量子技术用于癌症成像
迄今为止，利用磁共振成像(MRI)追踪肿瘤细胞的代谢在常规临床环境中还不可行。现在，包括慕尼黑工业大学(TUM)在内的一个跨学科研究团队正在努力推进基于量子的超偏振器的开发，以便将其部署在临床应用中。
其目标是显著改善代谢过程的MRI成像，例如，允许更早和更准确地评估肿瘤，以及改善肿瘤治疗的选择和监测。
量子力学描述了物理现象在最小的尺度上——在分子、原子的领域，原子核，甚至更小的单位。在我们日常生活的各个领域进行革命的动力量子技术就像量子计算或者量子传感器在今年的诺贝尔物理学奖颁发给三位在这一领域的科学家之前就出现了。这些新技术如何应用于医学领域?
代谢成像使代谢过程可见
检测癌症细胞在早期阶段，通过对病变细胞和健康细胞代谢过程的可视化，可以更精确地评估它们，并更快地评估治疗的有效性。这被称为代谢成像。为此，诊断相关的分子被注射到体内，并监测其代谢。
一种方法是使用正电子发射断层扫描(PET)。然而，这种方法需要放射性物质，不能区分代谢过程中的初始产物和最终产物。另一方面，磁共振成像(MRI)可以在不使用放射性物质的情况下对各种代谢物进行代谢成像。尽管只有在注入分子的核磁共振信号被放大到足以被检测到的情况下。
尽管最初的患者研究显示MRI代谢成像的巨大潜力，但目前部署的信号放大技术过于昂贵、不够强大或速度缓慢。到目前为止，这阻碍了这些技术在临床环境中的常规部署。
“用量子技术革新癌症成像”项目(QuE-MRI)的跨学科研究团队现在正在开发一种新的解决方案:所谓的量子超偏振器利用量子物理定律将MRI中代谢分子的信号放大到10万倍。
用量子力学原理成像
普通核磁共振成像仪的技术利用了原子核的量子力学特性，这些特性与所谓的自旋或角动量有关。每一个核自旋生成一个磁矩就像指南针上的偶极磁铁一样。
核自旋的排列决定了原子核的总磁矩的强度。这反过来又决定了用于磁共振成像的信号强度。当磁矩的方向分布是随机的，它们就会相互抵消，核磁共振成像仪就检测不到任何信号。当核自旋磁矩指向同一方向时，信号最强，从而产生最大有效磁化强度。
磁共振成像利用非常强的磁场使这成为可能。然而，核自旋的磁矩几乎是随机分布的，因此只有很低的有效磁化强度。超极化技术将核自旋的有效磁化强度提高了1万~ 10万倍，从而大大提高了核磁共振成像的灵敏度。
诊断相关代谢分子的超极化
然而，在实践中，诱使代谢分子的原子核进入超极化状态是困难的。因此，研究人员使用了一种基于氢的特殊磁态的中间步骤，称为副氢。它可以用已知的液氮方法在低温下生产，并储存在气瓶中。
对氢的性质也建立在量子力学．而副氢本身是磁屏蔽的，不能测量使用核磁共振方法，其自旋构型可以使其他原子核超极化，增加其在MRI中的可见性。
利用这种方法，研究人员将对研究很重要的分子超极化代谢过程．例如，丙酮酸是一种被肿瘤加工成乳酸的代谢产物，特别适合用于诊断目的。研究人员将对氢与超极化器中的丙酮酸对接，并利用其自旋构型在无线电波的磁场中超极化丙酮酸碳原子。因此，来自丙酮酸的信号在MRI中增强，允许相应的代谢过程以时间分辨率可视化。
项目合作伙伴已经开发出超偏光器的功能原型。在QuE-MRI项目中，医学、物理、化学和工程领域的研究人员、医生、工业合作伙伴和开发人员正在密切合作，以优化这些原型，使超偏振器可以在临床上大规模部署。此外，项目团队计划在癌症诊断的初步临床试验中验证非侵入性和非放射性技术。
