量子成像研究改善視網(wǎng)膜掃描

一個(gè)歐洲研究聯(lián)盟正在探索一種新的量子成像技術(shù)，有朝一日可以幫助臨床醫(yī)生發(fā)現(xiàn)眼病的最早跡象。

該技術(shù)是在Horizon Europe（歐盟在2021–2027年期間的旗艦級(jí)科研與創(chuàng)新資助計(jì)劃）資助的450萬(wàn)歐元SEQUOIA項(xiàng)目下開(kāi)發(fā)的，結(jié)合了量子物理學(xué)和人工智能，超越了光學(xué)相干斷層掃描（OCT）的極限，OCT是用于檢查視網(wǎng)膜的黃金標(biāo)準(zhǔn)成像方法。

盡管被廣泛用于診斷黃斑變性、青光眼和糖尿病視網(wǎng)膜病變等眼部疾病，但傳統(tǒng)的OCT系統(tǒng)往往難以分辨小于1微米（約為人類(lèi)頭發(fā)直徑的百分之一）的細(xì)節(jié)。這個(gè)1微米的限制很重要，因?yàn)橐恍┳钤绲募膊≯E象始于視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)在這些微小尺度上的細(xì)微變化。如果不能清楚地看到這些變化，診斷可能為時(shí)已晚，無(wú)法防止持久的損傷。

為了解決這一局限性，SEQUOIA團(tuán)隊(duì)正在測(cè)試一種新方法，該方法使用量子糾纏光子和先進(jìn)的人工智能控制在更精細(xì)的尺度上探測(cè)組織結(jié)構(gòu)，可能達(dá)到低至0.5微米的分辨率。0.5微米的分辨率將是大多數(shù)當(dāng)前OCT系統(tǒng)的兩倍，在對(duì)抗可預(yù)防的失明方面可能至關(guān)重要。許多眼部疾病始于細(xì)胞水平的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，如視網(wǎng)膜精細(xì)層的腫脹、變薄或破壞。

量子方法

通過(guò)使研究人員能夠更精細(xì)地可視化視網(wǎng)膜，這種新的量子方法可以讓臨床醫(yī)生更早地發(fā)現(xiàn)疾病，做出更自信的診斷，并在視力受到永久影響之前開(kāi)始治療。分辨率的提高也帶來(lái)了更清晰的圖像，有助于區(qū)分健康組織和受損組織，這是減少診斷不確定性和改善患者預(yù)后的重要一步。

該項(xiàng)目希望為未來(lái)能夠揭示疾病早期跡象的成像系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。SEQUOIA協(xié)調(diào)員Patrick Bowen Montague博士說(shuō)：“我們的目的是研究量子OCT是否可以為臨床醫(yī)生提供比當(dāng)今系統(tǒng)更高精度的信息。”“現(xiàn)階段，這是一項(xiàng)可行性研究；我們正在測(cè)試潛力，還不是成品。”

共同測(cè)試量子光和人工智能

SEQUOIA團(tuán)隊(duì)正在研究使用糾纏光子（量子連接的光粒子對(duì)）照亮視網(wǎng)膜。這些光子對(duì)可能允許對(duì)經(jīng)典光源錯(cuò)過(guò)的亞微米結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。

然而，目前的原型使用單光子，因此掃描速度比傳統(tǒng)OCT慢得多。該項(xiàng)目的研究包括探索傅里葉域檢測(cè)方法，該方法可以通過(guò)去除運(yùn)動(dòng)部件來(lái)提高效率，但該技術(shù)仍處于早期實(shí)驗(yàn)階段。

西班牙和德國(guó)的團(tuán)隊(duì)也在研究如何利用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)塑造量子光本身。通過(guò)壓印軌道角動(dòng)量（光束形狀中的“螺旋”狀扭曲），他們希望銳化邊緣并減少干擾。

價(jià)值和影響

SEQUOIA還開(kāi)創(chuàng)了一種新的醫(yī)療器械社會(huì)影響評(píng)估框架，這是量子健康技術(shù)的第一個(gè)。來(lái)自眼科、人工智能和成像制造的專(zhuān)家使用結(jié)構(gòu)化的“卡片”方法對(duì)診斷準(zhǔn)確性、速度、可持續(xù)性和患者利益等關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排名。

這種方法將有助于確保如果量子OCT確實(shí)可行，它將滿足真正的臨床需求和實(shí)際考慮。

盡管仍處于可行性階段，但SEQUOIA聯(lián)盟已經(jīng)在考慮進(jìn)入市場(chǎng)的長(zhǎng)期路徑，包括光子源、探測(cè)器和高性能計(jì)算的成本。通過(guò)早期規(guī)劃，如果研究證明是成功的，該項(xiàng)目希望為臨床準(zhǔn)備就緒、負(fù)擔(dān)得起的系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

SEQUOIA是Horizon Europe的一個(gè)研究項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)用于醫(yī)學(xué)成像的超高分辨率量子光學(xué)相干斷層掃描（QOCT），主要側(cè)重于視網(wǎng)膜診斷。該項(xiàng)目匯集了來(lái)自歐洲各地的量子物理學(xué)、人工智能、光子學(xué)和臨床成像專(zhuān)家及領(lǐng)先機(jī)構(gòu)，每個(gè)機(jī)構(gòu)都為這項(xiàng)雄心勃勃的研究工作貢獻(xiàn)了關(guān)鍵的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

Nicolaus Copernicus University（波蘭）領(lǐng)導(dǎo)該聯(lián)盟，與NKT Photonics（丹麥）和PTB（德國(guó)）共同開(kāi)發(fā)支撐成像系統(tǒng)的超穩(wěn)定光源。DTU（丹麥）領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而UPV和ICFO（西班牙）推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)和光子學(xué)的進(jìn)步。ARDITEC（意大利）支持該項(xiàng)目開(kāi)創(chuàng)性的社會(huì)影響評(píng)估。這些合作伙伴共同為量子醫(yī)學(xué)成像的潛在飛躍奠定了基礎(chǔ)。

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