Introducere
Fizica cuantică și flebologia (medicina venoasă) se intersectează cel mai vizibil prin tehnologii ale căror principii de funcționare sunt înrădăcinate în optica derivată din cuantică și teoria electromagnetică, în special laserii și interacțiunea lumină–țesut pentru ablația venoasă și imagistică[1–4]. O a doua punte majoră este imagistica venoasă și oximetria bazate pe rezonanță magnetică, unde informația de fază MR este interpretată ca susceptibilitate magnetică și utilizată pentru a cuantifica indicatorii proxy ai oxigenării venoase, legând fizica spinului cuantic de fiziologia venoasă[5–7]. O a treia punte constă în „tehnologiile cuantice” emergente în senzori și computație, inclusiv biomagnetismul bazat pe SQUID și fluxurile de lucru de quantum-inspired/quantum machine learning care vizează semnalele biomedicale relevante pentru fluxul sanguin și stările vasculare[8, 9].
În întreaga literatură de specialitate, „aspectele comune” rareori sugerează că venele în sine prezintă fenomene cuantice macroscopice exotice; mai degrabă, flebologia adoptă modalități de măsurare și tratament (laseri, imagistică interferometrică, magnetometrie, reconstrucția susceptibilității MR) ale căror fundamente fizice rezidă în teoria cuantică, fotonică și modelarea electromagnetică informată de cuantă[5, 8, 10].
Intersecții terapeutice
Abordările laser endovenoase ilustrează cea mai directă intersecție translațională: radiația laser coerentă este livrată în interiorul unei vene, iar scopul clinic este ocluzia venelor care prezintă reflux sau sunt incompetente prin daune fototermice controlate produse de absorbția luminii și încălzire[1–4]. Lucrările mecaniciste subliniază că energia absorbită este adesea depozitată în sângele/coagulul intraluminal din jurul vârfului fibrei (nu doar direct în peretele venei), astfel încât temperaturile de coagulare pot fi atinse indiferent dacă hemoglobin sau apa este cromoforul țintă nominal[12]. Aceasta încadrează EVLA/EVLT/EVLP nu doar ca o „etichetă de lungime de undă”, ci ca un proces cuplat de absorbție a fotonilor, generare de căldură și transfer de căldură dependent de proprietățile de împrăștiere și absorbție la lungimea de undă utilizată[13].
Lucrările in vitro care utilizează un laser solid-state la 1.885 μm și ~3 W au examinat modul în care prezența suspensiei de celule roșii din sânge intraluminale față de soluția salină, și formarea unui strat carbonizat încălzit pe fața terminală a fibrei, afectează eficiența ablației[1]. În acel studiu, prezența stratului carbonizat încălzit a crescut eficiența EVLA, evidențiind o cale termochimică ce poate amplifica depunerea de energie la vârf dincolo de simpla absorbție optică doar în sânge[1]. Argumentele mecaniciste conexe explică de ce selectivitatea lungimii de undă se poate diminua în timpul procedurii: coagulul se poate forma în jurul vârfului și poate fi transformat parțial în carbon la temperaturi care depășesc 1,000 °C, și deoarece carbonul absoarbe toate lungimile de undă laser EVLA la fel de bine, carbonizarea poate reduce dependența de lungimea de undă odată ce încălzirea vârfului este dominată de absorbția carbonului[13].
Comparațiile clinice consolidează și mai mult fluxul translațional de la fizică la flebologie. Într-o serie de pacienți, obliterarea totală a great saphenous vein a persistat pe parcursul monitorizării, iar EVLA la 1560 nm și 1940 nm a fost descrisă ca fiind extrem de eficientă și sigură pentru corectarea refluxului venos în venele varicoase ale membrelor inferioare[11]. Studiile parametrilor optici susțin de ce alegerea lungimii de undă rămâne importantă chiar dacă carbonizarea poate atenua selectivitatea: adâncimile de penetrare în peretele venei au fost raportate ca fiind de ~1.3 mm la 980 nm față de ~0.22 mm la 1470 nm, implicând profiluri de depunere a energiei spațiale foarte diferite și modele potențiale de leziuni colaterale[14].
Selecția lungimii de undă este, de asemenea, tratată explicit în cadrul evoluției sistemului EVLP, unde mai multe lungimi de undă sunt poziționate ca având caracteristici de absorbție diferite; de exemplu, 810 nm este descris ca fiind specific pentru absorbția hemoglobin, iar un studiu clinic amplu și-a propus să compare eficacitatea și siguranța EVLP la 1064 nm față de 810 nm pentru insuficiența venoasă cronică (vene varicoase)[2]. Analize optice separate pledează pentru alegeri potențial favorabile în infraroșul mediu, menționând că „cele mai bune rezultate de până acum” au fost obținute cu radiații de 1.56-mm și că la lungimi de undă de 1.68 și 1.7 mm absorbția în componentele sanguine neapoase este mult mai slabă decât absorbția în apă, motivând ipotezele de țintire dominantă a apei la aceste lungimi de undă mai mari[15].
O intersecție terapeutică non-termică distinctă este terapia venoasă fotochimică prin foto-cross-linking de colagen, unde riboflavin este utilizat ca agent de cross-linking și lumina albastră acționează ca activator[16]. Pe specimene venoase, această abordare a produs o contracție rapidă și semnificativă fără dovezi histologice de deteriorare endotelială și cu modificări evidente ale proprietăților mecanice ale venelor varicoase, sugerând un mecanism de remodelare activat de lumină controlabil mai degrabă decât o ablație pur termică[16].
Intersecții de diagnostic optice și fotonice
Diagnosticul optic în flebologie exploatează frecvent faptul că hemoglobin are proprietăți de absorbție dependente de lungimea de undă, permițând interogarea noninvazivă a oxigenării venoase, a compoziției trombusului sau a structurii vasculare utilizând fotonii ca sonde[3, 4, 17]. În toate metodele, fizica comună este aceea că semnalele măsurate (atenuare, franje de interferență, tranzienți de presiune fotoacustică, emisie de fluorescență) sunt conduse în ultimă instanță de absorbția și împrăștierea fotonilor în sânge și în constituenții peretelui vascular[3, 10, 18].
Spectroscopia în infraroșu apropiat
Spectroscopia în infraroșu apropiat (NIR) este descrisă ca o tehnică noninvazivă care utilizează proprietățile de absorbție diferențială ale hemoglobin pentru a evalua oxigenarea mușchilor scheletici, iar monitorizarea lungimilor de undă selectate poate oferi un indice de deoxigenare[3]. Un studiu a măsurat explicit saturația venoasă de oxigen și absorbția la 760–800 nm în timpul exercițiilor pentru antebraț pentru a testa dacă banda de absorbție optică corelează cu oxigenarea venoasă[3]. O metodă separată a utilizat NIRS cu ocluzie venoasă pentru a măsura saturația periferică venoasă de oxyhemoglobin (SvO2) în mod noninvaziv la antebrațul adult[19] și a raportat o corelație semnificativă între SvO2 antebrațului măsurată prin NIRS și SvO2 din sângele venos superficial măsurată prin co-oximetrie (n=19, r=0.7, p<0.0001)[19].
Alte lucrări de validare au examinat relațiile dintre semnalele NIRS și saturația venoasă de oxigen a hemoglobin (O2Hb%) și concentrația venoasă de oxigen (CvO2)[20]. După normalizarea la intervalul fiziologic, au fost raportate corelații liniare ridicate între semnalele hem deoxigenate și oxigenate și O2Hb% venos (R≈0.92) și între semnalele hem și CvO2 (R≈0.89–0.90), indicând faptul că măsurătorile NIRS bazate pe absorbția fotonilor pot urmări metricile de oxigenare venoasă în setări controlate[20]. În contexte venoase centrale, s-a raportat că NIRAS oferă o măsurătoare noninvazivă precisă a saturației venoase cerebrale, cu CSvO2 calculat prin NIRAS și comparat cu co-oximetria directă a sângelui din internal jugular vein[21].
Fotopletismografia
Fotopletismografia (PPG) se bazează pe o sursă de lumină infraroșie și un receptor pentru a aproxima fluctuațiile volumului sanguin și estimează modificările de volum prin măsurarea cantității de lumină absorbită și reflectată înapoi la receptor[22]. Într-un cadru de evaluare a insuficienței venoase cronice, valorile hemodinamice venoase furnizate de PPG digital au fost utilizate alături de evaluarea standard pentru a investiga dacă era necesară intervenția (EVLA), și au fost examinate corelațiile între ecografia Doppler și D-PPG pentru a evalua dacă D-PPG ar putea ajuta la înțelegerea patologiei venoase și la evaluarea opțiunilor de tratament[22]. Metoda este, de asemenea, contextualizată istoric ca fiind introdusă inițial în anii 1930 ca mijloc de evaluare a sistemului vascular, subliniind rolul său de indicator proxy optic stabilit pentru hemodinamică[22].
Tomografia în coerență optică
Tomografia în coerență optică (OCT) este descrisă ca o modalitate de imagistică puternică bazată pe interferometria cu coerență scăzută, permițând imagistica de înaltă rezoluție cu adâncimi de penetrare în țesut de câțiva milimetri și vizualizarea cvasi-histologică a pereților vasculari[10, 23, 24]. OCT endovascular a fost prezentat ca oferind „informații de tip histologic” ale peretelui venos[4], iar o aplicație încadrează OCT endovascular ca fiind tehnica de imagistică intravasculară cu cea mai mare rezoluție disponibilă, utilizând lumina în infraroșu apropiat la aproximativ 1300 nm[25]. În evaluarea terapiei venoase, OCT a fost evaluat pentru evaluarea calitativă a anatomiei peretelui venos și a alterărilor tisulare după ablația prin radiofrecvență și terapia laser endovenoasă pe specimene venoase bovine, inclusiv raportarea parametrilor ELT ai unui laser diodă la 980 nm cu densități de energie de 15, 25 și 35 J/cm[4].
OCT este, de asemenea, poziționat pentru aplicații venoase intracraniene: adoptarea în cerebral venous sinus uman „ar putea ajuta” diagnosticul, tratamentul și înțelegerea fistulelor arteriovenoase durale, a trombozei de cerebral venous sinus și a hipertensiunii intracraniene idiopatice[25]. Acest lucru exemplifică modul în care imagistica interferometrică bazată pe fotoni poate extinde flebologia dincolo de venele superficiale ale picioarelor în patologia sinusurilor venoase, în funcție de accesul bazat pe cateter și de constrângerile semnalului optic[25].
OCT sensibil la polarizare
OCT sensibil la polarizare (PS-OCT) extinde OCT prin măsurarea birefrigenței țesutului, oferind contrast pentru colagen și celulele musculare netede care sunt prezente în cheagurile vechi, cronice[26]. Într-un model de șobolan pentru DVT, PS-OCT intravascular a fost investigat pentru a evalua morfologia și compoziția trombusului in vivo pe parcursul îmbătrânirii trombusului[26]. Analiza automatizată a imaginilor secționale OCT a diferențiat trombii acuți de cei cronici cu o sensibilitate de 97.6% și o specificitate de 98.6% utilizând un model discriminant liniar care combină metricile de polarizare și OCT convenționale, susținând PS-OCT ca o abordare sensibilă pentru evaluarea compoziției DVT și diferențierea vârstei trombusului[26].
Imagistica fotoacustică și elastografia
Imagistica fotoacustică (PAI) este descrisă ca permițând măsurători la distanță ale absorbției optice a țesutului, iar contrastul său este generat prin efectul foto/opto/termoacustic în care absorbția unui impuls electromagnetic scurt produce o undă acustică termoelastică[17, 27]. În practică, țesuturile biologice sunt iradiate cu impulsuri laser neionizante; absorbția crește temperatura locală (de ordinul câtorva milikelvini), ducând la expansiune termoelastică și emisie acustică[18]. Celulele roșii din sânge, care conțin hemoglobin și absorb lumina vizibilă semnificativ, cresc rapid în temperatură și presiune la absorbția energiei luminoase, oferind un absorbant endogen semnificativ din punct de vedere fiziologic pentru imagistica cheagurilor și a vaselor de sânge[28].
În conceptele de stadializare a DVT, reorganizarea cheagului poate scădea concentrația de hemoglobin și, prin urmare, poate reduce absorbția optică, motivând utilizarea modificărilor semnalului fotoacustic pentru a stadializa trombii în mod noninvaziv[27]. Un studiu specifică în continuare că poate fi utilizată radiația laser pulsată cu lungimea de undă reglată la absorbția RBC și propune că cheagurile de sânge acute ar trebui să emită semnale fotoacustice mai puternice decât DVT cronică din cauza absorbției optice mai puternice[27]. Empiric, s-a raportat că imagistica combinată cu ultrasunete și fotoacustică oferă informații despre structura și vârsta trombilor DVT, în timp ce recenziile mai ample notează promisiunea PAI datorită rezoluției sale spațiale și contrastului optic ridicat[17, 29].
Dincolo de stadializarea bazată pe absorbție, tomografia fotoacustică elastică vasculară (VE-PAT) conectează detectarea absorbției optice cu deducerea proprietăților mecanice. PAT atinge o rezoluție spațială ridicată dincolo de limita de difuzie optică prin detectarea ultrasonică a absorbției optice și este evidențiată ca având un contrast puternic de absorbție bazat pe hemoglobin în RBC și ca fiind capabilă să ofere proprietăți structurale, funcționale și mecanice ale vaselor de sânge la animale și oameni[30]. S-a raportat că VE-PAT este capabilă să măsoare proprietățile elastice vasculare la oameni[30], detectând scăderea complianței vasculare din cauza trombozei simulate în fantome de vase mari (validate prin teste de compresie standard)[30] și detectând o scădere a complianței vasculare la un subiect uman atunci când a avut loc o ocluzie în aval, demonstrând potențialul pentru detectarea trombozei venoase profunde[30].
Fluorescența în infraroșu apropiat și imagistica hiperspectrală
Imagistica trombusului prin fluorescență în infraroșu apropiat (NIRF) utilizează fluorofori țintiți pentru a converti evenimentele de legare moleculară în emisie de fotoni NIR detectabilă; de exemplu, o peptidă țintită pe fibrină a fost conjugată cu fluoroforul în infraroșu apropiat Cy7 (FTP11-Cy7) pentru a dezvolta și valida un agent de imagistică care permite imagistica NIRF de înaltă rezoluție a trombozei venoase profunde[31]. În fluxurile de lucru preclinice, tomografia moleculară de fluorescență integrată noninvazivă cu CT (FMT-CT) a fost efectuată pe șoareci cu DVT subacută de jugular vein, ilustrând o abordare combinată optico–radiologică pentru localizarea și cuantificarea trombusului[31]. Lucrările conexe subliniază că imagistica prin fluorescență în a doua fereastră de infraroșu apropiat (NIR-II, 1,000–1,700 nm) este favorabilă datorită complexității reduse a echipamentului și operării mai ușoare, și că a fost dezvoltat un purtător de medicament teranostic pentru a permite monitorizarea în timp real a procesului trombolitic țintit al DVT[32].
La capătul spectrului imagisticii de suprafață, imagistica hiperspectrală vizibil–NIR delimitează venele varicoase exploatând semnăturile de reflexie difuză dependente de lungimea de undă. Într-un studiu de sistem, voluntarii au fost iluminați cu lumină policromatică cuprinsă între 400–950 nm[33], iar spectrele de reflexie difuză au atins vârful la 530 nm pentru venele varicoase față de 780 nm pentru venele picioarelor[33]. Imaginile hiperspectrale la lungimi de undă selectate au fost normalizate și filtrate înainte de delimitare folosind analiza de fază cantitativă și gruparea k-means, legând spectrele optice de segmentarea computațională pentru cartografierea venelor fără contact[33].
Intersecții de diagnostic prin rezonanță magnetică
Cartografierea cantitativă a susceptibilității (QSM) oferă o punte de rezonanță magnetică între fizica spinului cuantic și fiziologia venoasă prin utilizarea evoluției fazei MR pentru a deduce susceptibilitatea magnetică locală. QSM „examinează datele de fază gradient-echo” pentru a determina susceptibilitatea magnetică locală a țesutului[5], iar măsurarea diferențelor de susceptibilitate prin QSM este raportată ca făcând posibilă cuantificarea valorilor SvO2 pe baza relației dintre diferența de susceptibilitate și SvO2[6]. Sensibilitatea la oxigenare este susținută de rapoarte conform cărora QSM poate cuantifica modificările saturației de deoxyhemoglobin induse de provocarea cu gaz hiperoxic atât în modele animale, cât și la oameni[7], și de acordul excelent raportat între ShvO2 măsurată pe un analizor de gaze sanguine și ShvO2 calculată din măsurătorile QSM[7].
Specificitatea venoasă a metricilor bazate pe susceptibilitate este fundamentată în contrastul proprietăților magnetice între stările de oxigenare: oxyhemoglobin este descrisă ca fiind diamagnetică (susceptibilitate negativă), în timp ce deoxyhemoglobin este paramagnetică (susceptibilitate pozitivă)[28]. În fragmentele de literatură QSM furnizate, QSM este, de asemenea, încadrată ca o metodă noninvazivă care poate oferi o măsură indirectă a saturației venoase cerebrale de oxigen (CSvO2), consolidându-i potențialul pentru aplicații de oximetrie venoasă unde eșantionarea directă este impracticabilă[5].
Mecanisme biofizice cuantice
La nivel molecular, starea de oxigenare a hemoglobin este legată de proprietăți magnetice care sunt direct relevante atât pentru interacțiunile cu câmpul magnetic, cât și pentru imagistica susceptibilității MR. Oxyhemoglobin este descrisă ca fiind diamagnetică, în timp ce deoxyhemoglobin este paramagnetică, implicând susceptibilitate dependentă de oxigenare și interacțiuni de forță magnetică la nivel molecular/electronic[28]. Hemoglobin este, de asemenea, descrisă ca o proteină alosterică ce suferă modificări conformaționale în timpul tranzițiilor de la starea tensionată (deoxigenată) la cea relaxată (oxigenată) și invers, subliniind că legarea oxigenului este cuplată cu starea structurală a proteinei[28].
O punte mecanicistă propusă între câmpurile electromagnetice și fiziologia sângelui este aceea că câmpurile magnetice afectează sarcinile în mișcare și, astfel, transformarea alosterică a hemoglobin, care este descrisă ca implicând schimbări de populații mai degrabă decât o conversie unidirecțională a unei structuri cuaternare în alta[28]. În contextul medicinei venoase, acest ansamblu de afirmații conectează conceptele de magnetism informate de cuantă (susceptibilitate, interacțiuni câmp–sarcină) de funcția hemoglobin, care stă la baza conținutului de oxigen venos și a dinamicii descărcării oxigenului pe care metodele optice (NIRS, PAI) și MR (QSM) încearcă să le măsoare[3, 6, 28].
Intersecții emergente și conceptuale
Mai multe linii de lucru se extind dincolo de dispozitivele de flebologie clinică stabilite, dar articulează în continuare principii derivate din fizica cuantică aplicate semnalelor vasculare sau venoase. În EVLA, modelarea computațională este motivată explicit prin reprezentarea fibrei laser ca o sursă punctuală într-un tub venos cilindric și modelarea redistribuirii radiale a luminii printr-un proces de difuzie guvernat de împrăștierea și absorbția sângelui la lungimea de undă considerată, ilustrând o abordare orientată spre fizică pentru optimizarea parametrilor în ablația venoasă[13].
Dispozitivele bioelectronice sub marca „Quantum Molecular Resonance” (QMR) sunt, de asemenea, discutate ca instrumente potențiale în flebologie: un „nou tip de bisturiu electric” este descris ca fiind utilizabil pentru a trata capilarele dermice și varicozitățile, cu putere reglabilă și sincronizare precisă menită să reducă daunele termice[34]. În același cadru, scleroterapia este descrisă ca tratamentul principal pentru venele varicoase, venele spider și telangiectazii, poziționând QMR ca un adjuvant în ecosistemul terapeutic mai larg al managementului bolilor venoase superficiale[34].
Pe partea computațională, a fost raportată o abordare hibridă de quantum–classical machine learning pentru imagistica de contrast prin laser speckle (LSCI) a fluxului sanguin: în loc să utilizeze un strat de global pooling 3D standard pentru a comprima hărțile de caracteristici, modelul îl înlocuiește cu un circuit cuantic variațional, iar circuitul este pretins că păstrează relațiile spațiale și temporale din date pentru a menține acuratețea predictivă[9]. Deși nu este specifică bolilor venoase în fragment, intersecția constă în faptul că fluxurile de lucru ale imagisticii fluxului sanguin relevante pentru evaluarea vasculară pot fi modificate prin componente de circuite explicit cuantice, legând procesarea informației cuantice de analiza semnalului hemodinamic[9].
Un concept separat de modelare propune o tehnică „bazată în întregime pe Mecanica Cuantică și Electrodinamica Clasică” pentru a aborda creșterea anormală a vaselor în timpul angiogenezei și pretinde că utilizează calcule de mecanică cuantică pentru a prezice mai precis locația și a reține creșterea anormală a vaselor[35]. Deși acest lucru se situează mai aproape de biologia vasculară și angiogeneză decât de managementul clasic al venelor varicoase, reprezintă totuși o încercare directă de a utiliza modelarea cuantică/electrodinamică ca ghid pentru intervențiile în formarea patologică a vaselor[35].
În cele din urmă, detectarea cuantică se conectează la stările venoase prin biomagnetism. SQUID-urile sunt descrise ca fiind bazate pe cuantificarea fluxului magnetic și efectul Josephson[8], iar senzorii cuantici înrudiți detectează precesia spinurilor atomice într-un câmp magnetic cu sensibilități apropiate de femtotesla per [8]. Într-o aplicație care implică explicit ischemia venoasă, studiile au raportat că modificările apar înaintea modificărilor patologice și pot fi înregistrate noninvaziv folosind un SQUID[36], iar SQUID-urile sunt descrise ca măsurând câmpurile magnetice create de activitatea electrică a mușchiului neted gastrointestinal, demonstrând fezabilitatea captării semnăturilor bioelectromagnetice slabe relevante pentru stările de compromis vascular[36].
Sinteză
În întreaga literatură eșantionată, mai multe „aspecte comune” transversale leagă în mod constant fizica cuantică de flebologie prin cantități măsurabile partajate, parametri controlabili și fizica instrumentelor.
Tabelul de mai jos rezumă punțile recurente de la principiile fizice derivate din cuantică la aplicații venoase concrete.
Luate împreună, aceste teme arată că „limbajul” comun între fizica cuantică și flebologie este în mare măsură un limbaj al contrastelor măsurabile și al parametrilor controlabili: spectre de absorbție și lungime de undă, coerență și interferență, starea de polarizare, susceptibilitate și limitele de sensibilitate ale senzorilor[3, 5, 8, 10].
Limitări și concluzie
În literatura eșantionată aici, intersecțiile dominante sunt aplicate și translaționale: laserii sunt utilizați pentru ablația endovenoasă și comparați pe diferite lungimi de undă pentru eficacitate și siguranță, spectroscopia optică și imagistica sunt utilizate pentru a deduce oxigenarea venoasă sau pentru a caracteriza trombii, iar reconstrucția susceptibilității MR este utilizată pentru a cuantifica indicatorii proxy ai oxigenării venoase[3, 6, 11, 17]. Cele mai strânse legături cu fizica moleculară mai „fundamentală” sunt (i) susceptibilitatea magnetică dependentă de oxigenare a hemoglobin (oxyhemoglobin diamagnetică vs deoxyhemoglobin paramagnetică) și (ii) metodele QSM bazate pe susceptibilitate care exploatează aceste diferențe pentru a cuantifica modificările de oxigenare, împreună cu afirmațiile că câmpurile magnetice pot afecta transformările alosterice ale hemoglobin prin interacțiuni cu sarcinile în mișcare[7, 28].
În ansamblu, aspectele comune ale fizicii cuantice și flebologiei documentate în acest corpus sunt cel mai bine înțelese ca fiind utilizarea clinică a fotonicii bazate pe cuantică și a științei măsurătorilor electromagnetice pentru a diagnostica, vizualiza și trata bolile venoase, hemoglobin servind ca o „moleculă punte” centrală care este simultan un absorbant terapeutic, un raportor optic și o sursă de susceptibilitate magnetică[3, 12, 28].
