل الانكسار لأنسجة عنق الرحم كدالة لدرجة الحرارة، مما يكشف عن اختلافات كبيرة تؤثر على أداء المستشعر. تم استخدام شبكة عصبية اصطناعية (ANN) لتصنيف أنواع الأنسجة بناءً على مخرجات المستشعر، محققة دقة مثيرة للإعجاب تصل إلى 91.7%. تشير النتائج إلى أن هذا المستشعر، بتصميمه المدمج وأدائه القوي، يحمل وعدًا لتشخيص سرطان عنق الرحم غير الجراحي، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحقق التجريبي وتطوير الوظائف السطحية للتطبيقات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41676-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41748899
Publication Date: 2026-02-26
Author(s): Pouya Karami et al.
Primary Topic: Photonic Crystals and Applications
Overview
This study presents a novel optical sensor utilizing a two-dimensional photonic crystal structure for the early detection of cervical cancer. The sensor, constructed from a grid of silicon rods, guides light through cervical tissue, allowing for the identification of healthy, HPV-infected, or cancerous tissues based on changes in light properties without the need for dyes or labels. A significant advancement of this research is the incorporation of temperature effects on sensor performance, which previous studies have overlooked. Testing at various temperatures (10°C, 25°C, 45°C, and 60°C) revealed optimal performance at 25°C, while still maintaining reliability across other temperatures. The sensor demonstrated high accuracy and sensitivity, detecting minute differences in tissue types.
The findings indicate that the sensor operates effectively at a wavelength of 1.55 μm, with peak sensitivity and a figure of merit at 25°C. An artificial neural network (ANN) was employed to enhance tissue classification, achieving an accuracy of 91.7% by analyzing key optical features such as wavelength shift and full width at half maximum (FWHM). While the sensor shows promise for non-invasive cervical cancer screening, it currently functions as a refractive-index-based detector without selective molecular binding, necessitating further development of surface functionalization for clinical application. Future experimental validation is essential to confirm these simulation results, positioning this work as a significant step toward advancing clinical optical biosensors.
Introduction
Cervical cancer remains a prevalent health concern among women, primarily caused by persistent human papillomavirus (HPV) infections that lead to cellular alterations and cancer development. Traditional diagnostic methods, including Pap smears and molecular tests, while effective, are hindered by high costs, lengthy processing times, and the need for specialized equipment. In response, recent research has focused on the application of optical biosensors utilizing photonic crystals (PhC) as a promising, non-invasive alternative for cervical cancer detection. Photonic crystals, characterized by their ability to manipulate light through structures with varying refractive indices, offer significant advantages such as high sensitivity, rapid response times, and compatibility with photonic integrated circuits (PICs).
This study introduces a novel optical biosensor based on a two-dimensional photonic crystal designed specifically for detecting cervical cancer. A key innovation is the incorporation of temperature-dependent refractive index changes, which previous studies often overlooked. The sensor operates at a wavelength of 1.55 micrometers, optimizing performance for integration with silicon waveguides. The research evaluates the sensor’s efficacy across various temperatures (10°C, 25°C, 45°C, and 60°C) and models the refractive indices of healthy, HPV-infected, and cancerous cervical tissues. Results indicate that the proposed sensor can detect minute refractive index variations with high accuracy, maintaining stable performance across temperature changes. This simplicity in design, coupled with its high sensitivity, positions the sensor as a viable tool for early, non-invasive cervical cancer diagnosis in clinical settings.
Results
The results of the sensor simulations conducted using the RSoft Photonics CAD Suite demonstrated significant variations in resonance wavelengths for different tissue types—Healthy, HPV-Infected (Pre-Cancerous), and Cancerous—across various temperatures (10°C, 25°C, 45°C, and 60°C). Utilizing the finite-difference time-domain (FDTD) method, the simulations revealed that at 10°C, the resonance wavelength for HPV-infected tissue shifted by 0.5 μm and for cancerous tissue by 2 μm, with a full width at half maximum (FWHM) of 0.5 nm. As the temperature increased to 25°C, these shifts became more pronounced, with HPV-infected tissue shifting by 1.5 μm and cancerous tissue by 5.5 μm, indicating enhanced sensor sensitivity.
At higher temperatures, the resonance wavelength shifts continued to increase, with notable values at 45°C (1.8 μm for HPV-infected and 3.3 μm for cancerous tissue) and at 60°C (1.2 μm for HPV-infected and 2.9 μm for cancerous tissue). The FWHM values remained relatively stable, ranging from 0.3 to 0.4 nm. The sensor performance parameters, including sensitivity, figure of merit (FOM), detection limit (DL), and quality factor (Q-F), were also assessed. At 25°C, the sensitivity for HPV-infected tissue reached 3750 nm/RIU, while for cancerous tissue, it was 1818 nm/RIU, demonstrating the potential of the sensor to differentiate between tissue types effectively based on temperature-induced resonance shifts.
Discussion
In this study, a novel optical biosensor based on a two-dimensional photonic crystal (PhC) structure was designed for the early detection of cervical cancer. The sensor features a 21×21 hexagonal lattice of silicon rods with specific dimensions, creating a photonic bandgap that effectively confines light within certain wavelength ranges. The operational wavelength of 1.55 μm was chosen for its compatibility with telecommunications and integrated photonic circuits. The sensor’s design allows for the creation of a waveguide that directs light through a sensing region, where interactions with cervical tissue can induce shifts in the resonance wavelength, enabling the detection of healthy, HPV-infected, and cancerous tissues.
The study evaluated various configurations of the sensor, identifying an optimal design with a quality factor (Q) of 5271 and a full width at half maximum (FWHM) of 0.3 nm, indicating high sensitivity and precision. Additionally, the refractive index of cervical tissues was modeled as a function of temperature, revealing significant variations that impact sensor performance. An artificial neural network (ANN) was employed to classify tissue types based on sensor outputs, achieving an impressive accuracy of 91.7%. The findings suggest that this sensor, with its compact design and robust performance, holds promise for non-invasive cervical cancer diagnostics, although further experimental validation and development of surface functionalization are necessary for clinical application.