Úvod
Kvantová fyzika a flebologie (žilní lékařství) se nejvýrazněji prolínají prostřednictvím technologií, jejichž principy fungování jsou zakořeněny v optice odvozené od kvantové mechaniky a elektromagnetické teorii, zejména v laserech a interakci světla s tkání pro žilní ablaci a zobrazování[1–4]. Druhým významným mostem je žilní zobrazování a oximetrie založená na magnetické rezonanci, kde je fázová informace MR interpretována jako magnetická susceptibilita a využívána ke kvantifikaci zástupných ukazatelů žilní oxygenace, čímž se propojuje kvantová fyzika spinu s žilní fyziologií[5–7]. Třetí most tvoří vznikající „kvantové technologie“ v oblasti senzoriky a výpočetní techniky, včetně biomagnetismu založeného na SQUID a pracovních postupů kvantově inspirovaného/kvantového strojového učení, které se zaměřují na biomedicínské signály relevantní pro průtok krve a vaskulární stavy[8, 9].
V celé této literatuře jsou „společné aspekty“ zřídkakdy dány tím, že by samotné žíly vykazovaly exotické makroskopické kvantové jevy; flebologie spíše přejímá měřicí a léčebné modality (lasery, interferometrické zobrazování, magnetometrii, MR rekonstrukci susceptibility), jejichž fyzikální základy leží v kvantové teorii, fotonice a kvantově informovaném elektromagnetickém modelování[5, 8, 10].
Terapeutické průniky
Endovenózní laserové přístupy ilustrují nejpřímější translační průnik: koherentní laserové záření je přiváděno dovnitř žíly a klinickým cílem je okluze refluxních nebo insuficientních žil prostřednictvím řízeného fototermálního poškození způsobeného absorpcí světla a ohřevem[1–4]. Mechanistické práce zdůrazňují, že absorbovaná energie se často ukládá do intraluminální krve/koagula kolem hrotu vlákna (nikoli pouze přímo v žilní stěně), takže teplot koagulace lze dosáhnout bez ohledu na to, zda je nominálním cílovým chromoforem hemoglobin nebo voda[12]. To definuje EVLA/EVLT/EVLP nikoli pouze jako „označení vlnové délky“, ale jako proces spojené absorpce fotonů, generování tepla a přenosu tepla závislý na vlastnostech rozptylu a absorpce při použité vlnové délce[13].
Práce in vitro s použitím pevnolátkového laseru o vlnové délce 1.885 μm a výkonu ~3 W zkoumala, jak přítomnost intraluminální suspenze červených krvinek oproti fyziologickému roztoku a tvorba zahřáté karbonizované vrstvy na čelní ploše vlákna ovlivňuje účinnost ablace[1]. V této studii přítomnost zahřáté karbonizované vrstvy zvýšila účinnost EVLA, což zdůrazňuje termochemickou dráhu, která může zesílit ukládání energie na hrotu nad rámec pouhé optické absorpce v samotné krvi[1]. Související mechanistické argumenty vysvětlují, proč se selektivita vlnových délek může během zákroku snižovat: kolem hrotu se může vytvořit koagulum, které se při teplotách přesahujících 1,000 °C částečně přemění na uhlík, a protože uhlík absorbuje všechny vlnové délky laseru EVLA stejně dobře, může karbonizace snížit závislost na vlnové délce, jakmile ohřevu hrotu dominuje absorpce v uhlíku[13].
Klinická srovnání dále posilují translační linii od fyziky k flebologii. V jedné sérii pacientů přetrvávala totální obliterace vena saphena magna po celou dobu sledování a EVLA při 1560 nm a 1940 nm byla popsána jako vysoce účinná a bezpečná pro korekci žilního refluxu u křečových žil dolních končetin[11]. Studie optických parametrů potvrzují, proč volba vlnové délky zůstává důležitá, i když karbonizace může utlumit selektivitu: hloubka průniku do žilní stěny byla uváděna ~1.3 mm při 980 nm oproti ~0.22 mm při 1470 nm, což implikuje velmi odlišné profily prostorového ukládání energie a potenciální vzorce kolaterálního poškození[14].
Výběr vlnové délky je také explicitně řešen v rámci evoluce systémů EVLP, kde je více vlnových délek prezentováno jako vlnové délky s různými absorpčními charakteristikami; například 810 nm je popsána jako specifická pro absorpci hemoglobinu a rozsáhlá klinická studie byla navržena k porovnání účinnosti a bezpečnosti EVLP při 1064 nm oproti 810 nm u chronické žilní nedostatečnosti (křečových žil)[2]. Samostatné optické analýzy argumentují pro potenciálně příznivé volby ve střední infračervené oblasti a poznamenávají, že „dosud nejlepší výsledky“ byly získány s radiation 1.56-mm a že při vlnových délkách 1.68 a 1.7 mm je absorpce v nevodných složkách krve mnohem slabší než absorpce ve vodě, což motivuje k hypotézám o cílení s dominancí vody při těchto delších vlnových délkách[15].
Odlišným netermálním terapeutickým průnikem je fotochemická žilní terapie prostřednictvím foto-kolagenového cross-linkingu, kde se jako síťovací činidlo používá riboflavin a jako aktivátor působí modré světlo[16]. Na žilních vzorcích tento přístup vyvolal rychlé a významné smrštění bez histologických známek poškození endotelu a s patrnými změnami mechanických vlastností křečových žil, což naznačuje kontrolovatelný mechanismus remodelace aktivovaný světlem spíše než čistě tepelnou ablaci[16].
Diagnostické průniky optické a fotonické
Optická diagnostika ve flebologii často využívá skutečnosti, že hemoglobin má absorpční vlastnosti závislé na vlnové délce, což umožňuje neinvazivní zkoumání žilní oxygenace, složení trombu nebo vaskulární struktury pomocí fotonů jako sond[3, 4, 17]. Napříč metodami je společnou fyzikou to, že měřené signály (útlum, interferenční proužky, fotoakustické tlakové přechody, fluorescenční emise) jsou v konečném důsledku řízeny absorpcí a rozptylem fotonů v krvi a složkách cévní stěny[3, 10, 18].
Blízká infračervená spektroskopie
Blízká infračervená spektroskopie (NIR) je popisována jako neinvazivní technika, která využívá diferenční absorpční vlastnosti hemoglobinu k hodnocení oxygenace kosterního svalstva, přičemž monitorování vybraných vlnových délek může poskytnout index deoxygenace[3]. Jedna studie explicitně měřila žilní saturaci kyslíkem a absorpci při 760–800 nm během cvičení na předloktí, aby otestovala, zda optické absorpční pásmo koreluje s žilní oxygenací[3]. Samostatná metoda využívala NIRS s venózní okluzí k neinvazivnímu měření periferní žilní saturace oxyhemoglobinem (SvO2) na předloktí dospělých[19] a uváděla významnou korelaci mezi SvO2 předloktí měřenou pomocí NIRS a SvO2 povrchové žilní krve měřenou co-oximetrií (n=19, r=0.7, p<0.0001)[19].
Další validační práce zkoumaly vztahy mezi signály NIRS a saturací žilního hemoglobinu kyslíkem (O2Hb%) a koncentrací žilního kyslíku (CvO2)[20]. Po normalizaci na fyziologický rozsah byly hlášeny vysoké lineární korelace mezi deoxygenovanými a oxygenovanými signály hemu a žilním O2Hb% (R≈0.92) a mezi signály hemu a CvO2 (R≈0.89–0.90), což naznačuje, že měření NIRS založená na absorpci fotonů mohou sledovat metriky žilní oxygenace v kontrolovaném prostředí[20]. V kontextu centrálních žil bylo hlášeno, že NIRAS poskytuje přesné neinvazivní měření mozkové žilní saturace, přičemž CSvO2 vypočtená pomocí NIRAS byla porovnána s přímou co-oximetrií krve z vnitřní jugulární žíly[21].
Fotopletysmografie
Fotopletysmografie (PPG) spoléhá na infračervený světelný zdroj a receptor pro aproximaci fluktuací objemu krve a odhaduje změny objemu měřením množství světla absorbovaného a odraženého zpět do receptoru[22]. V nastavení hodnocení chronické žilní nedostatečnosti byly hemodynamické hodnoty žil poskytované digitální PPG použity spolu se standardním hodnocením ke zjištění, zda je vyžadována intervence (EVLA), a byly zkoumány korelace mezi Dopplerovským ultrazvukem a D-PPG, aby se posoudilo, zda D-PPG může pomoci při pochopení žilní patologie a hodnocení možností léčby[22]. Metoda je také historicky kontextualizována jako původně zavedená ve 30. letech 20. století jako prostředek hodnocení cévního systému, což zdůrazňuje její roli zavedeného optického zástupce pro hemodynamiku[22].
Optická koherentní tomografie
Optická koherentní tomografie (OCT) je popisována jako výkonná zobrazovací modalita založená na nízkokoherentní interferometrii, která umožňuje zobrazení s vysokým rozlišením s hloubkou průniku do tkáně několik milimetrů a téměř histologickou vizualizaci cévních stěn[10, 23, 24]. Endovaskulární OCT byla prezentována jako metoda poskytující „informace podobné histologii“ o žilní stěně[4] a jedna aplikace definuje endovaskulární OCT jako intravaskulární zobrazovací techniku s nejvyšším dostupným rozlišením využívající blízké infračervené světlo o vlnové délce přibližně 1300 nm[25]. Při posuzování žilní terapie byla OCT hodnocena pro kvalitativní posouzení anatomie žilní stěny a tkáňových změn po radiofrekvenční ablaci a endovenózní laserové terapii na hovězích žilních vzorcích, včetně uvádění parametrů ELT diodového laseru při 980 nm s hustotou energie 15, 25 a 35 J/cm[4].
OCT se rovněž uplatňuje v intrakraniálních žilních aplikacích: její zavedení v lidském mozkovém žilním splavu „by mohlo pomoci“ při diagnostice, léčbě a pochopení durálních arteriovenózních píštělí, trombózy mozkových žilních splavů a idiopatické intrakraniální hypertenze[25]. To ilustruje, jak může interferometrické zobrazování založené na fotonech rozšířit flebologii za hranice povrchových žil nohou až k patologii žilních splavů, v závislosti na přístupu pomocí katétru a omezeních optického signálu[25].
Polarizačně citlivá OCT
Polarizačně citlivá OCT (PS-OCT) rozšiřuje OCT o měření tkáňového dvojlomu, čímž poskytuje kontrast pro kolagen a buňky hladkého svalstva, které jsou přítomny ve starších, chronických sraženinách[26]. Na potkaním modelu DVT byla zkoumána intravaskulární PS-OCT k posouzení morfologie a složení trombu in vivo v průběhu stárnutí trombu[26]. Automatizovaná analýza průřezových snímků OCT odlišila akutní a chronické tromby s citlivostí 97.6 % a specificitou 98.6 % pomocí lineárního diskriminačního modelu kombinujícího polarizační a konvenční metriky OCT, což podporuje PS-OCT jako citlivý přístup pro hodnocení složení DVT a rozlišení stáří trombu[26].
Fotoakustické zobrazování a elastografie
Fotoakustické zobrazování (PAI) je popisováno jako metoda umožňující dálkové měření optické absorpce tkáně a jeho kontrast je generován prostřednictvím foto/opto/termoakustického jevu, při kterém absorpce krátkého elektromagnetického pulzu vyvolá termoelastickou akustickou vlnu[17, 27]. V praxi jsou biologické tkáně ozařovány neionizujícími laserovými pulzy; absorpce zvyšuje lokální teplotu (v řádu několika milikelvinů), což vede k termoelastické expanzi a akustické emisi[18]. Červené krvinky, které obsahují hemoglobin a významně absorbují viditelné světlo, při absorpci světelné energie rychle zvyšují svou teplotu a tlak, čímž poskytují fyziologicky významný endogenní absorbér pro zobrazování sraženin a krevních cév[28].
V konceptech určování stadia DVT může reorganizace sraženiny snížit koncentraci hemoglobinu a tím i optickou absorpci, což motivuje k využití změn fotoakustického signálu k neinvazivnímu určení stadia trombů[27]. Jedna studie dále specifikuje, že lze použít pulzní laserové záření s vlnovou délkou vyladěnou na absorpci RBC, a navrhuje, že akutní krevní sraženiny by měly vysílat silnější fotoakustické signály než chronická DVT kvůli silnější optické absorpci[27]. Empiricky bylo hlášeno, že kombinované ultrazvukové a fotoakustické zobrazování poskytuje informace o struktuře a stáří trombů DVT, zatímco širší přehledy zaznamenávají příslib PAI díky jejímu prostorovému rozlišení a vysokému optickému kontrastu[17, 29].
Kromě určování stadia na základě absorpce propojuje vaskulární elastická fotoakustická tomografie (VE-PAT) detekci optické absorpce s odvozováním mechanických vlastností. PAT dosahuje vysokého prostorového rozlišení za hranicí optického difuzního limitu ultrasonickou detekcí optické absorpce a je vyzdvihována pro svůj silný absorpční kontrast založený na hemoglobinu v RBC a schopnost poskytovat strukturní, funkční a mechanické vlastnosti krevních cév u zvířat i lidí[30]. Bylo hlášeno, že VE-PAT je schopna měřit vaskulární elastické vlastnosti u lidí[30], detekovat sníženou vaskulární poddajnost v důsledku simulované trombózy ve fantomech velkých cév (potvrzeno standardním kompresním testováním)[30] a detekovat pokles vaskulární poddajnosti u lidského subjektu při výskytu distální okluze, což prokazuje potenciál pro detekci hluboké žilní trombózy[30].
Blízká infračervená fluorescence a hyperspektrální zobrazování
Blízké infračervené fluorescenční (NIRF) zobrazování trombů využívá cílené fluorofory k přeměně molekulárních vazebných událostí na detekovatelnou emisi NIR fotonů; například peptid cílený na fibrin byl konjugován s blízkým infračerveným fluoroforem Cy7 (FTP11-Cy7) pro vývoj a validaci zobrazovacího činidla umožňujícího NIRF zobrazování hluboké žilní trombózy s vysokým rozlišením[31]. V preklinických pracovních postupech byla u myší se subakutní DVT jugulární žíly provedena neinvazivní integrovaná fluorescenční molekulární tomografie s CT (FMT-CT), což ilustruje kombinovaný opticko-radiologický přístup k lokalizaci a kvantifikaci trombu[31]. Související práce zdůrazňují, že fluorescenční zobrazování ve druhém blízkém infračerveném okně (NIR-II, 1,000–1,700 nm) je výhodné díky snížené složitosti vybavení a snazšímu provozu a že byl vyvinut teranostický nosič léčiv umožňující monitorování cíleného trombolytického procesu DVT v reálném čase[32].
Na konci spektra povrchového zobrazování vymezuje hyperspektrální viditelné–NIR zobrazování křečové žíly využitím signatur difúzního odrazu závislých na vlnové délce. V jedné systémové studii byli dobrovolníci osvětleni polychromatickým světlem v rozsahu 400–950 nm[33] a spektra difúzního odrazu vrcholila při 530 nm u křečových žil oproti 780 nm u žil nohou[33]. Hyperspektrální snímky při vybraných vlnových délkách byly normalizovány a filtrovány před vymezením pomocí kvantitativní fázové analýzy a k-means klastrování, čímž se propojila optická spektra s výpočetní segmentací pro bezkontaktní mapování žil[33].
Diagnostické průniky magnetická rezonance
Kvantitativní mapování susceptibility (QSM) poskytuje magneticko-rezonanční most mezi kvantovou fyzikou spinu a žilní fyziologií pomocí využití vývoje fáze MR k odvození lokální magnetické susceptibility. QSM „zkoumá fázová data gradientního echa“ pro určení lokální magnetické susceptibility tkáně[5] a měření rozdílů susceptibility z QSM údajně umožňuje kvantifikovat hodnoty SvO2 na základě vztahu mezi rozdílem susceptibility a SvO2[6]. Citlivost na oxygenaci je podpořena zprávami, že QSM dokáže kvantifikovat změny saturace deoxyhemoglobinu vyvolané hyperoxickou plynovou zátěží u zvířecích modelů i u lidí[7], a uváděnou vynikající shodou mezi ShvO2 měřenou na analyzátoru krevních plynů a ShvO2 vypočtenou z měření QSM[7].
Žilní specificita metrik založených na susceptibilitě je založena na kontrastu magnetických vlastností mezi stavy oxygenace: oxyhemoglobin je popisován jako diamagnetický (záporná susceptibilita), zatímco deoxyhemoglobin je paramagnetický (kladná susceptibilita)[28]. V rámci poskytnutých úryvků literatury o QSM je QSM také rámována jako neinvazivní metoda, která může poskytnout nepřímé měření saturace mozkové žilní krve kyslíkem (CSvO2), což posiluje její potenciál pro aplikace v žilní oximetrii tam, kde je přímý odběr vzorků nepraktický[5].
Kvantové biofyzikální mechanismy
Na molekulární úrovni je stav oxygenace hemoglobinu spojen s magnetickými vlastnostmi, které jsou přímo relevantní jak pro interakce s magnetickým polem, so i pro zobrazování MR susceptibility. Oxyhemoglobin je popisován jako diamagnetický, zatímco deoxyhemoglobin jako paramagnetický, což implikuje na oxygenaci závislou susceptibilitu a interakce magnetických sil na molekulární/elektronové úrovni[28]. Hemoglobin je také popisován jako alosterický protein, který prochází konformační změnou během přechodů z napjatého (deoxygenovaného) do relaxovaného (oxygenovaného) stavu a naopak, což zdůrazňuje, že vazba kyslíku je spojena se strukturním stavem proteinu[28].
Navrhovaným mechanistickým mostem mezi elektromagnetickými poli a fyziologií krve je, že magnetická pole ovlivňují pohybující se náboje, a tím i alosterickou transformaci hemoglobinu, která je popisována jako zahrnující posuny populací spíše než jednosměrnou konverzi jedné kvartérní struktury v druhou[28]. V kontextu žilního lékařství tento soubor tvrzení propojuje kvantově informované koncepty magnetismu (susceptibilita, interakce pole a náboje) s funkcí hemoglobinu, která je základem obsahu kyslíku v žilách a dynamiky uvolňování kyslíku, kterou se pokoušejí měřit optické (NIRS, PAI) a MR (QSM) metody[3, 6, 28].
Vznikající a konceptuální průniky
Několik linií prací přesahuje rámec zavedených klinických flebologických přístrojů, ale stále artikuluje principy odvozené z kvantové fyziky aplikované na vaskulární nebo žilní signály. U EVLA je výpočetní modelování explicitně motivováno reprezentací laserového vlákna jako bodového zdroje v cylindrické žilní trubici a modelováním radiální redistribuce světla prostřednictvím difuzního procesu řízeného rozptylem a absorpcí krve při uvažované vlnové délce, což ilustruje fyzikálně orientovaný přístup k optimalizaci parametrů v žilní ablaci[13].
Bioelektronická zařízení pod značkou „Quantum Molecular Resonance“ (QMR) jsou také diskutována jako potenciální nástroje ve flebologii: „nový typ elektrického skalpelu“ je popisován jako použitelný k léčbě dermálních kapilár a varixů s nastavitelným výkonem a přesným časováním určeným ke snížení tepelného poškození[34]. Ve stejném rámci je sklerotizace popsána jako primární léčba křečových žil, metličkových žilek a teleangiektázií, což staví QMR do pozice doplňku v širším terapeutickém ekosystému managementu povrchových žilních onemocnění[34].
Na straně výpočetní techniky byl hlášen hybridní kvantově-klasický přístup strojového učení pro laserové speckle kontrastní zobrazování (LSCI) průtoku krve: namísto použití standardní 3D globální poolingové vrstvy pro kompresi map vlastností model tuto vrstvu nahrazuje variačním kvantovým obvodem a uvádí se, že tento obvod zachovává prostorové a časové vztahy v datech pro udržení přesnosti predikce[9]. Ačkoli v úryvku není specificky uvedeno žilní onemocnění, průnik spočívá v tom, že potrubí pro zobrazování průtoku krve relevantní pro vaskulární hodnocení mohou být modifikována explicitně kvantovými komponentami obvodů, čímž se propojuje kvantové zpracování informací s analýzou hemodynamických signálů[9].
Samostatný modelovací koncept navrhuje techniku „zcela založenou na kvantové mechanice a klasické elektrodynamice“ k řešení anomálního růstu cév během angiogeneze a tvrdí, že využívá výpočty kvantové mechaniky k přesnější předpovědi místa a zadržení anomálního růstu cév[35]. I když se to blíží spíše vaskulární biologii a angiogenezi než klasickému managementu křečových žil, stále to představuje přímý pokus využít kvantové/elektrodynamické modelování jako vodítko pro intervence u patologické tvorby cév[35].
Konečně, kvantové senzory se propojují se žilními stavy prostřednictvím biomagnetismu. SQUIDy jsou popsány jako založené na kvantování magnetického toku a Josephsonově jevu[8] a související kvantové senzory detekují precesi atomových spinů v magnetickém poli s citlivostí blízkou femtotesla na [8]. V aplikaci explicitně zahrnující venózní ischémii studie uváděly, že ke změnám dochází dříve než k patologickým změnám a lze je neinvazivně zaznamenat pomocí SQUID[36], a SQUIDy jsou popsány jako měřicí magnetická pole vytvářená elektrickou aktivitou hladkého svalstva gastrointestinálního traktu, což prokazuje proveditelnost zachycení slabých bioelektromagnetických signatur relevantních pro stavy vaskulárního ohrožení[36].
Syntéza
Napříč vzorkem literatury několik průřezových „společných aspektů“ konzistentně spojuje kvantovou fyziku s flebologií prostřednictvím sdílených měřitelných veličin, kontrolovatelných parametrů a fyziky přístrojů.
Níže uvedená tabulka shrnuje opakující se mosty od fyzikálních principů odvozených z kvantové mechaniky ke konkrétním žilním aplikacím.
Dohromady tato témata ukazují, že sdílený „jazyk“ mezi kvantovou fyzikou a flebologií je z velké části jazykem měřitelných kontrastů a kontrolovatelných parametrů: absorpčních spekter a vlnové délky, koherence a interference, polarizačního stavu, susceptibility a limitů citlivosti senzorů[3, 5, 8, 10].
Omezení a závěr
V rámci zde zkoumaného vzorku literatury jsou dominantní průniky aplikované a translační: lasery jsou nasazovány pro endovenózní ablaci a porovnávány napříč vlnovými délkami z hlediska účinnosti a bezpečnosti, optická spektroskopie a zobrazování se používají k odvození žilní oxygenace nebo charakterizaci trombů a MR rekonstrukce susceptibility se používá ke kvantifikaci zástupných ukazatelů žilní oxygenace[3, 6, 11, 17]. Nejtěsnější vazby na „fundamentálnější“ molekulární fyziku jsou (i) na oxygenaci závislá magnetická susceptibilita hemoglobinu (diamagnetický oxyhemoglobin vs. paramagnetický deoxyhemoglobin) a (ii) metody QSM založené na susceptibilitě, které využívají těchto rozdílů ke kvantifikaci změn oxygenace, spolu s tvrzeními, že magnetická pole mohou ovlivňovat alosterické transformace hemoglobinu prostřednictvím interakcí pohybujících se nábojů[7, 28].
Celkově lze společné aspekty kvantové fyziky a flebologie dokumentované v tomto korpusu nejlépe chápat jako klinické nasazení fotoniky založené na kvantové mechanice a elektromagnetické měřicí vědy k diagnostice, zobrazování a léčbě žilních onemocnění, přičemž hemoglobin slouží jako centrální „mostní molekula“, která je současně terapeutickým absorbérem, optickým reportérem i zdrojem magnetické susceptibility[3, 12, 28].
