Introduksjon
Kvantefysikk og flebologi (venemedisin) krysser hverandre mest synlig gjennom teknologier hvis driftsprinsipper er forankret i kvante-avledet optikk og elektromagnetisk teori, spesielt lasere og lys–vev-interaksjon for venøs ablasjon og avbildning[1–4]. En annen viktig bro er magnetisk resonans-basert venøs avbildning og oksimetri, der MR-faseinformasjon tolkes som magnetisk susceptibilitet og brukes til å kvantifisere proksier for venøs oksygenering, noe som kobler kvantespinnfysikk til venøs fysiologi[5–7]. En tredje bro består av fremvoksende «kvanteteknologier» innen sansing og beregning, inkludert SQUID-basert biomagnetisme og kvanteinspirerte/kvantemaskinlærings-arbeidsflyter som retter seg mot biomedisinske signaler relevante for blodstrøm og vaskulære tilstander[8, 9].
På tvers av denne litteraturen er de «felles aspektene» sjelden at venene selv utviser eksotiske makroskopiske kvantefenomener; snarere tar flebologien i bruk måle- og behandlingsmodaliteter (lasere, interferometrisk avbildning, magnetometri, rekonstruksjon av MR-susceptibilitet) hvis fysiske grunnlag ligger i kvanteteori, fotonikk og kvanteinformert elektromagnetisk modellering[5, 8, 10].
Terapeutiske skjæringspunkter
Endovenøse lasermetoder illustrerer det mest direkte translasjonelle skjæringspunktet: koherent laserstråling leveres inne i en vene, og det kliniske målet er okklusjon av reflukserende eller inkompetente vener gjennom kontrollert fototermisk skade produsert av lysabsorpsjon og oppvarming[1–4]. Mekanistisk arbeid understreker at absorbert energi ofte avsettes i intraluminalt blod/koagulum rundt fiberspissen (ikke bare direkte i veneveggen), slik at koagulasjonstemperaturer kan oppnås uavhengig av om hemoglobin eller vann er den nominelle målkromoforen[12]. Dette rammer inn EVLA/EVLT/EVLP ikke bare som et «bølgelengdemerke», men som en koblet prosess av fotonabsorpsjon, varmegenerering og varmeoverføring som er avhengig av sprednings- og absorpsjonsegenskaper ved den anvendte bølgelengden[13].
In vitro-arbeid med en solid-state-laser ved 1.885 μm og ~3 W undersøkte hvordan tilstedeværelsen av intraluminal suspensjon av røde blodceller versus saltvann, og dannelsen av et oppvarmet karbonisert lag på fiberens endeflate, påvirker ablasjonseffektiviteten[1]. I den studien økte tilstedeværelsen av det oppvarmede karboniserte laget effektiviteten til EVLA, noe som fremhever en termokjemisk vei som kan forsterke energiavsetningen ved spissen utover enkel optisk absorpsjon i bare blod[1]. Beslektede mekanistiske argumenter forklarer hvorfor bølgelengdeselektivitet kan avta under prosedyren: koagulum kan dannes rundt spissen og delvis transformeres til karbon ved temperaturer over 1,000 °C, og fordi karbon absorberer alle EVLA-laserbølgelengder like godt, kan karbonisering redusere bølgelengdeavhengigheten når spissoppvarmingen domineres av karbonabsorpsjon[13].
Kliniske sammenligninger forsterker ytterligere den translasjonelle rørledningen fra fysikk til flebologi. I en pasientserie vedvarte total obliterasjon av vena saphena magna gjennom hele oppfølgingen, og EVLA ved 1560 nm og 1940 nm ble beskrevet som svært effektivt og trygt for korrigering av venøs refluks i åreknuter i underekstremitetene[11]. Studier av optiske parametere støtter hvorfor valg av bølgelengde forblir viktig selv om karbonisering kan dempe selektiviteten: penetrasjonsdybder i veneveggen ble rapportert til ~1.3 mm ved 980 nm mot ~0.22 mm ved 1470 nm, noe som innebærer svært forskjellige profiler for romlig energiavsetning og potensielle mønstre for kollateral skade[14].
Valg av bølgelengde behandles også eksplisitt innenfor utviklingen av EVLP-systemer, der flere bølgelengder posisjoneres som å ha ulike absorpsjonsegenskaper; for eksempel beskrives 810 nm som spesifikk for hemoglobinabsorpsjon, og en stor klinisk studie ble satt opp for å sammenligne effekt og sikkerhet av EVLP ved 1064 nm versus 810 nm for kronisk venøs insuffisiens (åreknuter)[2]. Separate optiske analyser argumenterer for potensielt gunstige valg i det mid-infrarøde spekteret, og bemerker at «de beste resultatene så langt» ble oppnådd med 1.56-mm stråling, og at ved bølgelengder på 1.68 og 1.7 mm er absorpsjon i ikke-vannholdige blodkomponenter mye svakere enn absorpsjon i vann, noe som motiverer vann-dominante målrettingshypoteser ved disse lengre bølgelengdene[15].
Et distinkt ikke-termisk terapeutisk skjæringspunkt er fotokjemisk venøs terapi via foto-kollagen-kryssbinding, der riboflavin brukes som kryssbindingsmiddel og blått lys fungerer som aktivator[16]. I veneprøver produserte denne tilnærmingen rask og signifikant krymping uten histologisk bevis på endotelskade og med tydelige endringer i de mekaniske egenskapene til åreknuter, noe som tyder på en kontrollerbar lysaktivert remodelleringsmekanisme snarere enn rent termisk ablasjon[16].
Diagnostiske skjæringspunkter: optisk og fotonisk
Optisk diagnose innen flebologi utnytter ofte det faktum at hemoglobin har bølgelengdeavhengige absorpsjonsegenskaper, noe som muliggjør ikke-invasiv undersøkelse av venøs oksygenering, trombesammensetning eller vaskulær struktur ved bruk av fotoner som sonder[3, 4, 17]. På tvers av metoder er den felles fysikken at målte signaler (attenuasjon, interferensmønstre, fotoakustiske trykktransienter, fluorescensemisjon) til syvende og sist drives av fotonabsorpsjon og spredning i blod og karveggkomponenter[3, 10, 18].
Nær-infrarød spektroskopi
Nær-infrarød (NIR) spektroskopi beskrives som en ikke-invasiv teknikk som bruker de differensielle absorpsjonsegenskapene til hemoglobin for å evaluere oksygenering i skjelettmuskulatur, og overvåking av utvalgte bølgelengder kan gi en indeks for deoksygenering[3]. En studie målte eksplisitt venøs oksygenmetning og absorpsjon ved 760–800 nm under underarmsøvelser for å teste om det optiske absorpsjonsbåndet korrelerer med venøs oksygenering[3]. En separat metode brukte NIRS med venøs okklusjon for å måle perifer venøs oksyhemoglobinmetning (SvO2) ikke-invasivt i underarmen hos voksne[19], og rapporterte en signifikant korrelasjon mellom SvO2 i underarmen målt med NIRS og SvO2 i overfladisk venøst blod målt med co-oksimetri (n=19, r=0.7, p<0.0001)[19].
Annet valideringsarbeid undersøkte forholdet mellom NIRS-signaler og venøs hemoglobin-oksygenmetning (O2Hb%) og venøs oksygenkonsentrasjon (CvO2)[20]. Etter normalisering til fysiologisk område ble det rapportert høye lineære korrelasjoner mellom deoksygenerte og oksygenerte hemsignaler og venøs O2Hb% (R≈0.92) og mellom hemsignaler og CvO2 (R≈0.89–0.90), noe som indikerer at fotonabsorpsjonsbaserte NIRS-målinger kan følge venøse oksygeneringsmålinger i kontrollerte omgivelser[20]. I sentralvenøse sammenhenger ble det rapportert at NIRAS gir en nøyaktig ikke-invasiv måling av cerebral venøs metning, med CSvO2 beregnet ved NIRAS og sammenlignet med direkte co-oksimetri av blod fra vena jugularis interna[21].
Fotopletysmografi
Fotopletysmografi (PPG) baserer seg på en infrarød lyskilde og reseptor for å tilnærme fluktuasjoner i blodvolum, og den estimerer volumendringer ved å måle mengden lys som absorberes og reflekteres tilbake til reseptoren[22]. I en setting for evaluering av kronisk venøs insuffisiens ble venøse hemodynamiske verdier levert av digital PPG brukt sammen med standard evaluering for å undersøke om intervensjon (EVLA) var nødvendig, og korrelasjoner mellom Doppler-ultralyd og D-PPG ble undersøkt for å vurdere om D-PPG kunne bidra til å forstå venøs patologi og evaluere behandlingsalternativer[22]. Metoden kontekstualiseres også historisk som opprinnelig introdusert på 1930-tallet som et middel for å evaluere det vaskulære systemet, noe som understreker dens rolle som en etablert optisk proksi for hemodynamikk[22].
Optisk koherenstomografi
Optisk koherenstomografi (OCT) beskrives som en kraftfull bildebehandlingsmodalitet basert på lavkoherens-interferometri, som muliggjør høyoppløselig avbildning med vevspenetrasjonsdybder på noen få millimeter og nær-histologisk visualisering av karvegger[10, 23, 24]. Endovaskulær OCT har blitt presentert som en metode som gir «histologilignende informasjon» om veneveggen[4], og en applikasjon rammer inn endovaskulær OCT som den mest høyoppløselige intravaskulære avbildningsteknikken tilgjengelig ved bruk av nær-infrarødt lys ved omtrent 1300 nm[25]. Ved vurdering av venøs terapi ble OCT evaluert for kvalitativ vurdering av veneveggens anatomi og vevsendringer etter radiofrekvensablasjon og endovenøs laserterapi i veneprøver fra storfe, inkludert rapportering av ELT-parametere for en diodelaser ved 980 nm med energitettheter på 15, 25 og 35 J/cm[4].
OCT posisjoneres også for intrakranielle venøse applikasjoner: bruk i den menneskelige cerebrale venøse sinus «kunne bistå» diagnostisering, behandling og forståelse av durale arteriovenøse fistler, cerebral venøs sinustrombose og idiopatisk intrakraniell hypertensjon[25]. Dette eksemplifiserer hvordan interferometrisk fotonbasert avbildning kan utvide flebologien utover overfladiske benvener og inn i venøs sinuspatologi, avhengig av kateterbasert tilgang og begrensninger i optiske signaler[25].
Polarisasjonsfølsom OCT
Polarisasjonsfølsom OCT (PS-OCT) utvider OCT ved å måle vevets dobbeltbrytning, noe som gir kontrast for kollagen og glatte muskelceller som er til stede i eldre, kroniske koagler[26]. I en DVT-modell hos rotter ble intravaskulær PS-OCT undersøkt for å vurdere trombemorfologi og sammensetning in vivo gjennom trombens aldring[26]. Automatisert analyse av OCT-tverrsnittsbilder skilte akutte og kroniske tromber med 97.6% sensitivitet og 98.6% spesifisitet ved bruk av en lineær diskriminantmodell som kombinerer polarisasjonsmålinger og konvensjonelle OCT-mål, noe som støtter PS-OCT som en sensitiv tilnærming for vurdering av DVT-sammensetning og differensiering av trombealder[26].
Fotoakustisk avbildning og elastografi
Fotoakustisk avbildning (PAI) beskrives som en metode som muliggjør fjernmåling av vevets optiske absorpsjon, og dens kontrast genereres via den foto/opto/termoakustiske effekten der absorpsjon av en kort elektromagnetisk puls produserer en termoelastisk akustisk bølge[17, 27]. I praksis bestråles biologisk vev med ikke-ioniserende laserpulser; absorpsjon øker den lokale temperaturen (i størrelsesorden noen få millikelvin), noe som fører til termoelastisk ekspansjon og akustisk emisjon[18]. Røde blodceller (RBC), som inneholder hemoglobin og absorberer synlig lys i betydelig grad, øker raskt i temperatur og trykk når de absorberer lysenergi, noe som gir en fysiologisk meningsfull endogen absorber for avbildning av koagler og blodkar[28].
I konsepter for DVT-stadiene kan trombens reorganisering redusere hemoglobinkonsentrasjonen og dermed redusere den optiske absorpsjonen, noe som motiverer bruken av fotoakustiske signalendringer for å stadiefeste tromber ikke-invasivt[27]. En studie spesifiserer videre at pulset laserstråling med bølgelengde innstilt på RBC-absorpsjon kan brukes, og foreslår at akutte blodpropper bør sende ut sterkere fotoakustiske signaler enn kronisk DVT på grunn av sterkere optisk absorpsjon[27]. Empirisk ble det rapportert at kombinert ultralyd og fotoakustisk avbildning ga informasjon om strukturen og alderen på DVT-tromber, mens bredere oversikter bemerker PAI sitt løfte på grunn av romlig oppløsning og høy optisk kontrast[17, 29].
Utover absorpsjonsbasert stadiefesting, kobler vaskulær elastisk fotoakustisk tomografi (VE-PAT) deteksjon av optisk absorpsjon til slutninger om mekaniske egenskaper. PAT oppnår høy romlig oppløsning utover den optiske diffusjonsgrensen ved å detektere optisk absorpsjon med ultralyd, og det fremheves som en metode med sterk hemoglobinbasert absorpsjonskontrast i RBC og som i stand til å gi strukturelle, funksjonelle og mekaniske egenskaper til blodkar hos dyr og mennesker[30]. Det ble rapportert at VE-PAT var i stand til å måle vaskulære elastiske egenskaper hos mennesker[30], detektere redusert vaskulær compliance på grunn av simulert trombose i fantomer av store kar (validert ved standard kompresjonstesting)[30], og detektere en reduksjon i vaskulær compliance hos et menneske når det oppsto en nedstrøms okklusjon, noe som demonstrerer potensialet for deteksjon av dyp venetrombose[30].
Nær-infrarød fluorescens og hyperspektral avbildning
Nær-infrarød fluorescens-avbildning (NIRF) av tromber bruker målrettede fluoroforer for å konvertere molekylære bindingshendelser til detekterbar NIR-fotonemisjon; for eksempel ble et fibrin-målrettet peptid konjugert til den nær-infrarøde fluoroforen Cy7 (FTP11-Cy7) for å utvikle og validere et bildemiddel som muliggjør høyoppløselig NIRF-avbildning av dyp venetrombose[31]. I prekliniske arbeidsflyter ble ikke-invasiv integrert fluorescens-molekylær tomografi med CT (FMT-CT) utført på mus med subakutt DVT i vena jugularis, noe som illustrerer en kombinert optisk-radiologisk tilnærming til trombelokalisering og kvantifisering[31]. Beslektet arbeid understreker at fluorescensavbildning i det andre nær-infrarøde vinduet (NIR-II, 1,000–1,700 nm) er gunstig på grunn av redusert utstyrskompleksitet og enklere drift, og at en teranostisk legemiddelbærer ble utviklet for å muliggjøre sanntidsovervåking av den målrettede trombolytiske prosessen ved DVT[32].
I den overflate-avbildende enden av spekteret avgrenser hyperspektral synlig–NIR-avbildning åreknuter ved å utnytte bølgelengdeavhengige signaturer for diffus refleksjon. I en systemstudie ble frivillige belyst med polykromatisk lys som spente over 400–950 nm[33], og spektra for diffus refleksjon toppet seg ved 530 nm for åreknuter mot 780 nm for benvener[33]. Hyperspektrale bilder ved utvalgte bølgelengder ble normalisert og filtrert før avgrensning ved bruk av kvantitativ faseanalyse og k-means-klynging, noe som kobler optiske spektra til beregningsmessig segmentering for kontaktløs venekartlegging[33].
Diagnostiske skjæringspunkter: magnetisk resonans
Kvantitativ susceptibilitetskartlegging (QSM) utgjør en magnetisk resonans-bro mellom kvantespinnfysikk og venøs fysiologi ved å bruke MR-faseutvikling til å utlede lokal magnetisk susceptibilitet. QSM «undersøker gradient-ekko-fasedata» for å bestemme lokal magnetisk susceptibilitet i vev[5], og måling av susceptibilitetsforskjeller fra QSM er rapportert å gjøre det mulig å kvantifisere SvO2-verdier basert på forholdet mellom susceptibilitetsforskjell og SvO2[6]. Følsomheten for oksygenering støttes av rapporter om at QSM kan kvantifisere endringer i deoksyhemoglobinmetning indusert av hyperoksisk gassutfordring i både dyremodeller og mennesker[7], og av rapportert utmerket samsvar mellom ShvO2 målt på en blodgassanalysator og ShvO2 beregnet fra QSM-målinger[7].
Den venøse spesifisiteten til susceptibilitetsbaserte mål er forankret i kontrasten i magnetiske egenskaper mellom oksygeneringstilstander: oksyhemoglobin beskrives som diamagnetisk (negativ susceptibilitet), mens deoksyhemoglobin er paramagnetisk (positiv susceptibilitet)[28]. Innenfor de gitte utdragene fra QSM-litteraturen rammes QSM også inn som en ikke-invasiv metode som kan gi et indirekte mål på cerebral venøs oksygenmetning (CSvO2), noe som forsterker dens potensial for venøse oksimetri-applikasjoner der direkte prøvetaking er upraktisk[5].
Kvante-biofysiske mekanismer
På molekylært nivå er hemoglobinets oksygeneringstilstand knyttet til magnetiske egenskaper som er direkte relevante for både magnetfeltinteraksjoner og MR-susceptibilitetsavbildning. Oksyhemoglobin beskrives som diamagnetisk, mens deoksyhemoglobin er paramagnetisk, noe som innebærer oksygeneringsavhengig susceptibilitet og magnetiske kraftinteraksjoner på molekylært/elektronisk nivå[28]. Hemoglobin beskrives også som et allosterisk protein som gjennomgår konformasjonsendring under overganger fra spent (deoksygenerert) til avslappet (oksygenerert) tilstand og omvendt, noe som understreker at oksygenbinding er koblet til proteinets strukturelle tilstand[28].
En foreslått mekanistisk bro mellom elektromagnetiske felt og blodfysiologi er at magnetfelt påvirker ladninger i bevegelse og dermed den allosteriske transformasjonen av hemoglobin, som beskrives som å involvere skift i populasjoner snarere enn en enveis konvertering av én kvartærstruktur til en annen[28]. I sammenheng med venemedisin kobler disse påstandene kvanteinformerte magnetismekonsepter (susceptibilitet, felt–ladnings-interaksjoner) til hemoglobinfunksjon, som ligger til grunn for venøst oksygeninnhold og oksygenfrigjøringsdynamikk som optiske (NIRS, PAI) og MR-metoder (QSM) forsøker å måle[3, 6, 28].
Fremvoksende og konseptuelle skjæringspunkter
Flere forskningslinjer strekker seg utover etablerte kliniske flebologiske apparater, men artikulerer fortsatt prinsipper avledet fra kvantefysikk anvendt på vaskulære eller venøse signaler. Innen EVLA er beregningsmodellering eksplisitt motivert av å representere laserfiberen som en punktkilde i et sylindrisk venøst rør og modellere radiell omfordeling av lys via en diffusjonsprosess styrt av blodets spredning og absorpsjon ved den aktuelle bølgelengden, noe som illustrerer en fysikk-drevet tilnærming til parameteroptimalisering i venøs ablasjon[13].
Bioelektroniske apparater merket som «Kvantemolekylær resonans» (QMR) diskuteres også som potensielle verktøy innen flebologi: en «ny type elektrisk skalpell» beskrives som brukbar til å behandle dermale kapillarer og varikositer, med justerbar kraft og presis timing ment å redusere termisk skade[34]. I samme rammeverk beskrives skleroterapi som den primære behandlingen for åreknuter, spindelvevsårer og teleangiektasier, noe som posisjonerer QMR som et supplement i det bredere terapeutiske økosystemet for håndtering av overfladisk venøs sykdom[34].
På beregningssiden har en hybrid kvante–klassisk maskinlæringstilnærming blitt rapportert for laser-speckle-kontrast-avbildning (LSCI) av blodstrøm: i stedet for å bruke et standard 3D globalt pooling-lag for å komprimere funksjonskart, erstatter modellen det med en variasjonell kvantekrets, og kretsen hevdes å bevare romlige og tidsmessige relasjoner i dataene for å opprettholde prediktiv nøyaktighet[9]. Selv om utdraget ikke er spesifikt for venøs sykdom, er skjæringspunktet at bildebehandlingskjeder for blodstrøm relevante for vaskulær vurdering kan modifiseres med eksplisitte kvantekretskomponenter, noe som kobler kvanteinformasjonsbehandling til hemodynamisk signalanalyse[9].
Et separat modelleringskonsept foreslår en teknikk «helt basert på kvantemekanikk og klassisk elektrodynamikk» for å adressere anomal karsykel under angiogenese, og hevder å bruke kvantemekaniske beregninger for å mer nøyaktig forutsi plasseringen av og begrense anomal vekst av kar[35]. Selv om dette ligger nærmere vaskulær biologi og angiogenese enn klassisk behandling av åreknuter, representerer det likevel et direkte forsøk på å bruke kvante/elektrodynamisk modellering som veiledning for intervensjoner i patologisk kardannelse[35].
Til slutt kobles kvantesansing til venøse tilstander via biomagnetisme. SQUIDs beskrives som basert på kvantisering av magnetisk fluks og Josephson-effekten[8], og relaterte kvantesensorer detekterer presesjon av atomspinn i et magnetfelt med følsomhet nær femtotesla per [8]. I en applikasjon som eksplisitt involverer venøs iskemi, rapporterte studier at endringer oppstår før patologiske endringer og kan registreres ikke-invasivt ved bruk av en SQUID[36], og SQUIDs beskrives som måleinstrumenter for magnetfelt skapt av den elektriske aktiviteten i gastrointestinal glatt muskulatur, noe som demonstrerer muligheten for å fange opp svake bioelektromagnetiske signaturer relevante for vaskulære kompromitteringstilstander[36].
Syntese
På tvers av den gjennomgåtte litteraturen kobler flere tverrgående «felles aspekter» konsekvent kvantefysikk til flebologi gjennom delte målbare mengder, kontrollerbare parametere og instrumentfysikk.
Tabellen nedenfor oppsummerer tilbakevendende broer fra kvante-avledede fysiske prinsipper til konkrete venøse applikasjoner.
Samlet viser disse temaene at det delte «språket» mellom kvantefysikk og flebologi i stor grad er et språk av målbare kontraster og kontrollerbare parametere: absorpsjonsspektra og bølgelengde, koherens og interferens, polarisasjonstilstand, susceptibilitet og grenser for sensorfølsomhet[3, 5, 8, 10].
Begrensninger og konklusjon
Innenfor den her gjennomgåtte litteraturen er de dominerende skjæringspunktene anvendte og translasjonelle: lasere brukes til endovenøs ablasjon og sammenlignes på tvers av bølgelengder for effekt og sikkerhet, optisk spektroskopi og avbildning brukes til å utlede venøs oksygenering eller karakterisere tromber, og rekonstruksjon av MR-susceptibilitet brukes til å kvantifisere proksier for venøs oksygenering[3, 6, 11, 17]. De tetteste koblingene til mer «fundamental» molekylær fysikk er (i) hemoglobinets oksygeneringsavhengige magnetiske susceptibilitet (diamagnetisk oksyhemoglobin mot paramagnetisk deoksyhemoglobin) og (ii) susceptibilitetsbaserte QSM-metoder som utnytter disse forskjellene for å kvantifisere oksygeneringsendringer, sammen med påstander om at magnetfelt kan påvirke hemoglobins allosteriske transformasjoner gjennom interaksjoner med ladninger i bevegelse[7, 28].
Alt i alt forstås de felles aspektene ved kvantefysikk og flebologi dokumentert i dette materialet best som den kliniske anvendelsen av kvante-basert fotonikk og elektromagnetisk målevitenskap for å diagnostisere, avbilde og behandle venøs sykdom, der hemoglobin fungerer som et sentralt «bromolekyl» som samtidig er en terapeutisk absorber, en optisk rapportør og en kilde til magnetisk susceptibilitet[3, 12, 28].
