Квантовый взгляд на биомедицинскую визуализацию

от

Автор: Денис Аветисян

Новые методы получения изображений тканей, использующие принципы квантовой оптики, открывают перспективы для более точной диагностики и исследований.

🚀 Квантовые новости

Подключайся к потоку квантовых мемов, теорий и откровений из параллельной вселенной.
Только сингулярные инсайты — никакой скуки.

Присоединиться к каналу
Квантово-корреляционная светополевая микроскопия и гиперспектральная визуализация позволяют получать не только карты глубины образцов, таких как волокнистые материалы, но и спектральную информацию о любой точке изображения или, наоборот, выделять области, соответствующие выбранной длине волны, открывая новые возможности для детального анализа состава и структуры.
Квантово-корреляционная светополевая микроскопия и гиперспектральная визуализация позволяют получать не только карты глубины образцов, таких как волокнистые материалы, но и спектральную информацию о любой точке изображения или, наоборот, выделять области, соответствующие выбранной длине волны, открывая новые возможности для детального анализа состава и структуры.

Обзор современных квантовых методов визуализации, включая использование запутанности, одиночных фотонов и неклассического света, и их потенциальных преимуществ для биомедицинских приложений.

Несмотря на значительный прогресс в биомедицинской оптике, существующие методы часто ограничены фундаментальными пределами разрешения и чувствительности. В работе ‘Quantum Optical Techniques for Biomedical Imaging’ представлен обзор передовых квантовых методов, использующих неклассические свойства света для преодоления этих ограничений. Обзор демонстрирует потенциал квантовой оптики для повышения пространственного разрешения, контрастности и чувствительности в биомедицинской визуализации, включая методы когерентной томографии и микроскопии. Смогут ли квантовые технологии стать основой для создания принципиально новых, более точных и безопасных инструментов для диагностики и терапии?

За Пределами Обычного: Ограничения Светового Изображения

Традиционные методы оптической визуализации, такие как эндоскопия и сверхразрешающая микроскопия, ограничены дифракционным пределом и рассеянием света, что препятствует глубокому проникновению и высокоразрешающей визуализации. Ранние методы, включая рентгеновскую диагностику, имели ограничения, связанные с воздействием ионизирующего излучения и недостаточной чёткостью. Квантовая визуализация предлагает принципиально новый подход, используя корреляции между запутанными фотонами для получения изображений с разрешением, превосходящим дифракционный предел, и снижением воздействия на объект. Когда каждый элемент изображения гармонирует, интерфейс будто поёт, открывая невидимое.

Квантовая визуализация осуществляется с использованием света низкой интенсивности, полученного посредством спонтанного параметрического рассеяния, при этом экспериментальная установка включает в себя накачку кристаллом BBO лазером с длиной волны 355 нм для генерации коллинеарных пар фотонов с длиной волны 710 нм, а также линию задержки для компенсации электронных задержек в системе запуска, что позволяет получить изображение слабопоглощающего образца, например, крыла осы, с масштабом 400 мкм.
Квантовая визуализация осуществляется с использованием света низкой интенсивности, полученного посредством спонтанного параметрического рассеяния, при этом экспериментальная установка включает в себя накачку кристаллом BBO лазером с длиной волны 355 нм для генерации коллинеарных пар фотонов с длиной волны 710 нм, а также линию задержки для компенсации электронных задержек в системе запуска, что позволяет получить изображение слабопоглощающего образца, например, крыла осы, с масштабом 400 мкм.

Квантовая Гармония: Усиление Возможностей Изображения

Квантовая визуализация использует квантовую запутанность и неклассические корреляции для повышения разрешения и чувствительности, преодолевая ограничения классических методов. В основе подхода лежит создание и манипулирование квантовыми состояниями света, такими как сжатые состояния и состояния N00N, обладающими преимуществами перед классическим светом. Эти состояния позволяют реализовать новые модальности визуализации, включая те, которые способны преодолеть дифракционный предел и достигать двукратного улучшения осевого разрешения, как продемонстрировано в квантовой оптической когерентной томографии (QOCT). Развитие QOCT открывает перспективы для получения высокодетализированных трехмерных изображений биологических тканей и материалов.

В многофотонной флуоресцентной микроскопии, использующей запутанные фотоны, направленные на флуорофоры, происходит попарное поглощение фотонов, что снижает необходимое количество фотонов для поддержания фиксированного отношения сигнал/шум и минимизирует потенциальное повреждение образца, а также квантовое измерение с использованием состояний N00N позволяет освещать слегка отличающиеся участки образца двумя коррелированными лучами света.
В многофотонной флуоресцентной микроскопии, использующей запутанные фотоны, направленные на флуорофоры, происходит попарное поглощение фотонов, что снижает необходимое количество фотонов для поддержания фиксированного отношения сигнал/шум и минимизирует потенциальное повреждение образца, а также квантовое измерение с использованием состояний N00N позволяет освещать слегка отличающиеся участки образца двумя коррелированными лучами света.

Секреты Квантового Взгляда: Методы и Реализация

Для регистрации слабых сигналов в квантовой визуализации требуются высокочувствительные камеры, такие как камеры, чувствительные к одиночным фотонам. Классическая визуализация призрачных изображений демонстрирует возможности коррелированного детектирования фотонов. Квантовые методы визуализации, такие как квантовая спектральная гетеродиновая интерферометрия (SHI), демонстрируют потенциал достижения спектрального разрешения 2 нм. Визуализация ультраслабого фотонного излучения (UPE) показала предел обнаружения менее 103 фотонов/сек/см2, что позволяет визуализировать чрезвычайно слабые сигналы.

Трехмерная вычислительная призрачная визуализация осуществляется с помощью проектора света, освещающего объект (голову) компьютерно-генерированными случайными двоичными спекл-паттернами, при этом отраженный свет регистрируется четырьмя пространственно разделенными однопиксельными фотодетекторами, а полученные сигналы обрабатываются для реконструкции вычислительного изображения по каждому каналу детектирования.
Трехмерная вычислительная призрачная визуализация осуществляется с помощью проектора света, освещающего объект (голову) компьютерно-генерированными случайными двоичными спекл-паттернами, при этом отраженный свет регистрируется четырьмя пространственно разделенными однопиксельными фотодетекторами, а полученные сигналы обрабатываются для реконструкции вычислительного изображения по каждому каналу детектирования.

Заглядывая в Будущее: Влияние и Расширение Применения

Квантовая визуализация обладает огромным потенциалом в биомедицинской визуализации, позволяя осуществлять более раннюю и точную диагностику заболеваний. Такие методы, как фотоакустическая визуализация, в сочетании с квантовыми улучшениями, могут обеспечить более глубокое проникновение в ткани и детальную анатомическую информацию. Квантовое световое полевое изображение (LFI) способно достигать в 10 раз большего углового разрешения по сравнению с классическим LFI. Помимо медицины, квантовая визуализация находит применение в материаловедении, безопасности и фундаментальных исследованиях. Истинное чудо квантовой визуализации заключается не только в улучшении видимого, но и в раскрытии невидимого, в шепоте информации, скрытой в тени.

Визуализация ультраслабого света (UPE) осуществляется с помощью квантового сенсора, такого как ПЗС/ЭМПЗС-камера с высокой эффективностью детектирования в видимом диапазоне, при этом образец помещается в полную темноту, а полученные изображения демонстрируют UPE как признак жизнеспособности в живых системах, например, опухоли в теле мыши, лица спящего человека и повреждения листьев, а также различает живые и мертвые тела мышей при одинаковой температуре.
Визуализация ультраслабого света (UPE) осуществляется с помощью квантового сенсора, такого как ПЗС/ЭМПЗС-камера с высокой эффективностью детектирования в видимом диапазоне, при этом образец помещается в полную темноту, а полученные изображения демонстрируют UPE как признак жизнеспособности в живых системах, например, опухоли в теле мыши, лица спящего человека и повреждения листьев, а также различает живые и мертвые тела мышей при одинаковой температуре.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует стремление к элегантности в решении сложных задач биомедицинской визуализации. Авторы, подобно художникам, стремящимся к гармонии, используют неклассический свет и квантовые методы для достижения беспрецедентной чувствительности и контрастности. Как отмечал Луи де Бройль: “Всякое явление можно рассматривать как распространение волн, но, чтобы описать его, необходимо учитывать, что это волны вероятности.” Эта фраза прекрасно иллюстрирует суть квантовой оптики, используемой в работе – стремление увидеть не просто изображение, но и вероятность существования исследуемого объекта, что позволяет преодолеть ограничения классических методов и повысить точность диагностики. Успех подобных исследований зависит от минимизации шума и декогеренции, что требует тщательной проработки как теоретических аспектов, так и практической реализации систем.

Что впереди?

Представленный обзор, подобно тщательно отполированному зеркалу, отражает текущее состояние квантовых методов в биомедицинской оптике. Однако, как и любое зеркало, оно лишь отображает, но не предсказывает будущее. Несмотря на многообещающие перспективы повышения разрешения, контрастности и чувствительности, фундаментальные проблемы остаются. Шум, декогеренция – эти неумолимые спутники квантовых систем требуют не просто смягчения, а элегантного решения, гармоничного с природой самих явлений.

Настоящий прогресс, вероятно, потребует смещения фокуса с демонстрации принципиальной возможности на разработку практичных, надежных и, что немаловажно, доступных систем. Использование запутанности и неклассического света – это не самоцель, а лишь инструменты. Истинная красота проявится тогда, когда эти инструменты позволят увидеть то, что прежде было невидимо, и понять то, что прежде было непостижимо. Оптимизация источников одиночных фотонов и разработка квантовых сенсоров с повышенной эффективностью представляются ключевыми направлениями.

В конечном итоге, успех этих методов будет зависеть не только от физических инноваций, но и от способности объединить квантовую оптику с другими передовыми технологиями – от машинного обучения до микрофлюидики. И тогда, возможно, мы сможем увидеть не просто изображение, а истинную симфонию жизни, звучащую в квантовых тонах.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.03935.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-07 16:54