In Vivo Quantum Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy

Licht is een opmerkelijk hulpmiddel om in het menselijk lichaam te kijken zonder ook maar één snee te maken. Wanneer artsen een straal nabij-infrarood licht door een vinger of een borst laten schijnen, reist dat licht niet in een rechte lijn. In plaats daarvan kaatst het tegen cellen en moleculen aan en verstrooit het in een chaotische, willekeurige wandeling voordat het aan de andere kant naar buiten komt. Door precies te meten hoe lang het duurt voordat die verstrooide fotonen arriveren, kunnen wetenschappers de dikte van het weefsel en de mate van absorptie berekenen, wat details onthult over de bloeddoorstroming en het zuurstofgehalte. Deze techniek, bekend als time-domain diffuse optische spectroscopie, heeft lang vertrouwd op het afvuren van ongelooflijk snelle, ultrakorte laserpulsen om als stopwatch te fungeren. De timing van de pulsstart en de aankomst van het foton vertellen het verhaal. Deze lasers zijn echter complex, duur en kunnen te fel zijn voor delicate biologische monsters, wat potentieel schade kan veroorzaken als ze te lang worden gebruikt.

Een team onderzoekers van de Politecnico di Milano en de University of Glasgow heeft nu een fundamenteel andere manier gedemonstreerd om dit experiment uit te voeren. Ze vervingen de krachtige, gepulseerde laser door een continue, constante lichtstraal en vervingen de traditionele stopwatch door een trucje uit de kwantumfysica. In plaats van een enkele puls te timen, gebruikten ze paren lichtdeeltjes die samen worden geboren en mysterieus verbonden blijven, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd raken. Eén deeltje van het paar wordt door het weefsel gestuurd, terwijl zijn tweeling door een detector wordt opgevangen om het exacte moment te signaleren waarop de reis begon. Deze methode, die de onderzoekers quantum diffuse optische spectroscopie noemen, stelt hen in staat om het pad van het licht door weefsel met extreme precisie in kaart te brengen, zelfs wanneer ze zeer zwak licht en eenvoudige, ruisgevoelige detectoren gebruiken.

De onderzoekers begonnen hun nieuwe systeem te testen op blokken materiaal die ontworpen zijn om de manier waarop menselijk weefsel licht verstrooit na te bootsen. Deze blokken, gemaakt van een siliconenachtige substantie gemengd met wit poeder om licht te verstrooien en zwarte inkt om licht te absorberen, werden in platen van verschillende diktes gesneden. Ze maten hoe het licht door deze blokken reisde met hun quantumopstelling en vergeleken de resultaten met een standaard, hoogwaardig gepulseerd lasersysteem. De quantummethode produceerde dezelfde gedetailleerde kaarten van de lichtreistijden als de conventionele laser, waarbij nauwkeurig werd berekend hoeveel het materiaal het licht absorbeerde en verstrooide. Dit bewees dat de tijdscorrelaties tussen de gekoppelde fotonenparen een perfect substituut konden zijn voor een gepulseerde laser, waarbij de noodzakelijke referentie werd geleverd om de reis door een verstrooiend medium te reconstrueren.

Om te zien of deze aanpak de rommelige realiteit van de echte wereld aan kon, introduceerde het team een aanzienlijke hoeveelheid achtergrondruis. Ze vervingen hun hoogwaardige detector voor een veel goedkopere, ruisgevoeligere siliciumfotomultiplicator en schijnen een fel, ongecorreleerd licht in de kamer om een lawaaierige omgeving te simuleren. In een traditionele opstelling zou dit achtergrondlicht het zwakke signaal van het weefsel overstemmen. Omdat het quantum systeem echter alleen fotonen telde die in perfecte synchronisatie met hun tweelingpartners arriveerden, slaagde het erin de ruis eruit te filteren. Het systeem kon het ware signaal nog steeds onderscheiden van de chaos en leverde nauwkeurige metingen van de eigenschappen van het weefsel, zelfs wanneer de achtergrondruis duizenden malen sterker was dan het signaal. Dit vermogen om een speld in een hooiberg te vinden zonder een perfecte detector nodig te hebben, suggereert dat de technologie uiteindelijk betaalbaar en draagbaar gemaakt kan worden.

De onderzoekers gingen vervolgens van plastic blokken over naar biologische vloeistoffen. Ze creëerden mengsels van dierlijk bloed en een melkachtige, verstrooiende vloeistof om de complexe omgeving binnen een menselijk lichaam na te bootsen. Door de hoeveelheid bloed in het mengsel te veranderen, lieten ze zien dat het systeem veranderingen in de mate van lichtabsorptie kan detecteren. Belangrijker nog, ze demonstreerden gevoeligheid voor zuurstof. Terwijl ze zuurstof uit het bloed verwijderden, detecteerde het systeem een verschuiving in absorptie en volgde het de verandering naarmate het bloed deoxygeniseerde. Dit is cruciaal omdat het vermogen om onderscheid te maken tussen zuurstofrijk en zuurstofarm bloed de basis vormt voor functionele hersenbeeldvorming en tumordetectie. Het quantum systeem volgde deze veranderingen duidelijk, zelfs toen de metingen in slechts één seconde werden uitgevoerd, wat bewees dat het snelle biologische verschuivingen kan vastleggen.

Ten slotte bracht het team het experiment naar levende mensen. Ze plaatsten een bloeddrukband om de arm van een vrijwilliger en maten het licht dat door de kleine vinger trok. Terwijl de band werd opgeblazen om de bloedstroom te stoppen, zagen de onderzoekers de absorptie van het licht in realtime veranderen. De gegevens toonden een gestage toename van de absorptie naarmate het bloed in de vinger deoxygeniseerde tijdens de blokkade, gevolgd door een snelle afname zodra de band werd losgelaten en er weer vers bloed doorheen stroomde. Deze dynamische tracking van bloedstroom en zuurstofgehalte in een levend persoon bevestigde dat de quantummethode werkt op echt, bewegend weefsel. Dit is de eerste keer dat dergelijke metingen bij mensen zijn uitgevoerd met licht gegenereerd door een continue bron en gekoppelde fotonenparen.

Dit werk claimt geen afgerond medisch instrument te zijn dat morgen klaar is voor gebruik in ziekenhuizen. De metingen waren een bewijs van concept, die aantoonden dat de fysica werkt en dat de gegevens betrouwbaar zijn. De onderzoekers merken op dat hun systeem niet noodzakelijkerwijs gevoeliger is dan de beste bestaande lasers, maar dat het een compleet nieuw pad biedt. Door continu licht en quantumcorrelaties te gebruiken, hebben ze aangetoond dat time-domain spectroscopie mogelijk is zonder de noodzaak van dure, complexe gepulseerde lasers. Dit opent de deur naar het gebruik van eenvoudigere, goedkopere en veiligere lichtbronnen voor medische beeldvorming, wat potentieel langdurige monitoring van patiënten of delicate weefsels mogelijk maakt die de intensiteit van traditionele lasers niet kunnen verdragen. De studie vestigt de status dat quantumlicht een levensvatbare bron is om in het menselijk lichaam te kijken, waardoor een theoretische curiositeit wordt omgezet in een praktische nieuwe manier om het leven te meten.