Введение
Квантовая физика и флебология (венозная медицина) наиболее очевидно пересекаются в технологиях, принципы работы которых основаны на квантовой оптике и электромагнитной теории, в частности, на лазерах и взаимодействии света с тканями для венозной абляции и визуализации[1–4]. Вторым важным связующим звеном является венозная визуализация и оксиметрия на основе магнитного резонанса, где фазовая информация MR интерпретируется как магнитная восприимчивость и используется для количественной оценки показателей оксигенации вен, связывая квантовую физику спина с венозной физиологией[5–7]. Третье связующее звено составляют развивающиеся «квантовые технологии» в области сенсорики и вычислений, включая биомагнетизм на основе SQUID и рабочие процессы квантово-вдохновленного/квантового машинного обучения, направленные на биомедицинские сигналы, имеющие отношение к кровотоку и состоянию сосудов[8, 9].
В данной литературе «общие аспекты» редко заключаются в том, что сами вены проявляют экзотические макроскопические квантовые явления; скорее, флебология заимствует методы измерения и лечения (лазеры, интерферометрическая визуализация, магнитометрия, реконструкция восприимчивости по MR), физические основы которых лежат в квантовой теории, фотонике и квантовом электромагнитном моделировании[5, 8, 10].
Терапевтические пересечения
Эндовенозные лазерные методы иллюстрируют наиболее прямое трансляционное пересечение: когерентное лазерное излучение доставляется внутрь вены, а клинической целью является окклюзия рефлюксирующих или несостоятельных вен посредством контролируемого фототермического повреждения, вызванного поглощением света и нагревом[1–4]. Механистические работы подчеркивают, что поглощенная энергия часто депонируется во внутрипросветной крови/коагуляте вокруг кончика волокна (а не только непосредственно в стенке вены), так что температуры коагуляции могут быть достигнуты независимо от того, является ли гемоглобин или вода номинальным целевым хромофором[12]. Это характеризует EVLA/EVLT/EVLP не просто как «маркировку длины волны», а как сопряженный процесс поглощения фотонов, теплогенерации и теплопередачи, зависящий от свойств рассеяния и поглощения на используемой длине волны[13].
В исследовании in vitro с использованием твердотельного лазера на 1.885 μm и мощностью ~3 W изучалось, как присутствие внутрипросветной суспензии эритроцитов по сравнению с физиологическим раствором и образование нагретого карбонизированного слоя на торце волокна влияют на эффективность абляции[1]. В этом исследовании наличие нагретого карбонизированного слоя повышало эффективность EVLA, подчеркивая термохимический путь, который может усилить депонирование энергии на наконечнике сверх простого оптического поглощения только в крови[1]. Связанные с этим механистические аргументы объясняют, почему селективность по длине волны может снижаться во время процедуры: коагулят может образовываться вокруг наконечника и частично превращаться в углерод при температурах свыше 1,000 °C, и поскольку углерод одинаково хорошо поглощает все длины волн лазеров EVLA, карбонизация может снизить зависимость от длины волны, как только в нагреве наконечника начнет преобладать поглощение углеродом[13].
Клинические сравнения дополнительно подкрепляют трансляционную цепочку «физика-флебология». В одной серии пациентов полная облитерация большой подкожной вены сохранялась на протяжении всего периода наблюдения, а EVLA на 1560 nm и 1940 nm была описана как высокоэффективная и безопасная для коррекции венозного рефлюкса в варикозных венах нижних конечностей[11]. Исследования оптических параметров подтверждают, почему выбор длины волны остается важным, даже если карбонизация может нивелировать селективность: сообщалось, что глубина проникновения в стенку вены составляет ~1.3 mm при 980 nm против ~0.22 mm при 1470 nm, что подразумевает совершенно разные профили пространственного депонирования энергии и потенциальные паттерны сопутствующего повреждения[14].
Выбор длины волны также явно рассматривается в рамках эволюции систем EVLP, где различные длины волн позиционируются как имеющие разные характеристики поглощения; например, 810 nm описывается как специфичная для поглощения гемоглобином, а крупное клиническое исследование было направлено на сравнение эффективности и безопасности EVLP на 1064 nm по сравнению с 810 nm при хронической венозной недостаточности (варикозном расширении вен)[2]. Отдельные оптические анализы приводят аргументы в пользу потенциально благоприятного выбора в среднем инфракрасном диапазоне, отмечая, что «лучшие на данный момент результаты» были получены с излучением 1.56-mm, и что на длинах волн 1.68 и 1.7 mm поглощение в неводных компонентах крови намного слабее, чем поглощение в воде, что мотивирует гипотезы о таргетировании преимущественно воды на этих более длинных волнах[15].
Отдельным нетермическим терапевтическим пересечением является фотохимическая венозная терапия посредством фотоколлагенового кросс-линкинга, где рибофлавин используется в качестве агента для сшивания, а синий свет выступает в роли активатора[16]. На венозных образцах этот подход привел к быстрому и значительному сокращению тканей без гистологических признаков повреждения эндотелия и с явными изменениями механических свойств варикозных вен, что предполагает контролируемый механизм ремоделирования, активируемый светом, а не чисто термическую абляцию[16].
Диагностические пересечения: оптические и фотонные
Оптическая диагностика во флебологии часто эксплуатирует тот факт, что гемоглобин обладает зависящими от длины волны свойствами поглощения, что позволяет неинвазивно исследовать оксигенацию вен, состав тромба или структуру сосудов, используя фотоны в качестве зондов[3, 4, 17]. Во всех методах общая физика заключается в том, что измеряемые сигналы (затухание, интерференционные полосы, фотоакустические переходные процессы давления, флуоресцентное излучение) в конечном итоге обусловлены поглощением и рассеянием фотонов в крови и компонентах сосудистой стенки[3, 10, 18].
Ближняя инфракрасная спектроскопия
Ближняя инфракрасная спектроскопия (NIR) описывается как неинвазивный метод, использующий дифференциальные свойства поглощения гемоглобина для оценки оксигенации скелетных мышц, а мониторинг выбранных длин волн может служить показателем дезоксигенации[3]. В одном исследовании напрямую измерялось насыщение венозной крови кислородом и поглощение на 760–800 nm во время упражнений для предплечья, чтобы проверить, коррелирует ли полоса оптического поглощения с венозной оксигенацией[3]. В другом методе использовалась NIRS с венозной окклюзией для неинвазивного измерения насыщения периферической венозной крови оксигемоглобином (SvO2) в предплечье взрослого человека[19], и была зафиксирована значимая корреляция между SvO2 предплечья, измеренным методом NIRS, и SvO2 поверхностной венозной крови, измеренным методом ко-оксиметрии (n=19, r=0.7, p<0.0001)[19].
Другие валидационные работы изучали взаимосвязь между сигналами NIRS и насыщением венозного гемоглобина кислородом (O2Hb%) и концентрацией венозного кислорода (CvO2)[20]. После нормализации к физиологическому диапазону были отмечены высокие линейные корреляции между сигналами дезоксигенированного и оксигенированного гема и венозным O2Hb% (R≈0.92), а также между сигналами гема и CvO2 (R≈0.89–0.90), что указывает на способность измерений NIRS на основе поглощения фотонов отслеживать показатели венозной оксигенации в контролируемых условиях[20]. В контексте центральных вен сообщалось, что NIRAS обеспечивает точное неинвазивное измерение церебрального венозного насыщения, при этом CSvO2, рассчитанное с помощью NIRAS, сравнивалось с прямой ко-оксиметрией крови из внутренней яремной вены[21].
Фотоплетизмография
Фотоплетизмография (PPG) опирается на источник инфракрасного света и рецептор для аппроксимации колебаний объема крови и оценивает изменения объема путем измерения количества света, поглощенного и отраженного обратно к рецептору[22]. В условиях оценки хронической венозной недостаточности значения венозной гемодинамики, полученные с помощью цифровой PPG, использовались наряду со стандартным обследованием для выяснения необходимости вмешательства (EVLA), а корреляции между допплеровским ультразвуковым исследованием и D-PPG изучались для оценки того, может ли D-PPG помочь в понимании патологии вен и оценке вариантов лечения[22]. Метод также рассматривается в историческом контексте как первоначально предложенный в 1930-х годах в качестве средства оценки сосудистой системы, что подчеркивает его роль как признанного оптического индикатора гемодинамики[22].
Оптическая когерентная томография
Оптическая когерентная томография (OCT) описывается как мощный метод визуализации, основанный на низкокогерентной интерферометрии, обеспечивающий получение изображений высокого разрешения с глубиной проникновения в ткани в несколько миллиметров и визуализацию стенок сосудов на уровне, близком к гистологическому[10, 23, 24]. Эндоваскулярная OCT была представлена как метод, предоставляющий «гистологически подобную информацию» о венозной стенке[4], а в одном из приложений эндоваскулярная OCT позиционируется как метод внутрисосудистой визуализации с самым высоким разрешением, использующий ближний инфракрасный свет с длиной волны около 1300 nm[25]. При оценке венозной терапии OCT использовалась для качественной оценки анатомии венозной стенки и изменений тканей после радиочастотной абляции и эндовенозной лазерной терапии на образцах вен крупного рогатого скота, включая отчеты о параметрах ELT диодного лазера на 980 nm с плотностью энергии 15, 25 и 35 J/cm[4].
OCT также находит применение в интракраниальной венозной системе: внедрение метода в области синусов твердой мозговой оболочки человека «могло бы помочь» в диагностике, лечении и понимании дуральных артериовенозных фистул, тромбоза церебральных венозных синусов и идиопатической внутричерепной гипертензии[25]. Это иллюстрирует, как интерферометрическая визуализация на основе фотонов может расширить сферу флебологии за пределы поверхностных вен ног на патологию венозных синусов, при условии катетерного доступа и учета ограничений оптического сигнала[25].
Поляризационно-чувствительная OCT
Поляризационно-чувствительная OCT (PS-OCT) расширяет возможности OCT путем измерения двулучепреломления тканей, обеспечивая контраст для коллагена и гладкомышечных клеток, которые присутствуют в более старых, хронических сгустках[26]. На крысиной модели DVT внутрисосудистая PS-OCT исследовалась для оценки морфологии и состава тромба in vivo по мере его старения[26]. Автоматизированный анализ поперечных изображений OCT позволил дифференцировать острые и хронические тромбы с чувствительностью 97.6% и специфичностью 98.6% с использованием линейной дискриминантной модели, объединяющей поляризационные и традиционные метрики OCT, что подтверждает статус PS-OCT как чувствительного подхода для оценки состава и дифференциации возраста тромбов при DVT[26].
Фотоакустическая визуализация и эластография
Фотоакустическая визуализация (PAI) описывается как метод, позволяющий дистанционно измерять оптическое поглощение тканей, а ее контраст генерируется посредством фото/опто/термоакустического эффекта, при котором поглощение короткого электромагнитного импульса вызывает термоупругую акустическую волну[17, 27]. На практике биологические ткани облучаются неионизирующими лазерными импульсами; поглощение повышает локальную температуру (на уровне нескольких милликельвинов), что приводит к термоупругому расширению и акустической эмиссии[18]. Эритроциты, содержащие гемоглобин и значительно поглощающие видимый свет, быстро повышают температуру и давление при поглощении световой энергии, являясь физиологически значимым эндогенным поглотителем для визуализации сгустков и кровеносных сосудов[28].
В концепциях стадирования DVT реорганизация тромба может приводить к снижению концентрации гемоглобина и, следовательно, к уменьшению оптического поглощения, что мотивирует использование изменений фотоакустического сигнала для неинвазивного определения стадии тромбоза[27]. В одном исследовании уточняется, что может использоваться импульсное лазерное излучение с длиной волны, настроенной на поглощение эритроцитами, и предполагается, что острые тромбы должны испускать более сильные фотоакустические сигналы, чем хронические DVT, из-за более сильного оптического поглощения[27]. Эмпирически сообщалось, что комбинированная ультразвуковая и фотоакустическая визуализация предоставляет информацию о структуре и возрасте тромбов при DVT, в то время как более широкие обзоры отмечают перспективность PAI благодаря ее пространственному разрешению и высокому оптическому контрасту[17, 29].
Помимо стадирования на основе поглощения, сосудистая эластическая фотоакустическая томография (VE-PAT) связывает обнаружение оптического поглощения с выводом о механических свойствах. PAT достигает высокого пространственного разрешения за пределами предела оптической диффузии путем ультразвукового детектирования оптического поглощения; метод выделяется сильным контрастом поглощения на основе гемоглобина в эритроцитах и способностью определять структурные, функциональные и механические свойства кровеносных сосудов у животных и человека[30]. Сообщалось, что VE-PAT способна измерять эластические свойства сосудов у людей[30], обнаруживать снижение податливости сосудов вследствие имитации тромбоза в фантомах крупных сосудов (подтверждено стандартным компрессионным тестом)[30], а также фиксировать снижение податливости сосудов у человека при возникновении окклюзии ниже по току, демонстрируя потенциал для обнаружения тромбоза глубоких вен[30].
Флуоресценция в ближнем инфракрасном диапазоне и гиперспектральная визуализация
Флуоресцентная визуализация тромбов в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRF) использует таргетные флуорофоры для преобразования событий молекулярного связывания в детектируемое излучение фотонов NIR; например, фибрин-таргетный пептид был конъюгирован с ближним инфракрасным флуорофором Cy7 (FTP11-Cy7) для разработки и валидации визуализирующего агента, обеспечивающего NIRF-визуализацию тромбоза глубоких вен с высоким разрешением[31]. В доклинических рабочих процессах неинвазивная интегрированная флуоресцентная молекулярная томография с CT (FMT-CT) проводилась на мышах с подострым DVT яремной вены, иллюстрируя комбинированный оптико-радиологический подход к локализации и количественной оценке тромба[31]. В смежных работах подчеркивается, что флуоресцентная визуализация во втором окне прозрачности ближнего инфракрасного диапазона (NIR-II, 1,000–1,700 nm) благоприятна из-за меньшей сложности оборудования и простоты эксплуатации, и что был разработан тераностический носитель лекарств для мониторинга процесса таргетного тромболизиса DVT в реальном времени[32].
В области визуализации поверхностей гиперспектральная визуализация в видимом и NIR диапазонах позволяет оконтуривать варикозные вены, используя зависящие от длины волны характеристики диффузного отражения. В одном системном исследовании добровольцы освещались полихроматическим светом в диапазоне 400–950 nm[33], и спектры диффузного отражения имели пик на 530 nm для варикозных вен против 780 nm для обычных вен ног[33]. Гиперспектральные изображения на выбранных длинах волн нормализовались и фильтровались перед оконтуриванием с использованием количественного фазового анализа и кластеризации k-средних, связывая оптические спектры с вычислительной сегментацией для бесконтактного картирования вен[33].
Диагностические пересечения: магнитный резонанс
Количественное картирование магнитной восприимчивости (QSM) обеспечивает магнитно-резонансное связующее звено между квантовой физикой спина и венозной физиологией, используя эволюцию фазы МР для определения локальной магнитной восприимчивости. QSM «изучает данные фазы градиентного эха» для определения локальной магнитной восприимчивости тканей[5], а измерение различий восприимчивости с помощью QSM, как сообщается, позволяет количественно определять значения SvO2 на основе взаимосвязи между разницей восприимчивости и SvO2[6]. Чувствительность к оксигенации подтверждается сообщениями о том, что QSM может количественно определять изменения насыщения дезоксигемоглобином, вызванные гипероксической газовой пробой как на моделях животных, так и на людях[7], а также зафиксированным отличным соответствием между ShvO2, измеренным на газоанализаторе крови, и ShvO2, рассчитанным по измерениям QSM[7].
Венозная специфичность показателей на основе восприимчивости основана на контрасте магнитных свойств между состояниями оксигенации: оксигемоглобин описывается как диамагнитный (отрицательная восприимчивость), тогда как дезоксигемоглобин — как парамагнитный (положительная восприимчивость)[28]. В представленных отрывках литературы по QSM этот метод также позиционируется как неинвазивный способ, который может обеспечить косвенное измерение церебрального венозного насыщения кислородом (CSvO2), подтверждая его потенциал для задач венозной оксиметрии в случаях, когда прямой отбор проб нецелесообразен[5].
Квантовые биофизические механизмы
На молекулярном уровне состояние оксигенации гемоглобина связано с магнитными свойствами, которые имеют прямое отношение как к взаимодействию с магнитным полем, так и к MR-визуализации восприимчивости. Оксигемоглобин описывается как диамагнитный, а дезоксигемоглобин — как парамагнитный, что подразумевает зависимые от оксигенации восприимчивость и взаимодействия магнитных сил на молекулярно-электронном уровне[28]. Гемоглобин также описывается как аллостерический белок, претерпевающий конформационные изменения при переходах из напряженного (дезоксигенированного) в расслабленное (оксигенированное) состояние и наоборот, что подчеркивает связь связывания кислорода со структурным состоянием белка[28].
Предлагаемый механистический мост между электромагнитными полями и физиологией крови заключается в том, что магнитные поля воздействуют на движущиеся заряды и, следовательно, на аллостерическую трансформацию гемоглобина, которая описывается как процесс, включающий сдвиги популяций, а не однонаправленное превращение одной четвертичной структуры в другую[28]. В контексте венозной медицины этот ряд утверждений связывает квантовые концепции магнетизма (восприимчивость, взаимодействие поля и заряда) с функцией гемоглобина, которая лежит в основе содержания венозного кислорода и динамики его отдачи, которые пытаются измерить оптические (NIRS, PAI) и MR (QSM) методы[3, 6, 28].
Новые и концептуальные пересечения
Несколько направлений работы выходят за рамки существующих клинических флебологических устройств, но по-прежнему формулируют принципы, производные от квантовой физики, применительно к сосудистым или венозным сигналам. В EVLA вычислительное моделирование явно мотивировано представлением лазерного волокна как точечного источника в цилиндрической венозной трубке и моделированием радиального перераспределения света через процесс диффузии, определяемый рассеянием и поглощением в крови на рассматриваемой длине волны, что иллюстрирует физико-ориентированный подход к оптимизации параметров венозной абляции[13].
Биоэлектронные устройства, брендированные как «Квантовый молекулярный резонанс» (QMR), также обсуждаются как потенциальные инструменты во флебологии: «электрический скальпель нового типа» описывается как пригодный для лечения кожных капилляров и варикозных расширений, с регулируемой мощностью и точным временем воздействия, предназначенными для уменьшения термического повреждения[34]. В том же контексте склеротерапия описывается как основной метод лечения варикозного расширения вен, сосудистых звездочек и телеангиэктазий, что позиционирует QMR как вспомогательное средство в более широкой терапевтической экосистеме управления поверхностными венозными заболеваниями[34].
Что касается вычислительной стороны, сообщалось о гибридном квантово-классическом подходе машинного обучения для визуализации кровотока на основе лазерного спекл-контраста (LSCI): вместо использования стандартного слоя глобального 3D-пулинга для сжатия карт признаков, модель заменяет его вариационной квантовой схемой; утверждается, что схема сохраняет пространственные и временные отношения в данных для поддержания точности прогнозирования[9]. Хотя в отрывке это не относится конкретно к заболеваниям вен, пересечение заключается в том, что конвейеры визуализации кровотока, имеющие значение для оценки состояния сосудов, могут быть модифицированы с помощью явно квантовых компонентов схем, связывая квантовую обработку информации с анализом гемодинамических сигналов[9].
Отдельная концепция моделирования предлагает методику, «полностью основанную на квантовой механике и классической электродинамике», для решения проблемы аномального роста сосудов во время ангиогенеза, и заявляет об использовании квантово-механических расчетов для более точного прогнозирования локализации и сдерживания аномального роста сосудов[35]. Хотя это ближе к сосудистой биологии и ангиогенезу, чем к классическому лечению варикозного расширения вен, это все же представляет собой прямую попытку использовать квантовое/электродинамическое моделирование в качестве руководства для вмешательств при патологическом образовании сосудов[35].
Наконец, квантовая сенсорика связывается с венозными состояниями через биомагнетизм. SQUIDs описываются как устройства, основанные на квантовании магнитного потока и эффекте Джозефсона[8], а родственные квантовые сенсоры обнаруживают прецессию атомных спинов в магнитном поле с чувствительностью, близкой к фемтотеслам[8]. В приложении, непосредственно касающемся венозной ишемии, исследования показали, что изменения происходят до патологических изменений и могут быть зафиксированы неинвазивно с помощью SQUID[36]; также SQUIDs описываются как приборы для измерения магнитных полей, создаваемых электрической активностью гладких мышц желудочно-кишечного тракта, демонстрируя возможность фиксации слабых биоэлектромагнитных сигнатур, имеющих значение для состояний сосудистой недостаточности[36].
Синтез
Во всей изученной литературе прослеживается несколько сквозных «общих аспектов», которые последовательно связывают квантовую физику с флебологией через общие измеряемые величины, контролируемые параметры и физику приборов.
Ниже в таблице обобщены повторяющиеся мосты от квантовых физических принципов к конкретным венозным приложениям.
В совокупности эти темы показывают, что общий «язык» между квантовой физикой и флебологией — это в значительной степени язык измеряемых контрастов и контролируемых параметров: спектров поглощения и длины волны, когерентности и интерференции, состояния поляризации, восприимчивости и пределов чувствительности сенсоров[3, 5, 8, 10].
Ограничения и заключение
В рамках рассмотренной здесь литературы доминирующие пересечения носят прикладной и трансляционный характер: лазеры применяются для эндовенозной абляции и сравниваются по длине волны для оценки эффективности и безопасности, оптическая спектроскопия и визуализация используются для вывода об оксигенации вен или характеристики тромбов, а реконструкция магнитной восприимчивости MR используется для количественной оценки показателей оксигенации вен[3, 6, 11, 17]. Наиболее тесные связи с более «фундаментальной» молекулярной физикой — это (i) зависимая от оксигенации магнитная восприимчивость гемоглобина (диамагнитный оксигемоглобин против парамагнитного дезоксигемоглобина) и (ii) методы QSM на основе восприимчивости, которые эксплуатируют эти различия для количественной оценки изменений оксигенации, наряду с утверждениями о том, что магнитные поля могут влиять на аллостерические трансформации гемоглобина через взаимодействие с движущимися зарядами[7, 28].
В целом, общие аспекты квантовой физики и флебологии, задокументированные в данном корпусе работ, лучше всего понимать как клиническое использование квантовой фотоники и науки об электромагнитных измерениях для диагностики, визуализации и лечения заболеваний вен, где гемоглобин служит центральной «молекулой-мостом», являясь одновременно терапевтическим поглотителем, оптическим репортером и источником магнитной восприимчивости[3, 12, 28].
