In Vivo Quantum Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy

A luz é uma ferramenta extraordinária para observar o interior do corpo humano sem fazer um único corte. Quando os médicos projetam um feixe de luz infravermelha próxima ao visível através de um dedo ou de uma mama, essa luz não viaja em linha reta. Em vez disso, ela rebate em células e moléculas, espalhando-se em um passeio caótico e aleatório antes de emergir do outro lado. Ao medir exatamente quanto tempo leva para esses fótons espalhados chegarem, os cientistas podem calcular a espessura do tecido e o quanto ele absorve, revelando detalhes sobre o fluxo sanguíneo e os níveis de oxigênio. Essa técnica, conhecida como espectroscopia óptica difusa no domínio do tempo, tem dependido há muito tempo do disparo de pulsos de laser ultra-curtos e incrivelmente rápidos para atuar como um cronômetro. O tempo de início do pulso e a chegada do fóton contam a história. No entanto, esses lasers são complexos, caros e podem ser brilhantes demais para amostras biológicas delicadas, podendo causar danos se usados por muito tempo.

Uma equipe de pesquisadores do Politecnico di Milano e da Universidade de Glasgow demonstrou agora uma maneira fundamentalmente diferente de realizar este experimento. Eles substituíram o laser pulsado potente por um feixe de luz contínuo e constante e trocaram o cronômetro tradicional por um truque da física quântica. Em vez de cronometrar um único pulso, eles usaram pares de partículas de luz que nascem juntas e permanecem misteriosamente ligadas, não importa o quão longe viajem. Uma partícula do par é enviada através do tecido, enquanto sua gêmea é capturada por um detector para sinalizar o momento exato em que a jornada começou. Este método, que os pesquisadores chamam de espectroscopia óptica quântica difusa, permite mapear o caminho da luz através do tecido com extrema precisão, mesmo usando luz muito fraca e detectores simples e ruidosos.

Os pesquisadores começaram testando seu novo sistema em blocos de material projetados para imitar a maneira como o tecido humano espalha a luz. Esses blocos, feitos de uma substância semelhante ao silicone misturada com pó branco para espalhar a luz e tinta preta para absorvê-la, foram cortados em placas de espessuras variadas. Eles mediram como a luz viajava através desses blocos usando sua configuração quântica e compararam os resultados com um sistema de laser pulsado padrão de alto desempenho. O método quântico produziu os mesmos mapas detalhados de tempos de viagem da luz que o laser convencional, calculando com precisão o quanto o material absorvia e espalhava a luz. Isso provou que as correlações temporais entre os pares de fótons ligados poderiam servir como um substituto perfeito para um laser pulsado, fornecendo a referência necessária para reconstruir a jornada da luz através de um meio de espalhamento.

Para ver se essa abordagem conseguiria lidar com a realidade desordenada do mundo real, a equipe introduziu uma quantidade significativa de ruído de fundo. Eles substituíram seu detector de alto nível por um fotomultiplicador de silício muito mais barato e ruidoso e projetaram uma luz brilhante e não correlacionada na sala para simular um ambiente ruidoso. Em uma configuração tradicional, essa luz de fundo afogaria o sinal fraco do tecido. No entanto, como o sistema quântico apenas contava os fótons que chegavam em perfeita sincronia com seus parceiros gêmeos, ele conseguiu filtrar o ruído. O sistema ainda conseguia distinguir o sinal verdadeiro do caos, recuperando medições precisas das propriedades do tecido, mesmo quando o ruído de fundo era milhares de vezes mais forte que o sinal. Essa capacidade de encontrar uma agulha em um palheiro sem precisar de um detector perfeito sugere que a tecnologia poderá eventualmente se tornar acessível e portátil.

Os pesquisadores então passaram dos blocos de plástico para fluidos biológicos. Eles criaram misturas de sangue animal e um líquido leitoso de espalhamento para simular o ambiente complexo dentro de um corpo humano. Ao alterar a quantidade de sangue na mistura, mostraram que o sistema consegue detectar mudanças na absorção de luz. Mais importante ainda, demonstraram sensibilidade ao oxigênio. À medida que removiam o oxigênio do sangue, o sistema detectava uma mudança na absorção, rastreando a alteração conforme o sangue se tornava desoxigenado. Isso é crucial porque a capacidade de distinguir entre sangue rico em oxigênio e pobre em oxigênio é a base da imagem funcional do cérebro e da detecção de tumores. O sistema quântico rastreou essas mudanças claramente, mesmo quando as medições foram feitas em apenas um segundo, provando que pode capturar mudanças biológicas rápidas.

Finalmente, a equipe levou o experimento para seres humanos vivos. Eles colocaram um manguito de pressão arterial no braço de um voluntário e mediram a luz passando pelo dedo mínimo. Conforme o manguito era inflado para interromper o fluxo sanguíneo, os pesquisadores observaram a absorção da luz mudar em tempo real. Os dados mostraram um aumento constante na absorção à medida que o sangue no dedo se tornava desoxigenado durante o bloqueio, seguido por uma rápida diminuição assim que o manguito era liberado e o sangue fresco voltava a fluir. O rastreamento dinâmico do fluxo sanguíneo e da oxigenação em uma pessoa viva confirmou que o método quântico funciona em tecidos reais e em movimento. É a primeira vez que tais medições são realizadas em humanos usando luz gerada por uma fonte contínua e pares de fótons ligados.

Este trabalho não afirma ser uma ferramenta médica finalizada pronta para hospitais amanhã. As medições foram uma prova de conceito, mostrando que a física funciona e que os dados são confiáveis. Os pesquisadores observam que seu sistema não é necessariamente mais sensível que os melhores lasers existentes, mas oferece um caminho completamente novo a seguir. Ao usar luz contínua e correlações quânticas, eles mostraram que a espectroscopia no domínio do tempo pode ser feita sem a necessidade de lasers pulsados caros e complexos. Isso abre as portas para o uso de fontes de luz mais simples, baratas e seguras para o diagnóstico por imagem médica, permitindo potencialmente o monitoramento de longo prazo de pacientes ou de tecidos delicados que não suportariam a intensidade dos lasers tradicionais. O estudo estabelece que a luz quântica é um recurso viável para ver o interior do corpo humano, transformando uma curiosidade teórica em uma nova forma prática de medir a vida.