In Vivo Quantum Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy

La luz es una herramienta extraordinaria para mirar dentro del cuerpo humano sin realizar un solo corte. Cuando los médicos proyectan un haz de luz infrarroja cercana a través de un dedo o un seno, esa luz no viaja en línea recta. En su vez, rebota en células y moléculas, dispersándose en un paseo caótico y aleatorio antes de emerger en el otro lado. Al medir exactamente cuánto tiempo tardan esos fotones dispersos en llegar, los científicos pueden calcular el grosor del tejido y cuánto absorbe, revelando detalles sobre el flujo sanguíneo y los niveles de oxígeno. Esta técnica, conocida como espectroscopia óptica difusa en el dominio del tiempo, ha dependido durante mucho tiempo de la emisión de pulsos de luz láser increíblemente rápidos y ultracortos para actuar como un cronómetro. El tiempo de inicio del pulso y la llegada del fotón cuentan la historia. Sin embargo, estos láseres son complejos, costosos y pueden ser demasiado brillantes para muestras biológicas delicadas, lo que podría causar daños si se utilizan durante mucho tiempo.

Un equipo de investigadores del Politecnico di Milano y la Universidad de Glasgow ha demostrado ahora una forma fundamentalmente diferente de ejecutar este experimento. Reemplazaron el potente láser pulsado por un haz de luz continuo y constante, y cambiaron el cronómetro tradicional por un truco de la física cuántica. En lugar de medir un solo pulso, utilizaron pares de partículas de luz que nacen juntas y permanecen misteriosamente vinculadas, sin importar qué tan lejos viajen. Una partícula del par se envía a través del tejido, mientras que su gemela es capturada por un detector para señalar el momento exacto en que comenzó el viaje. Este método, que los investigadores llaman espectroscopia óptica difusa cuántica, les permite mapear la trayectoria de la luz a través del tejido con extrema precisión, incluso utilizando luz muy tenue y detectores simples y ruidosos.

Los investigadores comenzaron probando su nuevo sistema en bloques de material diseñados para imitar la forma en que el tejido humano dispersa la luz. Estos bloques, hechos de una sustancia similar a la silicona mezclada con polvo blanco para dispersar la luz y tinta negra para absorberla, fueron cortados en láminas de diversos espesores. Midieron cómo viajaba la luz a través de estos bloques utilizando su configuración cuántica y compararon los resultados con un sistema de láser pulsado estándar de alta gama. El método cuántico produjo los mismos mapas detallados de los tiempos de viaje de la luz que el láser convencional, calculando con precisión cuánto absorbía y dispersaba la luz el material. Esto demostró que las correlaciones temporales entre los pares de fotones vinculados podían servir como un sustituto perfecto para un láser pulsado, proporcionando la referencia necesaria para reconstruir el viaje de la luz a través de un medio de dispersión.

Para ver si este enfoque podía manejar la realidad desordenada del mundo real, el equipo introdujo una cantidad significativa de ruido de fondo. Cambiaron su detector de alta gama por un fotomultiplicador de silicio mucho más barato y ruidoso, y proyectaron una luz brillante y no correlacionada en la habitación para simular un entorno ruidoso. En una configuración tradicional, esta luz de fondo ahogaría la débil señal del tejido. Sin embargo, debido a que el sistema cuántico solo contaba los fotones que llegaban en perfecta sincronía con sus compañeros gemelos, logró filtrar el ruido. El sistema pudo distinguir la señal real del caos, recuperando mediciones precisas de las propiedades del tejido incluso cuando el ruido de fondo era miles de veces más fuerte que la señal. Esta capacidad de encontrar una aguja en un pajar sin necesidad de un detector perfecto sugiere que la tecnología podría eventualmente volverse asequible y portátil.

Los investigadores pasaron luego de los bloques de plástico a los fluidos biológicos. Crearon mezclas de sangre animal y un líquido lechoso dispersante para simular el entorno complejo dentro de un cuerpo humano. Al cambiar la cantidad de sangre en la mezcla, demostraron que el sistema podía detectar cambios en cuánto se absorbe la luz. Más importante aún, demostraron sensibilidad al oxígeno. A medida que eliminaban el oxígeno de la sangre, el sistema detectaba un cambio en la absorción, rastreando el cambio a medida que la sangre se desoxigenaba. Esto es crucial porque la capacidad de distinguir entre sangre rica en oxígeno y pobre en oxígeno es la base de la imagen funcional cerebral y la detección de tumores. El sistema cuántico rastreó estos cambios claramente, incluso cuando las mediciones se realizaron en solo un segundo, demostrando que podía capturar cambios biológicos rápidos.

Finalmente, el equipo llevó el experimento a humanos vivos. Colocaron un manguito de presión sanguínea en el brazo de un voluntario y midieron la luz que pasaba a través del dedo meñique. Mientras el manguito se inflaba para detener el flujo sanguíneo, los investigadores observaron cómo cambiaba la absorción de la luz en tiempo real. Los datos mostraron un aumento constante en la absorción a medida que la sangre en el dedo se desoxigenaba durante el bloqueo, seguido de una rápida disminución una vez que se liberaba el manguito y el flujo de sangre fresca regresaba. El seguimiento dinámico del flujo sanguíneo y la oxigenación en una persona viva confirmó que el método cuántico funciona en tejido real y en movimiento. Es la primera vez que se realizan tales mediciones en humanos utilizando luz generada por una fuente continua y pares de fotones vinculados.

Este trabajo no pretende ser una herramienta médica terminada y lista para los hospitales mañana. Las mediciones fueron una prueba de concepto, demostrando que la física funciona y que los datos son fiables. Los investigadores señalan que su sistema no es necesariamente más sensible que los mejores láseres existentes, pero ofrece un camino completamente nuevo hacia adelante. Al utilizar luz continua y correlaciones cuánticas, han demostrado que la espectroscopia en el dominio del tiempo puede realizarse sin la necesidad de láseres pulsados complejos y costosos. Esto abre la puerta al uso de fuentes de luz más simples, baratas y seguras para la imagen médica, permitiendo potencialmente el monitoreo a largo plazo de pacientes o tejidos delicados que no pueden soportar la intensidad de los láseres tradicionales. El estudio establece que la luz cuántica es un recurso viable para ver dentro del cuerpo humano, convirtiendo una curiosidad teórica en una nueva forma práctica de medir la vida.