In Vivo Quantum Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy
यह शोध पत्र क्वांटम डिफ्यूज़ ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी (Q-DOS) को प्रस्तुत करता है, जो एक नवीन तकनीक है जो जीवित ऊतकों पर इन विवो (in vivo) टाइम-डोमेन डिफ्यूज़ ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी करने के लिए निरंतर-तरंग स्रोतों से फोटॉन युग्मों के टेम्पोरल सहसंबंधों का उपयोग करती है, जिससे बिना किसी अल्ट्राफास्ट पल्स्ड इल्यूमिनेशन की आवश्यकता के सिंगल-फोटॉन स्तरों पर मात्रात्मक ऑप्टिकल गुणों की प्राप्ति और हेमोडायनामिक निगरानी संभव हो पाती है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
प्रकाश मानव शरीर के भीतर बिना एक भी कट लगाए झांकने के लिए एक अद्भुत उपकरण है। जब डॉक्टर उंगली या स्तन के माध्यम से निकट-अवरक्त (near-infrared) प्रकाश की एक किरण प्रवाहित करते हैं, तो वह प्रकाश एक सीधी रेखा में नहीं चलता है। इसके बजाय, यह कोशिकाओं और अणुओं से टकराकर बिखर जाता है, और दूसरी ओर से निकलने से पहले एक अराजक, यादृच्छिक पथ (random walk) पर चलता है। वैज्ञानिक यह गणना करने के लिए कि उन बिखरे हुए फोटोन को पहुँचने में बिल्कुल कितना समय लगता है, ऊतक (tissue) की मोटाई और यह कितना अवशोषित करता है, इसका सटीक माप ले सकते हैं, जिससे रक्त प्रवाह और ऑक्सीजन के स्तर का विवरण प्रकट होता है। यह तकनीक, जिसे 'टाइम-डोमेन डिफ्यूज ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी' कहा जाता है, लंबे समय से स्टॉपवॉच के रूप में कार्य करने के लिए लेजर प्रकाश के अविश्वसनीय रूप से तेज़, अति-लघु पल्स (ultra-short pulses) चलाने पर निर्भर रही है। पल्स की शुरुआत और फोटोन के आगमन का समय ही पूरी कहानी बताता है। हालाँकि, ये लेजर जटिल, महंगे होते हैं, और बहुत चमकीले हो सकते हैं जो नाजुक जैविक नमूनों को नुकसान पहुँचा सकते हैं यदि इनका लंबे समय तक उपयोग किया जाए।
पॉलिटेक्निको डि मिलानो और ग्लासगो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस प्रयोग को चलाने का एक मौलिक रूप से भिन्न तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने शक्तिशाली, पल्स्ड लेजर को प्रकाश की एक निरंतर, स्थिर किरण से बदल दिया और पारंपरिक स्टॉपवॉच को क्वांटम भौतिकी के एक चमत्कार से बदल दिया। एक एकल पल्स को समय देने के बजाय, उन्होंने प्रकाश के कणों के जोड़ों का उपयोग किया जो एक साथ पैदा होते हैं और एक-दूसरे से रहस्यमय रूप से जुड़े रहते हैं, चाहे वे कितनी भी दूर क्यों न चले जाएं। जोड़े के एक कण को ऊतक के माध्यम से भेजा जाता है, जबकि उसके जुड़वां को सिग्नल देने के लिए एक डिटेक्टर द्वारा पकड़ा जाता है कि यात्रा का सटीक क्षण कब शुरू हुआ था। यह विधि, जिसे शोधकर्ता 'क्वांटम डिफ्यूज ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी' कहते हैं, उन्हें बहुत कम रोशनी और साधारण, शोर वाले डिटेक्टरों के उपयोग के बावजूद, अत्यधिक सटीकता के साथ ऊतक के माध्यम से प्रकाश के पथ को मैप करने की अनुमति देती है।
शोधकर्ताओं ने अपने नए सिस्टम का परीक्षण करने के लिए मानव ऊतक के प्रकाश बिखराव की नकल करने के लिए डिज़ाइन किए गए सामग्री के ब्लॉकों का उपयोग किया। ये ब्लॉक, जिनमें प्रकाश को बिखेरने के लिए सिलिकॉन जैसी सामग्री और अवशोषण के लिए काली स्याही का मिश्रण था, विभिन्न मोटाई के स्लैबों में कटे हुए थे। उन्होंने इन ब्लॉकों के माध्यम से प्रकाश के सफर को अपने क्वांटम सेटअप का उपयोग करके मापा और परिणामों की तुलना एक मानक, उच्च-स्तरीय पल्स्ड लेजर सिस्टम से की। क्वांटम पद्धति ने प्रकाश यात्रा के समय के समान विस्तृत मानचित्र तैयार किए, और सटीक रूप से गणना की कि सामग्री ने प्रकाश को कितना अवशोषित और बिखेरा। इसने सिद्ध किया कि जुड़े हुए फोटोन जोड़ों के बीच का समय सहसंबंध (timing correlations) एक पल्स्ड लेजर के लिए एक आदर्श विकल्प के रूप में कार्य कर सकता है, जो बिखराव वाले माध्यम के माध्यम से प्रकाश की यात्रा को पुनर्गठित करने के लिए आवश्यक संदर्भ प्रदान करता है।
यह देखने के लिए कि क्या यह दृष्टिकोण वास्तविक दुनिया की जटिलताओं को संभाल सकता है, टीम ने महत्वपूर्ण मात्रा में बैकग्राउंड शोर (background noise) पेश किया। उन्होंने अपने उच्च-स्तरीय डिटेक्टर को एक बहुत सस्ते, शोर वाले सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर से बदल दिया और एक शोर भरे वातावरण का अनुकरण करने के लिए कमरे में एक चमकदार, असंबद्ध प्रकाश डाला। एक पारंपरिक सेटअप में, यह बैकग्राउंड लाइट ऊतक से आने वाले कमजोर सिग्नल को दबा देगी। फिर भी, क्योंकि क्वांटम सिस्टम केवल उन्हीं फोटोन को गिनता था जो अपने जुड़वां साथियों के साथ पूर्ण तालमेल में आते थे, इसने शोर को सफलतापूर्वक छान लिया। सिस्टम अभी भी शोर के बीच से वास्तविक सिग्नल को पहचान सकता था, और शोर सिग्नल से हजारों गुना अधिक होने के बावजूद ऊतक के गुणों के सटीक माप प्राप्त करने में सक्षम था। बिना किसी सटीक डिटेक्टर के सुई को घास के ढेर में खोजने की यह क्षमता बताती है कि इस तकनीक को अंततः किफायती और पोर्टेबल बनाया जा सकता है।
शोधकर्ताओं ने प्लास्टिक ब्लॉकों से आगे बढ़कर जैविक तरल पदार्थों का उपयोग किया। उन्होंने मानव शरीर के भीतर के जटिल वातावरण का अनुकरण करने के लिए पशु रक्त और एक दूधिया बिखराव वाली तरल पदार्थ के मिश्रण का निर्माण किया। मिश्रण में रक्त की मात्रा बदलकर, उन्होंने दिखाया कि सिस्टम यह पता लगा सकता है कि प्रकाश कितना अवशोषित होता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने ऑक्सीजन के प्रति संवेदनशीलता का प्रदर्शन किया। जैसे ही उन्होंने रक्त से ऑक्सीजन को हटाया, सिस्टम ने अवशोषण में बदलाव का पता लगाया, और जैसे-जैसे रक्त विऑक्सीजनित (deoxygenated) हुआ, उसने उस परिवर्तन को ट्रैक किया। यह अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि ऑक्सीजन युक्त और ऑक्सीजन की कमी वाले रक्त के बीच अंतर करने की क्षमता कार्यात्मक मस्तिष्क इमेजिंग और ट्यूमर का पता लगाने का आधार है। क्वांटम सिस्टम ने इन परिवर्तनों को स्पष्ट रूप से ट्रैक किया, भले ही माप केवल एक सेकंड में लिए गए हों, जिससे सिद्ध हुआ कि यह तीव्र जैविक परिवर्तनों को पकड़ सकता है।
अंत में, टीम ने अपने प्रयोग को जीवित मनुष्यों तक पहुँचाया। उन्होंने एक स्वयंसेवक की बांह पर ब्लड प्रेशर कफ लगाया और उंगली के माध्यम से गुजरने वाले प्रकाश को मापा। जैसे ही कफ को रक्त प्रवाह रोकने के लिए फुलाया गया, शोधकर्ताओं ने प्रकाश के अवशोषण में वास्तविक समय में बदलाव देखा। डेटा ने दिखाया कि कफ द्वारा रक्त प्रवाह रुकने के दौरान, जब उंगली का रक्त विऑxit (deoxygenated) हो रहा था, तो अवशोषण में निरंतर वृद्धि हुई, और कफ को छोड़ने और ताज़ा रक्त के वापस बहने के बाद इसमें तेजी से गिरावट आई। एक जीवित व्यक्ति में रक्त प्रवाह और ऑक्सीजनेशन की इस गतिशील ट्रैकिंग ने पुष्टि की कि क्वांटम विधि वास्तविक, चलते-फिरते ऊतकों पर काम करती है। यह पहली बार है जब निरंतर स्रोत और जुड़े हुए फोटोन जोड़ों द्वारा उत्पन्न प्रकाश का उपयोग करके मनुष्यों पर ऐसे माप किए गए हैं।
यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि यह अस्पतालों के लिए कल ही तैयार एक पूर्ण चिकित्सा उपकरण है। ये माप 'प्रूफ-ऑफ-कांसेप्ट' थे, जो यह दिखाते हैं कि भौतिकी काम करती है और डेटा विश्वसनीय है। शोधकर्ताओं का कहना है कि उनका सिस्टम अनिवार्य रूप से मौजूदा सर्वोत्तम लेजर से अधिक संवेदनशील नहीं है, लेकिन यह एक पूरी तरह से नया रास्ता प्रदान करता है। निरंतर प्रकाश और क्वांटम सहसंबंधों का उपयोग करके, उन्होंने दिखाया है कि पल्स्ड लेजर की आवश्यकता के बिना 'टाइम-डोमेन स्पेक्ट्रोस्कोपी' की जा सकती है। यह सरल, सस्ते और सुरक्षित प्रकाश स्रोतों का उपयोग करके मेडिकल इमेजिंग के लिए नए द्वार खोलता है, जिससे रोगियों या नाजुक ऊतकों की दीर्घकालिक निगरानी संभव हो सकती है जो पारंपरिक लेजर की तीव्रता को सहन नहीं कर सकते। यह अध्ययन स्थापित करता है कि क्वांटिक प्रकाश मानव शरीर के भीतर देखने के लिए एक व्यवहार्य संसाधन है, जो एक सैद्धांतिक जिज्ञासा को जीवन को मापने के एक व्यावहारिक नए तरीके में बदल देता है।
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