Εισαγωγή
Η κβαντική φυσική και η φλεβολογία (φλεβική ιατρική) διασταυρώνονται εμφανέστερα μέσω τεχνολογιών των οποίων οι αρχές λειτουργίας βασίζονται στην οπτική κβαντικής προέλευσης και την ηλεκτρομαγνητική θεωρία, ιδίως στα laser και την αλληλεπίδραση φωτός–ιστού για τη φλεβική κατάλυση και απεικόνιση[1–4]. Μια δεύτερη σημαντική γέφυρα είναι η φλεβική απεικόνιση και οξυμετρία βασισμένη στον μαγνητικό συντονισμό, όπου οι πληροφορίες φάσης του MR ερμηνεύονται ως μαγνητική επιδεκτικότητα και χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση δεικτών φλεβικής οξυγόνωσης, συνδέοντας την κβαντική φυσική του spin με τη φλεβική φυσιολογία[5–7]. Μια τρίτη γέφυρα αποτελείται από αναδυόμενες «κβαντικές τεχνολογίες» στην ανίχνευση και τον υπολογισμό, συμπεριλαμβανομένου του βιομαγνητισμού βασισμένου σε SQUID και των ροών εργασίας κβαντικής έμπνευσης/κβαντικής μηχανικής μάθησης που στοχεύουν σε βιοϊατρικά σήματα σχετικά με τη ροή του blood και τις αγγειακές καταστάσεις[8, 9].
Σε όλη αυτή τη βιβλιογραφία, οι «κοινές πτυχές» σπάνια αφορούν το ότι οι ίδιες οι φλέβες εμφανίζουν εξωτικά μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα· αντίθετα, η φλεβολογία υιοθετεί μεθόδους μέτρησης και θεραπείας (laser, συμβολόμετρη απεικόνιση, μαγνητομετρία, ανακατασκευή επιδεκτικότητας MR) των οποίων οι φυσικές βάσεις βρίσκονται στην κβαντική θεωρία, τη φωτονική και την κβαντικά ενημερωμένη ηλεκτρομαγνητική μοντελοποίηση[5, 8, 10].
Θεραπευτικές διασταυρώσεις
Οι ενδοφλεβικές προσεγγίσεις laser απεικονίζουν την πιο άμεση μεταφραστική διασταύρωση: συνεκτική ακτινοβολία laser παρέχεται στο εσωτερικό μιας φλέβας, και ο κλινικός στόχος είναι η σύγκλειση παλινδρομούντων ή ανεπαρκών φλεβών μέσω ελεγχόμενης φωτοθερμικής βλάβης που παράγεται από την απορρόφηση φωτός και τη θέρμανση[1–4]. Η μηχανιστική εργασία τονίζει ότι η απορροφούμενη ενέργεια συχνά εναποτίθεται στο ενδοαυλικό blood/coagulum γύρω από το άκρο της ίνας (όχι μόνο απευθείας στο φλεβικό τοίχωμα), έτσι ώστε να μπορούν να επιτευχθούν θερμοκρασίες πήξης ανεξάρτητα από το αν η hemoglobin ή το water είναι το ονομαστικό target chromophore[12]. Αυτό πλασιώνει το EVLA/EVLT/EVLP όχι απλώς ως μια «ετικέτα μήκους κύματος», αλλά ως μια συζευγμένη διαδικασία απορρόφησης φωτονίων, παραγωγής θερμότητας και μεταφοράς θερμότητας που εξαρτάται από τις ιδιότητες σκέδασης και απορρόφησης στο χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος[13].
In vitro εργασία χρησιμοποιώντας ένα solid-state laser στα 1.885 μm και ~3 W εξέτασε πώς η παρουσία ενδοαυλικού εναιωρήματος red blood cell έναντι saline, και ο σχηματισμός ενός θερμαινόμενου στρώματος απανθράκωσης στην τελική επιφάνεια της ίνας, επηρεάζει την αποτελεσματικότητα της κατάλυσης[1]. Σε αυτή τη μελέτη, η παρουσία του θερμαινόμενου στρώματος απανθράκωσης αύξησε την αποτελεσματικότητα του EVLA, αναδεικνύοντας μια θερμοχημική οδό που μπορεί να ενισχύσει την εναπόθεση ενέργειας στο άκρο πέρα από την απλή οπτική απορρόφηση στο blood και μόνο[1]. Σχετικά μηχανιστικά επιχειρήματα εξηγούν γιατί η επιλεκτικότητα του μήκους κύματος μπορεί να μειωθεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας: coagulum μπορεί να σχηματιστεί γύρω από το άκρο και να μετατραπεί εν μέρει σε carbon σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 1,000 °C, και επειδή ο carbon απορροφά εξίσου καλά όλα τα μήκη κύματος laser EVLA, η απανθράκωση μπορεί να μειώσει την εξάρτηση από το μήκος κύματος μόλις η θέρμανση του άκρου κυριαρχηθεί από την απορρόφηση του carbon[13].
Οι κλινικές συγκρίσεις ενισχύουν περαιτέρω τη μεταφραστική ροή από τη φυσική προς τη φλεβολογία. Σε μια σειρά ασθενών, η συνολική εξάλειψη της μείζονος σαφηνούς φλέβας παρέμεινε καθ' όλη τη διάρκεια της παρακολούθησης, και το EVLA στα 1560 nm και 1940 nm περιγράφηκε ως εξαιρετικά αποτελεσματικό και ασφαλές για τη διόρθωση της φλεβικής παλινδρόμησης σε κιρσούς κάτω άκρων[11]. Μελέτες οπτικών παραμέτρων υποστηρίζουν γιατί η επιλογή του μήκους κύματος παραμένει σημαντική ακόμη και αν η απανθράκωση μπορεί να αμβλύνει την επιλεκτικότητα: τα βάθη διείσδυσης στο φλεβικό τοίχωμα αναφέρθηκαν ως ~1.3 mm στα 980 nm έναντι ~0.22 mm στα 1470 nm, υποδηλώνοντας πολύ διαφορετικά προφίλ χωρικής εναπόθεσης ενέργειας και πιθανά πρότυπα παράπλευρης κάκωσης[14].
Η επιλογή μήκους κύματος εξετάζεται επίσης ρητά στο πλαίσιο της εξέλιξης του συστήματος EVLP, όπου πολλαπλά μήκη κύματος παρουσιάζονται ως έχοντα διαφορετικά χαρακτηριστικά απορρόφησης· για παράδειγμα, τα 810 nm περιγράφονται ως ειδικά για την απορρόφηση της hemoglobin, και μια μεγάλη κλινική μελέτη σχεδιάστηκε για να συγκρίνει την αποτελεσματικότητα και την ασφάλεια του EVLP στα 1064 nm έναντι των 810 nm για τη χρόνια φλεβική ανεπάρκεια (κιρσούς)[2]. Ξεχωριστές οπτικές αναλύσεις υποστηρίζουν δυνητικά ευνοϊκές επιλογές στο μέσο υπέρυθρο, σημειώνοντας ότι «τα καλύτερα αποτελέσματα μέχρι στιγμής» επιτεύχθηκαν με ακτινοβολία 1.56-mm, και ότι σε μήκη κύματος 1.68 και 1.7 mm η απορρόφηση σε μη υδατικά συστατικά του blood είναι πολύ ασθενέστερη από την απορρόφηση στο water, ωθώντας σε υποθέσεις στόχευσης με κυρίαρχο το water σε αυτά τα μεγαλύτερα μήκη κύματος[15].
Μια ξεχωριστή μη θερμική θεραπευτική διασταύρωση είναι η φωτοχημική φλεβική θεραπεία μέσω φωτο-διασύνδεσης collagen, όπου η riboflavin χρησιμοποιείται ως παράγοντας διασύνδεσης και το μπλε φως δρα ως ενεργοποιητής[16]. Σε φλεβικά δείγματα, αυτή η προσέγγιση παρήγαγε γρήγορη και σημαντική συρρίκνωση χωρίς ιστολογικές ενδείξεις ενδοθηλιακής βλάβης και με εμφανείς αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες των κιρσών, υποδηλώνοντας έναν ελεγχόμενο μηχανισμό αναδιαμόρφωσης ενεργοποιούμενο από το φως και όχι καθαρά θερμική κατάλυση[16].
Διαγνωστικές διασταυρώσεις: οπτικές και φωτονικές
Η οπτική διάγνωση στη φλεβολογία εκμεταλλεύεται συχνά το γεγονός ότι η hemoglobin έχει ιδιότητες απορρόφησης που εξαρτώνται από το μήκος κύματος, επιτρέποντας τη μη επεμβατική διερεύνηση της φλεβικής οξυγόνωσης, της σύνθεσης θρόμβων ή της αγγειακής δομής χρησιμοποιώντας φωτόνια ως ανιχνευτές[3, 4, 17]. Σε όλες τις μεθόδους, η κοινή φυσική είναι ότι τα μετρούμενα σήματα (εξασθένηση, κροσσοί συμβολής, φωτοακουστικά μεταβατικά πίεσης, εκπομπή φθορισμού) καθοδηγούνται τελικά από την απορρόφηση και τη σκέδαση φωτονίων στο blood και στα συστατικά του αγγειακού τοιχώματος[3, 10, 18].
Φασματοσκοπία εγγύς υπέρυθρου
Η φασματοσκοπία εγγύς υπέρυθρου (NIR) περιγράφεται ως μια μη επεμβατική τεχνική που χρησιμοποιεί τις διαφορικές ιδιότητες απορρόφησης της hemoglobin για την αξιολόγηση της οξυγόνωσης των σκελετικών μυών, και η παρακολούθηση επιλεγμένων μηκών κύματος μπορεί να προσφέρει έναν δείκτη αποξυγόνωσης[3]. Μια μελέτη μέτρησε ρητά τον φλεβικό κορεσμό οξυγόνου και την απορρόφηση στα 760–800 nm κατά τη διάρκεια άσκησης του αντιβραχίου για να ελέγξει εάν η ζώνη οπτικής απορρόφησης συσχετίζεται με τη φλεβική οξυγόνωση[3]. Μια ξεχωριστή μέθοδος χρησιμοποίησε NIRS με φλεβική απόφραξη για τη μη επεμβατική μέτρηση του περιφερικού φλεβικού κορεσμού oxyhemoglobin (SvO2) στο αντιβράχιο ενηλίκων[19], και ανέφερε σημαντική συσχέτιση μεταξύ του SvO2 αντιβραχίου που μετρήθηκε με NIRS και του SvO2 του επιφανειακού φλεβικού blood που μετρήθηκε με συναναλυτή οξυγόνου (co-oximetry) (n=19, r=0.7, p<0.0001)[19].
Άλλη εργασία επικύρωσης εξέτασε τις σχέσεις μεταξύ των σημάτων NIRS και του φλεβικού κορεσμού οξυγόνου hemoglobin (O2Hb%) και της φλεβικής συγκέντρωσης οξυγόνου (CvO2)[20]. Μετά από κανονικοποίηση στο φυσιολογικό εύρος, αναφέρθηκαν υψηλές γραμμικές συσχετίσεις μεταξύ των σημάτων αποξυγονωμένης και οξυγονωμένης heme και του φλεβικού O2Hb% (R≈0.92) και μεταξύ των σημάτων heme και της CvO2 (R≈0.89–0.90), υποδεικνύοντας ότι οι μετρήσεις NIRS που βασίζονται στην απορρόφηση φωτονίων μπορούν να παρακολουθούν μετρικές φλεβικής οξυγόνωσης σε ελεγχόμενα περιβάλλοντα[20]. Σε περιβάλλοντα κεντρικών φλεβών, αναφέρθηκε ότι το NIRAS παρέχει μια ακριβή μη επεμβατική μέτρηση του εγκεφαλικού φλεβικού κορεσμού, με το CSvO2 να υπολογίζεται από το NIRAS και να συγκρίνεται με άμεση co-oximetry blood από την έσω σφαγίτιδα φλέβα[21].
Φωτοπληθυσμογραφία
Η φωτοπληθυσμογραφία (PPG) βασίζεται σε μια πηγή και έναν δέκτη υπέρυθρου φωτός για την προσέγγιση των διακυμάνσεων του όγκου του blood, και εκτιμά τις μεταβολές του όγκου μετρώντας την ποσότητα του φωτός που απορροφάται και αντανακλάται πίσω στον δέκτη[22]. Σε ένα πλαίσιο αξιολόγησης χρόνιας φλεβικής ανεπάρκειας, οι φλεβικές αιμοδυναμικές τιμές που παρείχε η ψηφιακή PPG χρησιμοποιήθηκαν παράλληλα με την τυπική αξιολόγηση για να διερευνηθεί εάν απαιτείτο παρέμβαση (EVLA), και εξετάστηκαν οι συσχετίσεις μεταξύ του υπερηχογραφήματος Doppler και της D-PPG για να εκτιμηθεί εάν η D-PPG θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση της φλεβικής παθολογίας και στην αξιολόγηση των θεραπευτικών επιλογών[22]. Η μέθοδος εντάσσεται επίσης ιστορικά ως αρχικά εισαχθείσα τη δεκαετία του 1930 ως μέσο αξιολόγησης του αγγειακού συστήματος, τονίζοντας τον ρόλο της ως καθιερωμένου οπτικού δείκτη για την αιμοδυναμική[22].
Οπτική τομογραφία συνοχής
Η οπτική τομογραφία συνοχής (OCT) περιγράφεται ως μια ισχυρή απεικονιστική μέθοδος βασισμένη στη συμβολομετρία χαμηλής συνοχής, επιτρέποντας απεικόνιση υψηλής ανάλυσης με βάθη διείσδυσης στον ιστό μερικών χιλιοστών και σχεδόν ιστολογική απεικόνιση των αγγειακών τοιχωμάτων[10, 23, 24]. Η ενδαγγειακή OCT έχει παρουσιαστεί ως παροχή «πληροφοριών που προσομοιάζουν με ιστολογία» του φλεβικού τοιχώματος[4], και μια εφαρμογή πλασιώνει την ενδαγγειακή OCT ως την τεχνική ενδαγγειακής απεικόνισης με την υψηλότερη ανάλυση που διατίθεται χρησιμοποιώντας εγγύς υπέρυθρο φως σε περίπου 1300 nm[25]. Στην αξιολόγηση της φλεβικής θεραπείας, η OCT αξιολογήθηκε για την ποιοτική εκτίμηση της ανατομίας του φλεβικού τοιχώματος και των ιστικών αλλοιώσεων μετά από κατάλυση με ραδιοσυχνότητες και ενδοφλεβική θεραπεία με laser σε δείγματα βοείου φλεβικού ιστού, συμπεριλαμβανομένης της αναφοράς παραμέτρων ELT ενός diode laser στα 980 nm με ενεργειακές πυκνότητες 15, 25 και 35 J/cm[4].
Η OCT προτείνεται επίσης για ενδοκρανιακές φλεβικές εφαρμογές: η υιοθέτησή της στον ανθρώπινο εγκεφαλικό φλεβικό κόλπο «θα μπορούσε να βοηθήσει» στη διάγνωση, τη θεραπεία και την κατανόηση των σκληρομήνιων αρτηριοφλεβωδών συριγγίων, της θρόμβωσης των εγκεφαλικών φλεβικών κόλπων και της ιδιοπαθούς ενδοκρανιακής υπέρτασης[25]. Αυτό αποτελεί παράδειγμα του πώς η συμβολομετρική απεικόνιση βασισμένη σε φωτόνια μπορεί να επεκτείνει τη φλεβολογία πέρα από τις επιφανειακές φλέβες των κάτω άκρων στην παθολογία των φλεβικών κόλπων, υπό την προϋπόθεση της πρόσβασης μέσω καθετήρα και των περιορισμών του οπτικού σήματος[25].
OCT ευαίσθητη στην πόλωση
Η OCT ευαίσθητη στην πόλωση (PS-OCT) επεκτείνει την OCT μετρώντας τη διπλοθλαστικότητα των ιστών, παρέχοντας αντίθεση για το collagen και τα λεία μυϊκά κύτταρα που υπάρχουν σε παλαιότερους, χρόνιους θρόμβους[26]. Σε ένα μοντέλο DVT αρουραίου, διερευνήθηκε η ενδαγγειακή PS-OCT για την αξιολόγηση της μορφολογίας και της σύνθεσης του θρόμβου in vivo κατά τη γήρανση του θρόμβου[26]. Η αυτοματοποιημένη ανάλυση εγκάρσιων εικόνων OCT διαφοροποίησε τους οξείς και χρόνιους θρόμβους με ευαισθησία 97.6% και ειδικότητα 98.6% χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο γραμμικής διακριτικής ανάλυσης που συνδυάζει την πόλωση και τις συμβατικές μετρικές OCT, υποστηρίζοντας την PS-OCT ως μια ευαίσθητη προσέγγιση για την αξιολόγηση της σύνθεσης DVT και τη διαφοροποίηση της ηλικίας του θρόμβου[26].
Φωτοακουστική απεικόνιση και ελαστογραφία
Η φωτοακουστική απεικόνιση (PAI) περιγράφεται ως επιτρέπουσα απομακρυσμένες μετρήσεις της οπτικής απορρόφησης των ιστών, και η αντίθεσή της παράγεται μέσω του φωτο/οπτο/θερμοακουστικού φαινομένου στο οποίο η απορρόφηση ενός σύντομου ηλεκτρομαγνητικού παλμού παράγει ένα θερμοελαστικό ακουστικό κύμα[17, 27]. Στην πράξη, οι βιολογικοί ιστοί ακτινοβολούνται με μη ιονίζοντες παλμούς laser· η απορρόφηση αυξάνει την τοπική θερμοκρασία (της τάξης των λίγων millikelvin), οδηγώντας σε θερμοελαστική διαστολή και ακουστική εκπομπή[18]. Τα red blood cells, τα οποία περιέχουν hemoglobin και απορροφούν σημαντικά το ορατό φως, αυξάνουν γρήγορα τη θερμοκρασία και την πίεσή τους κατά την απορρόφηση φωτεινής ενέργειας, παρέχοντας έναν φυσιολογικά σημαντικό ενδογενή απορροφητή για την απεικόνιση θρόμβων και blood-vessel[28].
Στις έννοιες σταδιοποίησης DVT, η αναδιοργάνωση του θρόμβου μπορεί να μειώσει τη συγκέντρωση της hemoglobin και ως εκ τούτου να μειώσει την οπτική απορρόφηση, ωθώντας στη χρήση αλλαγών του φωτοακουστικού σήματος για τη μη επεμβατική σταδιοποίηση των θρόμβων[27]. Μια μελέτη διευκρινίζει περαιτέρω ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί παλμική ακτινοβολία laser με μήκος κύματος συντονισμένο στην απορρόφηση των RBC, και προτείνει ότι οι οξείς θρόμβοι blood θα πρέπει να εκπέμπουν ισχυρότερα φωτοακουστικά σήματα από τη χρόνια DVT λόγω ισχυρότερης οπτικής απορρόφησης[27]. Εμπειρικά, η συνδυασμένη απεικόνιση υπερήχων και φωτοακουστικής αναφέρθηκε ότι παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη δομή και την ηλικία των θρόμβων DVT, ενώ ευρύτερες ανασκοπήσεις σημειώνουν την υπόσχεση της PAI λόγω της χωρικής της ανάλυσης και της υψηλής οπτικής αντίθεσης[17, 29].
Πέρα από τη σταδιοποίηση που βασίζεται στην απορρόφηση, η αγγειακή ελαστική φωτοακουστική τομογραφία (VE-PAT) συνδέει την ανίχνευση οπτικής απορρόφησης με το συμπέρασμα μηχανικών ιδιοτήτων. Η PAT επιτυγχάνει υψηλή χωρική ανάλυση πέρα από το όριο οπτικής διάχυσης ανιχνεύοντας υπερηχητικά την οπτική απορρόφηση, και επισημαίνεται ως έχουσα ισχυρή αντίθεση απορρόφησης βάσει hemoglobin στα RBC και ως ικανή να παρέχει δομικές, λειτουργικές και μηχανικές ιδιότητες των blood vessels σε ζώα και ανθρώπους[30]. Η VE-PAT αναφέρθηκε ως ικανή να μετρά τις αγγειακές ελαστικές ιδιότητες σε ανθρώπους[30], ανιχνεύοντας μειωμένη αγγειακή ενδοτικότητα λόγω προσομοιωμένης θρόμβωσης σε ομοιώματα (phantoms) μεγάλων αγγείων (επικυρωμένη με τυπική δοκιμή συμπίεσης)[30], και ανιχνεύοντας μείωση της αγγειακής ενδοτικότητας σε έναν άνθρωπο όταν συνέβη περιφερική απόφραξη, αποδεικνύοντας τις δυνατότητες για την ανίχνευση εν τω βάθει φλεβικής θρόμβωσης[30].
Φθορισμός εγγύς υπέρυθρου και υπερφασματική απεικόνιση
Η απεικόνιση θρόμβου με φθορισμό εγγύς υπέρυθρου (NIRF) χρησιμοποιεί στοχευμένα φθοριοφόρα για τη μετατροπή μοριακών συμβάντων δέσμευσης σε ανιχνεύσιμη εκπομπή φωτονίων NIR· για παράδειγμα, ένα πεπτίδιο που στοχεύει το fibrin συζεύχθηκε με το εγγύς υπέρυθρο φθοριοφόρο Cy7 (FTP11-Cy7) για την ανάπτυξη και επικύρωση ενός απεικονιστικού παράγοντα που επιτρέπει την υψηλής ανάλυσης απεικόνιση NIRF της εν τω βάθει φλεβικής θρόμβωσης[31]. Στις προκλινικές ροές εργασίας, πραγματοποιήθηκε μη επεμβατική ολοκληρωμένη φθορίζουσα μοριακή τομογραφία με CT (FMT-CT) σε ποντίκια με υποξεία DVT σφαγίτιδας φλέβας, απεικονίζοντας μια συνδυασμένη οπτική–ακτινολογική προσέγγιση για τον εντοπισμό και την ποσοτικοποίηση του θρόμβου[31]. Σχετική εργασία τονίζει ότι η απεικόνιση φθορισμού στο δεύτερο παράθυρο εγγύς υπέρυθρου (NIR-II, 1,000–1,700 nm) είναι ευνοϊκή λόγω της μειωμένης πολυπλοκότητας του εξοπλισμού και της ευκολότερης λειτουργίας, και ότι αναπτύχθηκε ένας theranostic φορέας φαρμάκου για να επιτρέπει την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της στοχευμένης θρομβολυτικής διαδικασίας της DVT[32].
Στο άκρο της επιφανειακής απεικόνισης του φάσματος, η υπερφασματική ορατή–NIR απεικόνιση οριοθετεί τους κιρσούς εκμεταλλευόμενη τις υπογραφές διάχυτης ανάκλασης που εξαρτώνται από το μήκος κύματος. Σε μια μελέτη συστήματος, εθελοντές φωτίστηκαν με πολυχρωματικό φως που εκτεινόταν από τα 400–950 nm[33], και τα φάσματα διάχυτης ανάκλασης κορυφώθηκαν στα 530 nm για τους κιρσούς έναντι των 780 nm για τις φλέβες των κάτω άκρων[33]. Οι υπερφασματικές εικόνες σε επιλεγμένα μήκη κύματος κανονικοποιήθηκαν και φιλτραρίστηκαν πριν από την οριοθέτηση χρησιμοποιώντας ποσοτική ανάλυση φάσης και k-means clustering, συνδέοντας τα οπτικά φάσματα με τον υπολογιστικό κατακερματισμό για τη χαρτογράφηση φλεβών χωρίς επαφή[33].
Διαγνωστικές διασταυρώσεις: μαγνητικός συντονισμός
Η ποσοτική χαρτογράφηση επιδεκτικότητας (QSM) παρέχει μια γέφυρα μαγνητικού συντονισμού μεταξύ της κβαντικής φυσικής του spin και της φλεβικής φυσιολογίας χρησιμοποιώντας την εξέλιξη φάσης MR για να συμπεράνει την τοπική μαγνητική επιδεκτικότητα. Η QSM «εξετάζει δεδομένα φάσης gradient-echo» για να προσδιορίσει την τοπική μαγνητική επιδεκτικότητα των ιστών[5], και η μέτρηση των διαφορών επιδεκτικότητας από την QSM αναφέρεται ότι καθιστά δυνατό τον ποσοτικό προσδιορισμό των τιμών SvO2 με βάση τη σχέση μεταξύ της διαφοράς επιδεκτικότητας και του SvO2[6]. Η ευαισθησία στην οξυγόνωση υποστηρίζεται από αναφορές ότι η QSM μπορεί να ποσοτικοποιήσει τις αλλαγές στον κορεσμό deoxyhemoglobin που προκαλούνται από υπεροξική δοκιμασία αερίου τόσο σε ζωικά μοντέλα όσο και σε ανθρώπους[7], και από την αναφερόμενη εξαιρετική συμφωνία μεταξύ του ShvO2 που μετρήθηκε σε έναν αναλυτή αερίων blood και του ShvO2 που υπολογίστηκε από μετρήσεις QSM[7].
Η φλεβική ειδικότητα των μετρικών που βασίζονται στην επιδεκτικότητα θεμελιώνεται στην αντίθεση των μαγνητικών ιδιοτήτων μεταξύ των καταστάσεων οξυγόνωσης: η oxyhemoglobin περιγράφεται ως διαμαγνητική (αρνητική επιδεκτικότητα), ενώ η deoxyhemoglobin είναι παραμαγνητική (θετική επιδεκτικότητα)[28]. Εντός των παρεχόμενων αποσπασμάτων της βιβλιογραφίας QSM, η QSM παρουσιάζεται επίσης ως μια μη επεμβατική μέθοδος που μπορεί να παρέχει μια έμμεση μέτρηση του εγκεφαλικού φλεβικού κορεσμού οξυγόνου (CSvO2), ενισχύοντας το δυναμικό της για εφαρμογές φλεβικής οξυμετρίας όπου η άμεση δειγματοληψία είναι ανέφικτη[5].
Κβαντικοί βιοφυσικοί μηχανισμοί
Σε μοριακό επίπεδο, η κατάσταση οξυγόνωσης της hemoglobin συνδέεται με μαγνητικές ιδιότητες που σχετίζονται άμεσα τόσο με τις αλληλεπιδράσεις μαγνητικού πεδίου όσο και με την απεικόνιση επιδεκτικότητας MR. Η oxyhemoglobin περιγράφεται ως διαμαγνητική ενώ η deoxyhemoglobin είναι παραμαγνητική, υποδηλώνοντας εξαρτώμενες από την οξυγόνωση αλληλεπιδράσεις επιδεκτικότητας και μαγνητικής δύναμης σε μοριακό/ηλεκτρονικό επίπεδο[28]. Η hemoglobin περιγράφεται επίσης ως μια αλλοστερική πρωτεΐνη που υφίσταται διαμορφωτική αλλαγή κατά τις μεταβάσεις από την τεταμένη (tense - αποξυγονωμένη) στη χαλαρή (relaxed - οξυγονωμένη) κατάσταση και αντίστροφα, τονίζοντας ότι η δέσμευση οξυγόνου είναι συζευγμένη με τη δομική κατάσταση της πρωτεΐνης[28].
Μια προτεινόμενη μηχανιστική γέφυρα μεταξύ των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και της φυσιολογίας του blood είναι ότι τα μαγνητικά πεδία επηρεάζουν τα κινούμενα φορτία και έτσι την αλλοστερική μεταμόρφωση της hemoglobin, η οποία περιγράφεται ως περιλαμβάνουσα μετατοπίσεις πληθυσμών παρά μια μονοκατευθυντική μετατροπή μιας τεταρτοταγούς δομής σε μια άλλη[28]. Στο πλαίσιο της φλεβικής ιατρικής, αυτό το σώμα ισχυρισμών συνδέει κβαντικά ενημερωμένες έννοιες μαγνητισμού (επιδεκτικότητα, αλληλεπιδράσεις πεδίου–φορτίου) με τη λειτουργία της hemoglobin, η οποία αποτελεί τη βάση του φλεβικού περιεχομένου οξυγόνου και της δυναμικής αποδέσμευσης οξυγόνου που οι οπτικές (NIRS, PAI) και οι MR (QSM) μέθοδοι προσπαθούν να μετρήσουν[3, 6, 28].
Αναδυόμενες και εννοιολογικές διασταυρώσεις
Αρκετές κατευθύνσεις εργασίας εκτείνονται πέρα από τις καθιερωμένες κλινικές φλεβολογικές συσκευές, αλλά εξακολουθούν να διατυπώνουν αρχές προερχόμενες από την κβαντική φυσική που εφαρμόζονται σε αγγειακά ή φλεβικά σήματα. Στο EVLA, η υπολογιστική μοντελοποίηση υποκινείται ρητά από την αναπαράσταση της ίνας laser ως σημειακής πηγής σε έναν κυλινδρικό φλεβικό σωλήνα και τη μοντελοποίηση της ακτινικής ανακατανομής του φωτός μέσω μιας διαδικασίας διάχυσης που διέπεται από τη σκέδαση και την απορρόφηση του blood στο εξεταζόμενο μήκος κύματος, απεικονίζοντας μια προσέγγιση προσανατολισμένη στη φυσική για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων στη φλεβική κατάλυση[13].
Βιοηλεκτρονικές συσκευές με την εμπορική ονομασία «Quantum Molecular Resonance» (QMR) συζητούνται επίσης ως πιθανά εργαλεία στη φλεβολογία: ένας «νέος τύπος ηλεκτρικού νυστεριού» περιγράφεται ως χρησιμοποιήσιμος για τη θεραπεία δερματικών τριχοειδών αγγείων και ευρυαγγειών, με ρυθμιζόμενη ισχύ και ακριβή χρονισμό που αποσκοπούν στη μείωση της θερμικής βλάβης[34]. Στο ίδιο πλαίσιο, η σκληροθεραπεία περιγράφεται ως η κύρια θεραπεία για τους κιρσούς, τις φλέβες «αράχνη» και τις τηλαγγειεκτασίες, τοποθετώντας την QMR ως συμπλήρωμα στο ευρύτερο θεραπευτικό οικοσύστημα της διαχείρισης των επιφανειακών φλεβικών παθήσεων[34].
Στην υπολογιστική πλευρά, μια υβριδική κβαντική–κλασική προσέγγιση μηχανικής μάθησης έχει αναφερθεί για την απεικόνιση αντίθεσης κηλίδων laser (LSCI) της ροής του blood: αντί για τη χρήση ενός τυπικού 3D global pooling επιπέδου για τη συμπίεση των χαρτών χαρακτηριστικών, το μοντέλο το αντικαθιστά με ένα μεταβλητό κβαντικό κύκλωμα, και το κύκλωμα υποστηρίζεται ότι διατηρεί τις χωρικές και χρονικές σχέσεις στα δεδομένα για τη διατήρηση της προβλεπτικής ακρίβειας[9]. Αν και δεν είναι ειδικό για τη φλεβική νόσο στο απόσπασμα, η διασταύρωση έγκειται στο ότι οι ροές εργασίας απεικόνισης της ροής του blood που σχετίζονται με την αγγειακή αξιολόγηση μπορούν να τροποποιηθούν από ρητά κβαντικά στοιχεία κυκλώματος, συνδέοντας την επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών με την ανάλυση αιμοδυναμικών σημάτων[9].
Μια ξεχωριστή έννοια μοντελοποίησης προτείνει μια τεχνική «εξ ολοκλήρου βασισμένη στην Κβαντική Μηχανική και την Κλασική Ηλεκτροδυναμική» για την αντιμετώπιση της ανώμαλης ανάπτυξης αγγείων κατά την αγγειογένεση, και ισχυρίζεται ότι χρησιμοποιεί υπολογισμούς κβαντομηχανικής για την ακριβέστερη πρόβλεψη της θέσης και τον περιορισμό της ανώμαλης ανάπτυξης των αγγείων[35]. Αν και αυτό βρίσκεται πιο κοντά στην αγγειακή βιολογία και την αγγειογένεση παρά στην κλασική διαχείριση των κιρσών, εξακολουθεί να αντιπροσωπεύει μια άμεση προσπάθεια χρήσης κβαντικής/ηλεκτροδυναμικής μοντελοποίησης ως οδηγού για παρεμβάσεις στον παθολογικό σχηματισμό αγγείων[35].
Τέλος, η κβαντική ανίχνευση συνδέεται με τις φλεβικές καταστάσεις μέσω του βιομαγνητισμού. Τα SQUID περιγράφονται ως βασιζόμενα στην κβάντωση της μαγνητικής ροής και στο φαινόμενο Josephson[8], και σχετικοί κβαντικοί αισθητήρες ανιχνεύουν τη μετάπτωση των ατομικών spins σε ένα μαγνητικό πεδίο με ευαισθησίες κοντά σε femtotesla ανά [8]. Σε μια εφαρμογή που αφορά ρητά τη φλεβική ισχαιμία, μελέτες ανέφεραν ότι συμβαίνουν αλλαγές πριν από τις παθολογικές αλλοιώσεις και μπορούν να καταγραφούν μη επεμβατικά χρησιμοποιώντας ένα SQUID[36], και τα SQUID περιγράφονται ως μετρώντα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από την ηλεκτρική δραστηριότητα των λείων μυών του γαστρεντερικού, αποδεικνύοντας τη σκοπιμότητα λήψης ασθενών βιοηλεκτρομαγνητικών υπογραφών σχετικών με καταστάσεις αγγειακής διακύβευσης[36].
Σύνθεση
Σε όλη τη δειγματοληπτική βιβλιογραφία, αρκετές οριζόντιες «κοινές πτυχές» συνδέουν σταθερά την κβαντική φυσική με τη φλεβολογία μέσω κοινών μετρήσιμων μεγεθών, ελεγχόμενων παραμέτρων και της φυσικής των οργάνων.
Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τις επαναλαμβανόμενες γέφυρες από τις φυσικές αρχές κβαντικής προέλευσης σε συγκεκριμένες φλεβικές εφαρμογές.
Συνολικά, αυτά τα θέματα δείχνουν ότι η κοινή «γλώσσα» μεταξύ της κβαντικής φυσικής και της φλεβολογίας είναι σε μεγάλο βαθμό μια γλώσσα μετρήσιμων αντιθέσεων και ελεγχόμενων παραμέτρων: φάσματα απορρόφησης και μήκος κύματος, συνοχή και συμβολή, κατάσταση πόλωσης, επιδεκτικότητα και όρια ευαισθησίας αισθητήρων[3, 5, 8, 10].
Περιορισμοί και συμπέρασμα
Στο πλαίσιο της βιβλιογραφίας που εξετάστηκε εδώ, οι κυρίαρχες διασταυρεύσεις είναι εφαρμοσμένες και μεταφραστικές: τα laser χρησιμοποιούνται για ενδοφλεβική κατάλυση και συγκρίνονται μεταξύ των μηκών κύματος ως προς την αποτελεσματικότητα και την ασφάλεια, η οπτική φασματοσκοπία και απεικόνιση χρησιμοποιούνται για να συμπεράνουν τη φλεβική οξυγόνωση ή να χαρακτηρίσουν θρόμβους, και η ανακατασκευή επιδεκτικότητας MR χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση δεικτών φλεβικής οξυγόνωσης[3, 6, 11, 17]. Οι στενότεροι δεσμοί με την πιο «θεμελιώδη» μοριακή φυσική είναι (i) η εξαρτώμενη από την οξυγόνωση μαγνητική επιδεκτικότητα της hemoglobin (διαμαγνητική oxyhemoglobin έναντι παραμαγνητικής deoxyhemoglobin) και (ii) οι βασισμένες στην επιδεκτικότητα μέθοδοι QSM που εκμεταλλεύονται αυτές τις διαφορές για τον ποσοτικό προσδιορισμό των αλλαγών οξυγόνωσης, μαζί με ισχυρισμούς ότι τα μαγνητικά πεδία μπορούν να επηρεάσουν τις αλλοστερικές μεταμορφώσεις της hemoglobin μέσω αλληλεπιδράσεων κινουμένων φορτίων[7, 28].
Συνολικά, οι κοινές πτυχές της κβαντική φυσικής και της φλεβολογίας που τεκμηριώνονται σε αυτό το σώμα κειμένων γίνονται καλύτερα κατανοητές ως η κλινική εφαρμογή της φωτονικής και της επιστήμης ηλεκτρομαγνητικών μετρήσεων που βασίζονται στην κβαντική θεωρία για τη διάγνωση, την απεικόνιση και τη θεραπεία της φλεβικής νόσου, με την hemoglobin να χρησιμεύει ως κεντρικό «μόριο-γέφυρα» που είναι ταυτόχρονα θεραπευτικός απορροφητής, οπτικός αναφορέας και πηγή μαγνητικής επιδεκτικότητας[3, 12, 28].
