In Vivo Quantum Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy

光是一种非凡的工具，可以让我们在无需进行任何切割的情况下观察人体内部。当医生将近红外光束射入手指或乳房时，这些光并不会沿直线传播。相反，它们会从细胞和分子上反弹，在一种混沌、随机的行走中发生散射，最后从另一侧穿出。通过精确测量这些散射光子到达所需的时间，科学家可以计算出组织的厚度以及吸收程度，从而揭示血流和氧水平的细节。这种被称为“时域扩散光学光谱技术”（time-domain diffuse optical spectroscopy）的技术，长期以来一直依赖于发射极快、超短的激光脉冲来充当秒表。脉冲开始的时间与光子到达的时间共同讲述了其中的故事。然而，这些激光器复杂且昂贵，并且对于脆弱的生物样本来说可能过于明亮，如果使用时间过长，可能会造成损伤。

米兰理工大学和格拉斯哥大学的研究团队现在展示了一种运行该实验的截然不同的方式。他们用连续、稳定的光束取代了强大的脉冲激光，并用量子物理学的一个技巧取代了传统的秒表。他们没有对单个脉冲进行计时，而是使用了同时诞生并保持神秘关联的光子对，无论它们相隔多远。这对光子中的一个粒子被送入组织，而其孪生兄弟则被探测器捕捉，以标记旅程开始的确切时刻。研究人员称这种方法为“量子扩散光学光谱技术”，它能够以极高的精度绘制光在组织中的路径，即使是在使用非常微弱的光和简单的、充满噪声的探测器时也是如此。

研究人员首先在旨在模拟人体组织散射方式的材料块上测试了他们的新系统。这些材料块由混合了白色粉末（用于散射光）和黑色墨水（用于吸收光）的类硅胶物质制成，并被切割成不同厚度的薄片。他们使用量子装置测量了光穿过这些材料块的过程，并将结果与标准的、高端的脉冲激光系统进行了对比。量子方法产生了与传统激光相同的详细光行进时间图谱，准确地计算了材料吸收和散射光的情况。这证明了由于关联光子对之间的计时相关性可以作为脉冲激光器的完美替代品，提供了重建光在散射介质中行程所需的参考。

为了观察这种方法是否能应对现实世界的复杂情况，团队引入了大量的背景噪声。他们将高端探测器更换为更便宜、噪声更大的硅光电倍增管，并在房间里照射强烈的、不相关的光，以模拟嘈ibles的环境。在传统设置中，这种背景光会淹没来自组织的微弱信号。然而，由于量子系统只计算那些与孪生伙伴完美同步到达的光子，它成功地过滤掉了噪声。该系统仍能从混沌中分辨出真实的信号，即使在背景噪声比信号强数千倍的情况下，也能检索出组织属性的准确测量值。这种无需完美探测器就能“大海捞针”的能力，表明这项技术最终可以变得经济实惠且便携。

随后，研究人员从塑料块转向了生物液体。他们创建了动物血液与乳白色散射液体混合而成的混合物，以模拟人体内的复杂环境。通过改变混合物中血液的含量，他们展示了系统检测光吸收变化的能力。更重要的是，他们展示了对氧气的敏感性。随着他们从血液中移除氧气，系统检测到了吸收率的变化，并追踪了血液脱氧的过程。这至关重要，因为区分富氧血和贫氧血的能力是功能性脑成像和肿瘤检测的基础。量子系统清晰地追踪了这些变化，即使测量仅用了一秒钟，也证明了它能够捕捉快速的生物变化。

最后，团队将实验带到了活体人类身上。他们将一个血压计袖带套在志愿者的手臂上，并测量穿过小指的光。当袖带充气以阻断血流时，研究人员实时观察到了光吸收的变化。数据显示，随着袖循环受阻导致手指血液脱氧，吸收率稳步上升；而一旦释放袖带，新鲜血液流入，吸收率又迅速下降。这种在活体人类身上动态追踪血流和氧合情况的过程，证实了该量子方法适用于真实的、运动中的组织。这也是首次使用由连续光源和关联光子对产生的光在人体上进行此类测量。

这项工作并不声称是一项已经准备好进入医院的成熟医疗工具。这些测量属于概念验证，证明了物理原理是成立的，且数据是可靠的。研究人员指出，他们的系统不一定比现有的最佳激光器更灵敏，但它提供了一条全新的路径。通过使用连续光和量子相关性，他们证明了时域光谱技术可以在不需要昂贵、复杂的脉冲激光器的情况下实现。这为使用更简单、更便宜且更安全的光源进行医学成像打开了大门，可能实现对患者或脆弱组织的长期监测。该研究确立了量子光是观察人体内部的一种可行资源，将一个理论上的奇思妙想转化为了测量生命的实用新方法。