In Vivo Quantum Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy

光は、体に一切の傷をつけることなく、人体内部を観察するための驚くべき道具です。医師が指や乳房に近赤外光のビームを照射すると、その光は直線的に進むのではなく、細胞や分子に跳ね返り、混沌としたランダムウォークのように散乱しながら、反対側に現れます。科学者たちは、これら散乱したフォトンの到着に正確にどれくらいの時間がかかるかを測定することで、組織の厚さや吸収量を算出し、血流や酸素レベルの詳細を明らかにすることができます。タイムドメイン拡散光分光法として知られるこの技術は、長らく、ストップウォッチの役割を果たすために、極めて高速で超短パルスなレーザー光を発射することに依存してきました。パルスの開始とフォトンの到着のタイミングが、物語を語るのです。しかし、これらのレーザーは複雑で高価であり、また、繊細な生物学的試料に対しては明るすぎることがあり、長時間使用すると損傷を与える可能性があります。

ミラノ工科大学とグラスゴー大学の研究チームは、この実験を行うための根本的に異なる方法を実証しました。彼らは、強力なパルスレーザーを連続的な一定の光のビームに置き換え、従来のストップウォッチを量子物理学のトリックへと入れ替えました。単一のパルスを計測する代わりに、彼らは、どれほど遠く離れて移動しても、共に生まれ、不可解なほど結びついたままの状態にある光の粒子のペアを使用しました。ペアの一方の粒子は組織を通過させ、もう一方の双子は、旅が始まった正確な瞬間を知らせるために検出器によって捉えられます。研究者たちが量子拡散光分光法と呼ぶこの手法により、非常に暗い光や単純でノイズの多い検出器を使用した場合でも、組織を通る光の経路を極めて精密にマッピングすることが可能になります。

研究者たちはまず、人間の組織が光を散乱させる様子を模した材料のブロックを用いて、新しいシステムのテストを開始しました。これらのブロックは、光を散乱させるための白い粉末と、光を吸収するための黒いインクを混ぜたシリコンのような物質で作られており、さまざまな厚さの板状にカットされています。彼らは、量子セットアップを用いてこれらのブロックを通過する光を測定し、その結果を標準的な高性能パルスレーザーシステムと比較しました。量子手法は、従来のレーザーと同じ詳細な光の移動時間マップを作成し、材料が光をどの程度吸収し、散乱させたかを正確に算出しました。これにより、結びついたフォトンの間のタイミングの相関関係が、パルスレーザーの完全な代用となり、散乱媒体を通る光の旅を再構成するために必要なリファレンスを提供できることが証明されました。

このアプローチが現実世界の複雑な状況に対処できるかどうかを確認するため、チームはかなりの量のバックグラウンドノイズを導入しました。彼らは高性能な検出器を、より安価でノイズの多いシリコンフォトマルチプライヤーに交換し、部屋の中に明るく無相関な光を照射して、ノイズの多い環境をシミュレートしました。従来のセットアップでは、この背景光は組織からの微弱な信号をかき消してしまうでしょう。しかし、量子システムは、自身の双子のパートナーと完璧に同期して到着したフォトンのみをカウントするため、ノイズをフィルタリングすることに成功しました。システムは、背景ノイズが信号よりも数千倍強力である場合でも、真の信号を混沌の中から識別することができました。完璧な検出器を必要とせずに「干し草の山から針を見つける」ことができるこの能力は、この技術がいずれ手頃な価格で携帯可能なものになる可能性を示唆しています。

研究者たちは次に、プラスチックのブロックから生物学的液体へと移行しました。彼らは、人間の体内の複雑な環境をシミュレートするために、動物の血液と乳白色の散乱液を混合したものを作成しました。混合物中の血液の量を変化させることで、彼らはシステムが光の吸収量の変化を検出できることを示しました。さらに重要なことに、彼らは酸素に対する感度を実証しました。血液から酸素を取り除くと、システムは吸収の変化を検出し、血液が脱酸素状態になる過程を追跡しました。これは、酸素が豊富な血液と酸素が乏しい血液を区別する能力が、機能的脳画像診断や腫瘍検出の基礎となるため、極めて重要です。量子システムは、わずか1秒間の測定でこれらの変化を明確に追跡し、それが急速な生物学的変化を捉えられることを証明しました。

最後に、チームはこの実験を生きている人間に適用しました。ボランティアの腕に血圧計を装着し、指を通過する光を測定しました。血流を止めるためにカフを膨らませると、研究者たちは光の吸収がリアルタイムで変化する様子を観察しました。データは、カフによって血流が遮断され、指の血液が脱酸素状態になるにつれて、吸収が着実に増加し、その後、カフを外して新鮮な血液が流れ込むと、急速に減少することを示しました。生きている人間における血流と酸素化の動的な追跡は、この量子手法が実際の、動いている組織に対して機能することを裏付けました。連続光源と結びついたフォトンのペアを使用して、このような測定が人間に対して行われたのはこれが初めてです。

本研究は、明日から病院で使用できる完成された医療機器を主張するものではありません。これらの測定は概念実証であり、物理学が機能すること、そしてデータが信頼できるものであることを示すものです。研究者たちは、彼らのシステムが必ずしも既存の最高のレーザーよりも高感度であるとは限らないものの、全く新しい道筋を提示していると述べています。連続光と量子の相関関係を用いることで、高価で複雑なパルスレーザーなしでもタイムドメイン分光が可能であることを彼らは示しました。これは、より単純で安価、かつ安全な光源を用いた医学的イメージングへの扉を開き、従来のレーザーの強度に耐えられない繊細な組織や、患者の長期的なモニタリングを可能にする潜在的な可能性を持っています。この研究は、量子光が人体内部を見るための実行可能なリソースであることを確立し、理論的な好奇心を、生命を測定するための実用的な新しい方法へと変えたのです。