In Vivo Quantum Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy

Licht ist ein bemerkenswertes Werkzeug, um in das Innere des menschlichen Körpers zu blicken, ohne auch nur einen einzigen Schnitt vorzunehmen. Wenn Ärzte einen Strahl von nahinfrarotem Licht durch einen Finger oder eine Brust leiten, bewegt sich dieses Licht nicht auf einer geraden Linie. Stattdessen prallt es von Zellen und Molekülen ab und streut in einem chaotischen, zufälligen Pfad, bevor es auf der anderen Seite wieder austritt. Indem sie genau messen, wie lange es dauert, bis diese gestreuten Photonen eintreffen, können Wissenschaftler die Dicke des Gewebes und dessen Absorptionsvermögen berechnen, was Details über den Blutfluss und den Sauerstoffgehalt offenbart. Diese Technik, bekannt als zeitaufgelöste diffuse optische Spektroskopie, beruhte lange Zeit darauf, extrem schnelle, ultrakurze Laserpulse abzufeuern, die als Stoppuhr fungieren. Das Timing des Pulsbeginns und des Eintreffens der Photonen erzählt die Geschichte. Diese Laser sind jedoch komplex, teuer und können für empfindliche biologische Proben zu hell sein, was bei zu langer Anwendung zu Schäden führen kann.

Ein Forschungsteam der Politecnico di Milano und der University of Glasgow hat nun einen grundlegend anderen Weg demonstriert, dieses Experiment durchzuführen. Sie ersetzten den leistungsstarken, gepulsten Laser durch einen kontinuierlichen, stetigen Lichtstrahl und tauschten die traditionelle Stoppuhr gegen einen Trick der Quantenphysik aus. Anstatt einen einzelnen Puls zu timen, verwendeten sie Paare von Lichtteilchen, die gemeinsam geboren werden und mysteriös miteinander verbunden bleiben, egal wie weit sie voneinander entfernt reisen. Eines der Teilchen des Paares wird durch das Gewebe gesendet, während sein Zwilling von einem Detektor aufgefangen wird, um den exakten Moment zu signalisieren, in dem die Reise begann. Diese Methode, die die Forscher als Quanten-diffuse optische Spekroskopie bezeichnen, ermöglicht es ihnen, den Pfad des Lichts durch das Gewebe mit extremer Präzision abzubilden, selbst wenn sie sehr schwaches Licht und einfache, verrauschte Detektoren verwenden.

Die Forscher begannen damit, ihr neues System an Blöcken aus Material zu testen, die die Art und Weise nachahmen, wie menschliches Gewebe Licht streut. Diese Blöcke, bestehend aus einer silikonähnlichen Substanz, die mit weißem Pulver zur Lichtstreuung und schwarzer Tinte zur Absorption gemischt wurde, wurden in Platten unterschiedlicher Dicke geschnitten. Sie maßen, wie das Licht durch diese Blöcke wanderte, unter Verwendung ihres Quanten-Aufbaus, und verglichen die Ergebnisse mit einem standardmäßigen, hochwertigen gepulsten Lasersystem. Die Quantenmethode lieferte dieselben detaillierten Karten der Lichtlaufzeiten wie der herkömmliche Laser und berechnete präzise, wie viel das Material das Licht absorbierte und streute. Dies bewies, dass die Zeitkorrelationen zwischen den gekoppelten Photonenpaaren als perfekter Ersatz für einen gepulsten Laser dienen können und die notwendige Referenz liefern, um die Reise des Lichts durch ein streuendes Medium zu rekonstruieren.

Um zu sehen, ob dieser Ansatz mit der unordentlichen Realität der realen Welt umgehen kann, führten die Forscher ein erhebliches Maß an Hintergrundrauschen ein. Sie ersetzten ihren hochwertigen Detektor durch einen viel billigeren, verrauschten Silizium-Photomultiplier und leuchteten ein helles, unkorreliertes Licht in den Raum, um eine verrauschte Umgebung zu simulieren. In einem traditionellen Aufbau würde dieses Hintergrundlicht das schwache Signal aus dem Gewebe überlagern. Da das Quantensystem jedoch nur jene Photonen zählte, die in perfekter Synchronität mit ihren Zwillingspartnern eintrafen, gelang es ihm, das Rauschen herauszufiltern. Das System konnte das wahre Signal erfolgreich vom Chaos unterscheiden und die Eigenschaften des Gewebes auch dann noch exakt bestimmen, wenn das Hintergrundrauschen tausendmal stärker war als das Signal selbst. Diese Fähigkeit, die Nadel im Heuhaufen zu finden, ohne einen perfekten Detektor zu benötigen, deutet darauf an, dass diese Technologie schließlich erschwinglich und tragbar gemacht werden könnte.

Die Forscher gingen dann von Kunststoffblöcken zu biologischen Flüssigkeiten über. Sie erstellten Mischungen aus tierischem Blut und einer milchigen, streuenden Flüssigkeit, um die komplexe Umgebung innerhalb eines menschlichen Körpers zu simulieren. Durch Veränderung der Blutmenge in der Mischung zeigten sie, dass das System Veränderungen in der Lichtabsorption detektieren kann. Noch wichtiger war, dass sie eine Sensitivität gegenüber Sauerstoff demonstrierten. Als sie dem Blut Sauerstoff entzogen, registrierte das System eine Verschiebung in der Absorption und verfolgte die Veränderung, während das Blut deoxygeniert wurde. Dies ist entscheidend, da die Fähigkeit, zwischen sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Blut zu unterscheiden, die Grundlage für die funktionelle Hirnbildgebung und die Tumordetektion bildet. Das Quantensystem verfolgte diese Veränderungen deutlich, selbst wenn die Messungen in nur einer Sekunde durchgeführt wurden, was bewies, dass es in der Lage ist, schnelle biologische Veränderungen zu erfassen.

Schließlich übertrugen die Forscher das Experiment auf lebende Menschen. Sie platzierten eine Blutdruckmanschette am Arm eines Freiwilligen und maßen das Licht, das durch den kleinen Finger passierte. Während die Manschette aufgepumpt wurde, um den Blutfluss zu stoppen, beobachteten die Forscher die Absorption des Lichts in Echtzeit. Die Daten zeigten eine stetige Zunahme der Absorption, als das Blut im Finger während der Blockade deoxygeniert wurde, gefolgt von einer schnellen Abnahme, sobald die Manschette gelöst wurde und frisches Blut zurückfloss. Dieses dynamische Tracking des Blutflusses und der Oxygenierung in einem lebenden Menschen bestätigte, dass die Quantenmethode auf echtem, beweglichem Gewebe funktioniert. Es ist das erste Mal, dass solche Messungen am Menschen unter Verwendung von Licht durchgeführt wurden, das aus einer kontinuierlichen Quelle und gekoppelten Photonenpaaren stammt.

Diese Arbeit erhebt nicht den Anspruch, ein fertiges medizinisches Werkzeug zu sein, das morgen schon in Krankenhäusern einsatzbereit ist. Die Messungen waren ein Proof-of-Concept, der zeigt, dass die Physik funktioniert und die Daten zuverlässig sind. Die Forscher merken an, dass ihr System nicht zwangsläufig empfindlicher ist als die besten existierenden Laser, aber es bietet einen völlig neuen Weg nach vorne. Durch die Verwendung von kontinuierlichem Licht und Quantenkorrelationen haben sie gezeigt, dass die zeitaufgelöste Spektroskopie ohne die Notwendigkeit teurer, komplexer gepulster Laser durchgeführt werden kann. Dies öffnet die Tür zur Verwendung einfacherer, günstigerer und sicherer Lichtquellen für die medizinische Bildgebung, was potenziell eine langfristige Überwachung von Patienten oder empfindlichen Geweben ermöglicht, die der Intensität herkömmlicher Laser nicht standhalten können. Die Studie etabliert, dass Quantenlicht eine lebensfähige Ressource ist, um in den menschlichen Körper zu blicken, und verwandelt eine theoretische Kuriosität in einen praktischen neuen Weg, das Leben zu messen.