Квантовый взгляд на биомедицинскую визуализацию⁠⁠

Автор: Денис Аветисян

В статье представлен обзор современных квантовых методов, открывающих новые возможности для получения изображений в биологии и медицине.

Многопараметрическая квантовая визуализация позволяет восстанавливать как карту глубины волокон (например, в образцах ткани для линз), так и гиперспектральные данные, где спектр в любой точке изображения может быть получен, или, наоборот, можно выделить области изображения, соответствующие определенной длине волны, демонстрируя возможности квантовой корреляционной световой полевой визуализации и гиперспектральной визуализации.

Анализ перспектив и проблем применения квантовой оптики для повышения разрешения, контрастности и чувствительности биомедицинской визуализации.

Несмотря на значительный прогресс в биомедицинской визуализации, достижение предельных разрешений и чувствительности остается сложной задачей. В настоящем обзоре, 'Quantum Optical Techniques for Biomedical Imaging', рассматриваются передовые методы, использующие неклассические свойства света для преодоления фундаментальных ограничений традиционных подходов. Ключевым результатом является демонстрация потенциала квантовой оптики для повышения пространственного разрешения, улучшения отношения сигнал/шум и снижения дозы облучения при визуализации биологических тканей. Смогут ли эти квантовые технологии стать основой для разработки принципиально новых, более точных и безопасных методов диагностики и терапии?

Преодолевая Дифракционный Предел: Квантовый Взгляд на Визуализацию

Традиционные методы оптической визуализации, такие как эндоскопия и суперразрешающая микроскопия, ограничены дифракционным пределом и рассеянием света, что препятствует глубокому проникновению в ткани и получению высокоразрешающих изображений. Ранние методы, например, рентгеновская визуализация, сопряжены с риском радиационного воздействия и недостаточной четкостью. Когерентная дифракционная визуализация и фотоакустические методы сталкиваются с трудностями в достижении оптимального разрешения и контрастности при глубоком проникновении. Квантовая визуализация, использующая коррелированные фотоны, представляет собой перспективный подход к преодолению этих ограничений, позволяя получать информацию о структуре образца, недоступную классическим методам. Достоверность визуализации, как и любого детерминированного процесса, зависит от воспроизводимости полученных результатов.

Экспериментальная схема квантовой визуализации с использованием света низкой интенсивности, полученного в результате спонтанного параметрического рассеяния, включает в себя настройку полной визуализации, где лазер на 355 нм накачивает кристалл BBO, генерируя коллинеарные пары фотонов с пониженной энергией на 710 нм, а выходная грань кристалла отображается как на предметном стекле, содержащем образец, так и на ПЗС-камере, при этом используется линия задержки для компенсации электронных задержек в системе триггера.

Квантовая Корреляция: Новый Импульс для Визуализации

Квантовая визуализация представляет собой парадигматический сдвиг, использующий квантовую запутанность и неклассические корреляции для улучшения разрешения и чувствительности. В отличие от классических методов, квантовая визуализация преодолевает ограничения, связанные с обычным светом, открывая новые возможности анализа образцов. Ключевым элементом является создание и манипулирование квантовыми состояниями света, такими как сжатые состояния и состояния N00N, обладающими уникальными свойствами и позволяющими значительно улучшить характеристики визуализации. Состояния N00N позволяют достичь повышения разрешения, превосходящего дифракционный предел, за счет корреляций между фотонами. Новые методы визуализации, основанные на квантовых состояниях света, улучшают осевое разрешение до 2 раз, как продемонстрировано в квантовой оптической томографии когерентности (QOCT). Эти методы не только повышают качество изображения, но и снижают фототоксичность, что особенно важно для биологических образцов, благодаря уменьшению интенсивности освещения.

В схеме запутанной микроскопии в многофотонном флуоресцентном микроскопе два запутанных фотона направляются на флуорофоры, что приводит к поглощению пары фотонов, при этом многофотонное поглощение флуорофорами снижает количество фотонов, необходимых для освещения образца при фиксированном отношении сигнал/шум, минимизируя потенциальное повреждение, а квантовые измерения с использованием состояний N00N, где два коррелированных луча света освещают немного разные участки образца, позволяют повысить точность.

Регистрация Квантового Сигнала: Методы и Реализация

Для регистрации слабых сигналов в квантовой визуализации требуются высокочувствительные камеры, такие как камеры, чувствительные к одиночным фотонам. Эти камеры являются ключевым компонентом различных схем визуализации, позволяя обнаруживать чрезвычайно слабые световые сигналы. Классическая визуализация призраков, демонстрирует возможности коррелированного детектирования фотонов. В этой технике информация об объекте восстанавливается путем корреляции между двумя детекторами. Квантовые методы визуализации, такие как квантовая спектральная гетеродинная интерферометрия (SHI), демонстрируют потенциал достижения спектрального разрешения до 2 нм за счет использования квантовых корреляций. Визуализация ультраслабого фотонного излучения (UPE) показала предел обнаружения менее 103 фотонов/сек/см2, что позволяет визуализировать чрезвычайно слабые сигналы в биологических системах.

Трехмерная вычислительная визуализация призраков реализуется с помощью экспериментальной установки, в которой световой проектор освещает объект (голову) компьютерными случайными двоичными спеклями, четыре пространственно разделенных однопиксельных фотодетектора фиксируют отраженный свет, а записанные с этих детекторов сигналы обрабатываются для реконструкции вычислительного изображения для каждого канала обнаружения.

Квантовая Визуализация: Перспективы и Расширение Области Применения

Квантовая визуализация обладает огромным потенциалом в биомедицинской визуализации, позволяя проводить более раннюю и точную диагностику заболеваний за счет улучшения разрешения и контрастности. Такое улучшение достигается за счет использования квантовых свойств света для преодоления классических ограничений. В частности, квантовые корреляции в свете позволяют создавать изображения с более высокой детализацией и чувствительностью. Сочетание фотоакустической визуализации с квантовыми улучшениями обеспечивает более глубокое проникновение в ткани и получение более подробной анатомической информации. Квантовое сканирование, использующее запутанные фотоны, снижает уровень шума и повышает сигнал, что особенно важно при визуализации глубоко расположенных тканей. Квантовое световое полевое изображение (LFI) способно достигать в 10 раз большего углового разрешения по сравнению с классическим LFI, открывая новые возможности для трехмерной визуализации. Помимо медицины, квантовая визуализация находит применение в материаловедении, безопасности и фундаментальных исследованиях. Разработка квантовых сенсоров и методов обработки изображений открывает возможности для обнаружения и анализа материалов с беспрецедентной точностью. Каждый квант света, подобно элементу сложной мозаики, вносит свой вклад в создание целостной картины мира, лишенной избыточности и лишних деталей.

Визуализация ультраслабого света (UPE) с использованием квантового сенсора, такого как ПЗС/ЭПЗС-камера с высокой эффективностью обнаружения в видимом диапазоне, позволяет получать изображения образцов в полной темноте, а изображения, полученные с помощью ЭПЗС-камеры живых систем, таких как опухоль в теле мыши, лицо человека во сне и поврежденные листья, демонстрируют, что UPE является признаком жизнеспособности организма при поддержании постоянной температуры.

Исследование квантовых методов визуализации, представленное в данной работе, подчеркивает стремление к повышению разрешения, контрастности и чувствительности в биомедицинской оптике. Этот подход, опирающийся на неклассический свет и запутанность, требует математической строгости и доказательности. Как отмечал Луи де Бройль: «Всякий факт физики может быть объяснен лишь в том случае, если мы признаем, что вся материя обладает волновыми свойствами». Эта мысль созвучна с принципами, лежащими в основе квантовой визуализации, где свет рассматривается не только как поток частиц, но и как волна, несущая информацию о структуре и свойствах исследуемого объекта. Доказательность алгоритмов и корректность математических моделей – залог успешной реализации перспективных методов биомедицинской диагностики.

Что Дальше?

Представленный обзор, хотя и демонстрирует многообещающие перспективы квантово-оптических методов в биомедицинской визуализации, неизбежно наталкивается на суровую реальность. Утверждения о превосходстве квантовой запутанности или однофотонной эмиссии над классическими подходами требуют не просто демонстрации на лабораторных образцах, но и строгих доказательств корректности в условиях, приближенных к реальным биологическим тканям. До тех пор, пока шум и декогеренция не будут покорены математически, а не эмпирически, заявления о повышенном разрешении и контрастности остаются лишь элегантными гипотезами.

Перспективы гиперспектральной визуализации, использующей неклассический свет, безусловно, интригуют. Однако, алгоритмическая сложность обработки таких данных, вкупе с необходимостью создания стабильных и эффективных квантовых источников света, представляет собой серьезный вызов. Необходимо сместить акцент с простого увеличения количества информации к разработке методов, способных извлекать осмысленные данные из этого потока, игнорируя случайные флуктуации.

Будущее этого направления, вероятно, лежит в тесной интеграции квантовой оптики с передовыми алгоритмами машинного обучения и глубокого анализа данных. Доказательство того, что квантовые корреляции действительно приводят к улучшению диагностических возможностей, должно быть математически безупречным. Иначе, это всего лишь еще один пример красивой теории, столкнувшейся с упрямой реальностью.

Оригинал статьи: denisavetisyan.com/kvantovyj-vzglyad-na-biomediczinskuyu-vizualizacziyu

Связаться с автором: linkedin.com/in/avetisyan