แง่มุมร่วมระหว่างฟิสิกส์ควอนตัมและวิทยาระบบหลอดเลือดดำ: การทบทวนวรรณกรรม

บทนำ

ฟิสิกส์ควอนตัมและวิทยาหลอดเลือดดำ (phlebology) มีจุดบรรจบกันที่ชัดเจนที่สุดผ่านเทคโนโลยีที่มีหลักการทำงานหยั่งรากอยู่ในทัศนศาสตร์เชิงควอนตัมและทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องของเลเซอร์และปฏิกิริยาระหว่างแสงกับเนื้อเยื่อสำหรับการจี้สลายหลอดเลือดดำและการสร้างภาพ [1–4] สะพานเชื่อมที่สำคัญประการที่สองคือการสร้างภาพหลอดเลือดดำและการวัดค่าออกซิเจนด้วยหลักการเรโซแนนซ์แม่เหล็ก (MR) ซึ่งข้อมูลเฟสของ MR จะถูกตีความว่าเป็นสภาพรับแม่เหล็ก (magnetic susceptibility) และใช้เพื่อวัดปริมาณค่าออกซิเจนในหลอดเลือดดำ เชื่อมโยงฟิสิกส์สปินควอนตัมเข้ากับสรีรวิทยาของหลอดเลือดดำ [5–7] สะพานเชื่อมประการที่สามประกอบด้วย "เทคโนโลยีควอนตัม" ที่กำลังเกิดขึ้นใหม่ในด้านการตรวจวัดและการคำนวณ รวมถึงการตรวจวัดสนามแม่เหล็กชีวภาพด้วย SQUID และกระบวนการเรียนรู้ของเครื่องที่ได้รับแรงบันดาลใจจากควอนตัม/ควอนตัม ซึ่งมุ่งเป้าไปที่สัญญาณทางชีวการแพทย์ที่เกี่ยวข้องกับการไหลเวียนของเลือดและสภาวะของหลอดเลือด [8, 9]

จากวรรณกรรมทั้งหมดนี้ "จุดร่วม" ที่พบได้บ่อยมักไม่ใช่การที่ตัวหลอดเลือดดำเองแสดงปรากฏการณ์ควอนตัมระดับมหภาคที่แปลกประหลาด แต่เป็นการที่วิทยาหลอดเลือดดำได้นำวิธีการวัดและการรักษา (เลเซอร์, การสร้างภาพแบบอินเทอร์เฟอโรเมตริก, การวัดสนามแม่เหล็ก, การสร้างภาพสภาพรับแม่เหล็กด้วย MR) ซึ่งมีพื้นฐานทางฟิสิกส์อยู่ในทฤษฎีควอนตัม, โฟโตนิกส์ และการสร้างแบบจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าที่อิงข้อมูลทางควอนตัมมาใช้งาน [5, 8, 10]

จุดบรรจบด้านการรักษา

แนวทางการใช้เลเซอร์ภายในหลอดเลือดดำ (endovenous laser) แสดงให้เห็นถึงจุดบรรจบในการนำไปใช้ที่ตรงที่สุด: รังสีเลเซอร์ที่มีความอาพันธ์ (coherent laser radiation) จะถูกส่งเข้าไปภายในหลอดเลือดดำ โดยมีวัตถุประสงค์ทางคลินิกคือการปิดหลอดเลือดดำที่มีการไหลย้อนกลับหรือบกพร่อง ผ่านการทำลายด้วยความร้อนจากแสง (photothermal damage) ที่ควบคุมได้ ซึ่งเกิดจากการดูดกลืนแสงและการเพิ่มความร้อน [1–4] งานวิจัยด้านกลไกเน้นย้ำว่าพลังงานที่ถูกดูดกลืนมักจะสะสมอยู่ในเลือด/ลิ่มเลือดภายในหลอดเลือดรอบๆ ปลายสายไฟเบอร์ (ไม่ใช่แค่ที่ผนังหลอดเลือดโดยตรงเท่านั้น) ส่งผลให้สามารถบรรลุอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการแข็งตัวได้ ไม่ว่าฮีโมโกลบินหรือน้ำจะเป็นตัวรับแสง (chromophore) หลักก็ตาม [12] สิ่งนี้ทำให้ EVLA/EVLT/EVLP ไม่ใช่เพียงแค่ "ป้ายกำกับความยาวคลื่น" แต่เป็นกระบวนการที่ควบคู่กันระหว่างการดูดกลืนโฟตอน, การสร้างความร้อน และการถ่ายเทความร้อน ซึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการกระเจิงและการดูดกลืนที่ความยาวคลื่นที่ใช้ [13]

งานวิจัยในหลอดทดลอง (in vitro) ที่ใช้เลเซอร์สถานะของแข็งที่ความยาวคลื่น 1.885 μm และกำลังไฟ ~3 W ได้ตรวจสอบว่าการมีอยู่ของสารแขวนลอยเม็ดเลือดแดงภายในหลอดเลือดเทียบกับน้ำเกลือ และการก่อตัวของชั้นคาร์บอนที่ได้รับความร้อนบนหน้าตัดปลายไฟเบอร์ ส่งผลต่อประสิทธิภาพการจี้สลายอย่างไร [1] ในการศึกษานั้น การมีอยู่ของชั้นคาร์บอนที่ได้รับความร้อนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของ EVLA ซึ่งตอกย้ำถึงเส้นทางเคมีเชิงความร้อนที่สามารถขยายการสะสมพลังงานที่ปลายสายได้มากกว่าการดูดกลืนแสงในเลือดเพียงอย่างเดียว [1] ข้อโต้แย้งด้านกลไกที่เกี่ยวข้องอธิบายว่าทำไมความจำเพาะต่อความยาวคลื่นอาจลดลงในระหว่างการรักษา: ลิ่มเลือดสามารถก่อตัวรอบๆ ปลายสายและเปลี่ยนสภาพเป็นคาร์บอนบางส่วนที่อุณหภูมิเกิน 1,000 °C และเนื่องจากคาร์บอนดูดกลืนความยาวคลื่นเลเซอร์ EVLA ทุกช่วงได้ดีเท่าๆ กัน การเกิดคาร์บอน (carbonization) จึงสามารถลดการพึ่งพาความยาวคลื่นได้ เมื่อการทำความร้อนที่ปลายสายถูกครอบงำด้วยการดูดกลืนของคาร์บอน [13]

การเปรียบเทียบทางคลินิกยังช่วยสนับสนุนกระบวนการถ่ายทอดจากฟิสิกส์สู่การประยุกต์ใช้ในทางวิทยาหลอดเลือดดำ ในชุดข้อมูลผู้ป่วยกลุ่มหนึ่ง การอุดตันของหลอดเลือด Great Saphenous Vein อย่างสมบูรณ์ยังคงอยู่ในระหว่างการติดตามผล และมีการอธิบายว่า EVLA ที่ความยาวคลื่น 1560 nm และ 1940 nm มีประสิทธิภาพสูงและปลอดภัยในการแก้ไขการไหลย้อนกลับของหลอดเลือดดำในโรคหลอดเลือดดำขอดที่รยางค์ล่าง [11] การศึกษาพารามิเตอร์ทางทัศนศาสตร์สนับสนุนว่าเหตุใดการเลือกความยาวคลื่นจึงยังคงมีความสำคัญ แม้ว่าการเกิดคาร์บอนจะลดความจำเพาะเจาะจงลงก็ตาม: มีรายงานความลึกในการทะลุผ่านผนังหลอดเลือดดำอยู่ที่ประมาณ ~1.3 mm ที่ 980 nm เทียบกับ ~0.22 mm ที่ 1470 nm ซึ่งบ่งชี้ถึงลักษณะการสะสมพลังงานในเชิงพื้นที่ที่แตกต่างกันมาก และรูปแบบการบาดเจ็บของเนื้อเยื่อข้างเคียงที่อาจเกิดขึ้น [14]

การเลือกความยาวคลื่นยังได้รับการพิจารณาอย่างชัดเจนในวิวัฒนาการของระบบ EVLP ซึ่งความยาวคลื่นที่หลากหลายถูกจัดวางให้มีลักษณะการดูดกลืนที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น 810 nm ถูกอธิบายว่ามีความเฉพาะเจาะจงต่อการดูดกลืนของฮีโมโกลบิน และการศึกษาทางคลินิกขนาดใหญ่ได้จัดทำขึ้นเพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพและความปลอดภัยของ EVLP ที่ 1064 nm เทียบกับ 810 nm สำหรับภาวะหลอดเลือดดำบกพร่องเรื้อรัง (หลอดเลือดดำขอด) [2] การวิเคราะห์ทางทัศนศาสตร์ที่แยกต่างหากสนับสนุนตัวเลือกในช่วงอินฟราเรดระยะกลางที่อาจส่งผลดี โดยระบุว่า "ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดจนถึงตอนนี้" ได้รับจากการใช้รังสี 1.56-mm และที่ความยาวคลื่น 1.68 และ 1.7 mm การดูดกลืนในส่วนประกอบของเลือดที่ไม่ใช่น้ำจะอ่อนกว่าการดูดกลืนในน้ำมาก ซึ่งเป็นแรงจูงใจให้เกิดสมมติฐานการกำหนดเป้าหมายที่เน้นน้ำเป็นหลักที่ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นเหล่านี้ [15]

จุดบรรจบด้านการรักษาแบบไม่ใช้ความร้อนที่แตกต่างออกไปคือ การบำบัดหลอดเลือดดำด้วยปฏิกิริยาเคมีด้วยแสง (photochemical venous therapy) ผ่านการเชื่อมขวางคอลลาเจนด้วยแสง (photo-collagen cross-linking) โดยใช้ riboflavin เป็นสารเชื่อมขวางและใช้แสงสีฟ้าเป็นตัวกระตุ้น [16] ในตัวอย่างหลอดเลือดดำ แนวทางนี้ทำให้เกิดการหดตัวอย่างรวดเร็วและมีนัยสำคัญโดยไม่มีหลักฐานทางฮิสโตโลจีของการบาดเจ็บที่เยื่อบุผนังหลอดเลือด และมีการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนในคุณสมบัติเชิงกลของหลอดเลือดดำขอด ซึ่งบ่งชี้ถึงกลไกการปรับโครงสร้างใหม่ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงที่ควบคุมได้ มากกว่าการจี้สลายด้วยความร้อนเพียงอย่างเดียว [16]

จุดบรรจบด้านการวินิจฉัย: ทัศนศาสตร์และโฟโตนิกส์

การวินิจฉัยทางทัศนศาสตร์ในวิทยาหลอดเลือดดำมักอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าฮีโมโกลบินมีคุณสมบัติการดูดกลืนแสงที่ขึ้นกับความยาวคลื่น ช่วยให้สามารถตรวจสอบระดับออกซิเจนในหลอดเลือดดำ, องค์ประกอบของลิ่มเลือด หรือโครงสร้างหลอดเลือดได้โดยไม่รุกล้ำโดยใช้โฟตอนเป็นตัวตรวจวัด [3, 4, 17] ในทุกวิธีการ ฟิสิกส์พื้นฐานร่วมกันคือสัญญาณที่วัดได้ (การลดทอน, แถบการแทรกสอด, สัญญาณความดันจากโฟโตอคูสติก, การคายฟลูออเรสเซนต์) ในท้ายที่สุดจะถูกขับเคลื่อนด้วยการดูดกลืนและการกระเจิงของโฟตอนในเลือดและส่วนประกอบของผนังหลอดเลือด [3, 10, 18]

Near-infrared spectroscopy

Near-infrared (NIR) spectroscopy ถูกอธิบายว่าเป็นเทคนิคที่ไม่รุกล้ำซึ่งใช้คุณสมบัติการดูดกลืนที่แตกต่างกันของฮีโมโกลบินเพื่อประเมินระดับออกซิเจนในกล้ามเนื้อลาย และการติดตามความยาวคลื่นที่เลือกสามารถให้ดัชนีของการลดลงของออกซิเจนได้ [3] การศึกษาหนึ่งได้วัดค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในหลอดเลือดดำและการดูดกลืนแสงที่ช่วง 760–800 nm ในระหว่างการออกกำลังกายแขนท่อนล่างเพื่อทดสอบว่าแถบการดูดกลืนแสงมีความสัมพันธ์กับระดับออกซิเจนในหลอดเลือดดำหรือไม่ [3] อีกวิธีหนึ่งใช้ NIRS ร่วมกับการบีบรัดหลอดเลือดดำเพื่อวัดค่าความอิ่มตัวของออกซีฮีโมโกลบินในหลอดเลือดดำส่วนปลาย (SvO2) แบบไม่รุกล้ำในแขนท่อนล่างของผู้ใหญ่ [19] และรายงานความสัมพันธ์ที่มีนัยสำคัญระหว่าง SvO2 ของแขนท่อนล่างที่วัดด้วย NIRS และ SvO2 ของเลือดในหลอดเลือดดำส่วนตื้นที่วัดด้วย co-oximetry (n=19, r=0.7, p<0.0001) [19]

งานวิจัยเพื่อตรวจสอบความถูกต้องอื่นๆ ได้ตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณ NIRS กับความอิ่มตัวของออกซิเจนในฮีโมโกลบินของหลอดเลือดดำ (O2Hb%) และความเข้มข้นของออกซิเจนในหลอดเลือดดำ (CvO2) [20] หลังจากการปรับมาตรฐานให้เข้ากับช่วงทางสรีรวิทยา พบความสัมพันธ์เชิงเส้นสูงระหว่างสัญญาณฮีมที่ไม่มีออกซิเจนและที่มีออกซิเจนกับค่า O2Hb% ในหลอดเลือดดำ (R≈0.92) และระหว่างสัญญาณฮีมกับ CvO2 (R≈0.89–0.90) ซึ่งบ่งชี้ว่าการวัดด้วย NIRS ที่อาศัยการดูดกลืนโฟตอนสามารถติดตามตัวชี้วัดระดับออกซิเจนในหลอดเลือดดำได้ในสภาพแวดล้อมที่ควบคุม [20] ในบริบทของหลอดเลือดดำส่วนกลาง มีรายงานว่า NIRAS ให้การวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในหลอดเลือดดำในสมองแบบไม่รุกล้ำที่แม่นยำ โดยค่า CSvO2 ที่คำนวณโดย NIRAS ถูกนำไปเปรียบเทียบกับการตรวจวัดด้วย co-oximetry โดยตรงจากเลือดในหลอดเลือดดำ internal jugular [21]

Photoplethysmography

Photoplethysmography (PPG) อาศัยแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดและตัวรับเพื่อประมาณการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรเลือด และประมาณค่าการเปลี่ยนแปลงปริมาตรโดยการวัดปริมาณแสงที่ถูกดูดกลืนและสะท้อนกลับไปยังตัวรับ [22] ในการประเมินภาวะหลอดเลือดดำบกพร่องเรื้อรัง ค่าพลศาสตร์การไหลเวียนของเลือดในหลอดเลือดดำที่ได้จากดิจิทัล PPG ถูกนำมาใช้ร่วมกับการประเมินมาตรฐานเพื่อตรวจสอบว่าจำเป็นต้องมีการรักษา (EVLA) หรือไม่ และมีการตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่าง Doppler ultrasound และ D-PPG เพื่อประเมินว่า D-PPG สามารถช่วยในการทำความเข้าใจพยาธิสภาพของหลอดเลือดดำและประเมินทางเลือกในการรักษาได้หรือไม่ [22] วิธีการนี้ยังได้รับการอ้างอิงในเชิงประวัติศาสตร์ว่ามีการนำมาใช้ตั้งแต่ทศวรรษที่ 1930 เพื่อเป็นวิธีการประเมินระบบหลอดเลือด โดยเน้นย้ำถึงบทบาทของมันในฐานะเครื่องมือทางทัศนศาสตร์ที่เป็นที่ยอมรับสำหรับวัดพลศาสตร์การไหลเวียนของเลือด [22]

Optical coherence tomography

Optical coherence tomography (OCT) ถูกอธิบายว่าเป็นรูปแบบการสร้างภาพที่มีประสิทธิภาพโดยอาศัยหลักการอินเทอร์เฟอโรเมตรีความอาพันธ์ต่ำ (low-coherence interferometry) ช่วยให้สามารถสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงโดยมีความลึกในการทะลุผ่านเนื้อเยื่อไม่กี่มิลลิเมตร และสามารถแสดงภาพผนังหลอดเลือดได้เกือบระดับเนื้อเยื่อวิทยา [10, 23, 24] Endovascular OCT ได้รับการนำเสนอว่าให้ "ข้อมูลที่คล้ายกับเนื้อเยื่อวิทยา" ของผนังหลอดเลือดดำ [4] และการประยุกต์ใช้หนึ่งได้ระบุว่า endovascular OCT เป็นเทคนิคการสร้างภาพภายในหลอดเลือดที่มีความละเอียดสูงสุดที่มีอยู่ โดยใช้แสงเนียร์อินฟราเรดที่ประมาณ 1300 nm [25] ในการประเมินการรักษาหลอดเลือดดำ OCT ได้ถูกประเมินเพื่อการตรวจสอบเชิงคุณภาพของกายวิภาคของผนังหลอดเลือดดำและการเปลี่ยนแปลงของเนื้อเยื่อหลังการจี้ด้วยคลื่นวิทยุและการใช้เลเซอร์ภายในหลอดเลือดดำในตัวอย่างหลอดเลือดดำของวัว รวมถึงการรายงานพารามิเตอร์ ELT ของเลเซอร์ไดโอดที่ 980 nm ด้วยความหนาแน่นพลังงาน 15, 25 และ 35 J/cm [4]

OCT ยังถูกวางตำแหน่งสำหรับการประยุกต์ใช้ในหลอดเลือดดำภายในกะโหลกศีรษะ: การนำไปใช้ใน dural venous sinus ของมนุษย์ "อาจช่วย" ในการวินิจฉัย, การรักษา และความเข้าใจเกี่ยวกับ dural arteriovenous fistulas, ภาวะลิ่มเลือดอุดตันในโพรงหลอดเลือดดำสมอง (cerebral venous sinus thrombosis) และภาวะความดันในกะโหลกศีรษะสูงโดยไม่ทราบสาเหตุ [25] สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าการสร้างภาพด้วยโฟตอนแบบอินเทอร์เฟอโรเมตริกสามารถขยายขอบเขตของวิทยาหลอดเลือดดำไปไกลกว่าหลอดเลือดดำที่ขาชั้นตื้น เข้าสู่พยาธิสภาพของโพรงหลอดเลือดดำ โดยขึ้นอยู่กับการเข้าถึงด้วยสายสวนและข้อจำกัดของสัญญาณทางทัศนศาสตร์ [25]

Polarization-sensitive OCT

Polarization-sensitive OCT (PS-OCT) ขยายขีดความสามารถของ OCT โดยการวัดการหักเหคู่ (birefringence) ของเนื้อเยื่อ ให้ความแตกต่างของภาพ (contrast) สำหรับคอลลาเจนและเซลล์กล้ามเนื้อเรียบที่มีอยู่ในลิ่มเลือดเก่าและเรื้อรัง [26] ในโมเดลหนูที่เป็น DVT ได้มีการตรวจสอบ intravascular PS-OCT เพื่อประเมินสัณฐานวิทยาและองค์ประกอบของลิ่มเลือดในสิ่งมีชีวิต (in vivo) ตลอดช่วงอายุของลิ่มเลือด [26] การวิเคราะห์ภาพตัดขวางของ OCT แบบอัตโนมัติสามารถแยกแยะระหว่างลิ่มเลือดเฉียบพลันและเรื้อรังได้ด้วยความไว 97.6% และความจำเพาะ 98.6% โดยใช้แบบจำลองจำแนกเชิงเส้นที่รวมพารามิเตอร์ของโพลาไรเซชันและ OCT แบบดั้งเดิมเข้าด้วยกัน สนับสนุนให้ PS-OCT เป็นแนวทางที่มีความไวสูงสำหรับการประเมินองค์ประกอบของ DVT และการแยกแยะอายุของลิ่มเลือด [26]

Photoacoustic imaging และ elastography

Photoacoustic imaging (PAI) ถูกอธิบายว่าช่วยให้สามารถวัดการดูดกลืนแสงของเนื้อเยื่อจากระยะไกลได้ และความแตกต่างของภาพจะถูกสร้างขึ้นผ่านปรากฏการณ์โฟโต/ออปโต/เทอร์โมอคูสติก ซึ่งการดูดกลืนพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าช่วงสั้นจะทำให้เกิดคลื่นเสียงจากความยืดหยุ่นเชิงความร้อน (thermoelastic acoustic wave) [17, 27] ในทางปฏิบัติ เนื้อเยื่อชีวภาพจะถูกฉายด้วยพัลส์เลเซอร์ชนิดไม่ก่อไอออน การดูดกลืนแสงจะทำให้อุณหภูมิท้องถิ่นเพิ่มขึ้น (ในระดับไม่กี่มิลลิเคลวิน) นำไปสู่การขยายตัวเชิงความร้อนและการปล่อยคลื่นเสียง [18] เม็ดเลือดแดงซึ่งมีฮีโมโกลบินและดูดกลืนแสงที่มองเห็นได้เป็นอย่างมาก จะมีอุณหภูมิและความดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อดูดกลืนพลังงานแสง ทำให้เป็นตัวดูดกลืนภายในร่างกายที่มีความหมายทางสรีรวิทยาสำหรับการสร้างภาพลิ่มเลือดและหลอดเลือด [28]

ในแนวคิดการแบ่งระยะของ DVT การจัดระเบียบใหม่ของลิ่มเลือดสามารถลดความเข้มข้นของฮีโมโกลบินและลดการดูดกลืนแสงลง ซึ่งเป็นแรงจูงใจในการใช้การเปลี่ยนแปลงสัญญาณโฟโตอคูสติกเพื่อแบ่งระยะของลิ่มเลือดแบบไม่รุกล้ำ [27] การศึกษาหนึ่งระบุเพิ่มเติมว่าสามารถใช้รังสีเลเซอร์แบบพัลส์ที่มีความยาวคลื่นปรับให้เข้ากับการดูดกลืนของ RBC ได้ และเสนอว่าลิ่มเลือดเฉียบพลันควรปล่อยสัญญาณโฟโตอคูสติกที่แรงกว่า DVT เรื้อรังเนื่องจากการดูดกลืนแสงที่แรงกว่า [27] จากข้อมูลเชิงประจักษ์ มีรายงานว่าการสร้างภาพด้วยอัลตราซาวนด์และโฟโตอคูสติกร่วมกันสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างและอายุของลิ่มเลือด DVT ได้ ในขณะที่การทบทวนวรรณกรรมในวงกว้างระบุถึงความหวังของ PAI เนื่องจากความละเอียดเชิงพื้นที่และความแตกต่างของภาพทางทัศนศาสตร์ที่สูง [17, 29]

นอกเหนือจากการแบ่งระยะที่อาศัยการดูดกลืนแล้ว Vascular elastic photoacoustic tomography (VE-PAT) ยังเชื่อมโยงการตรวจวัดการดูดกลืนแสงเข้ากับการอนุมานคุณสมบัติเชิงกล PAT บรรลุความละเอียดเชิงพื้นที่สูงเกินขีดจำกัดของการแพร่กระจายของแสงโดยการตรวจวัดการดูดกลืนแสงด้วยคลื่นเสียงอัลตราโซนิก และได้รับการเน้นย้ำว่ามีความแตกต่างของการดูดกลืนที่อิงตามฮีโมโกลบินที่รุนแรงใน RBC และสามารถให้ข้อมูลคุณสมบัติเชิงโครงสร้าง, หน้าที่ และเชิงกลของหลอดเลือดในสัตว์และมนุษย์ได้ [30] มีรายงานว่า VE-PAT สามารถวัดคุณสมบัติความยืดหยุ่นของหลอดเลือดในมนุษย์ได้ [30] โดยตรวจพบความยืดหยุ่นของหลอดเลือดที่ลดลงเนื่องจากการจำลองภาวะลิ่มเลือดอุดตันในหุ่นจำลองหลอดเลือดขนาดใหญ่ (ตรวจสอบความถูกต้องด้วยการทดสอบการบีบอัดมาตรฐาน) [30] และตรวจพบการลดลงของความยืดหยุ่นของหลอดเลือดในอาสาสมัครที่เป็นมนุษย์เมื่อเกิดการอุดตันที่ส่วนปลาย แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการตรวจหาภาวะลิ่มเลือดอุดตันในหลอดเลือดดำส่วนลึก [30]

Near-infrared fluorescence และ hyperspectral imaging

การสร้างภาพลิ่มเลือดด้วย Near-infrared fluorescence (NIRF) ใช้สารเรืองแสงจำเพาะเจาะจงเพื่อเปลี่ยนเหตุการณ์การจับกันของโมเลกุลเป็นการปล่อยโฟตอน NIR ที่ตรวจจับได้ ตัวอย่างเช่น เปปไทด์ที่มุ่งเป้าไปที่ไฟบรินถูกจับคู่กับสารเรืองแสงเนียร์อินฟราเรด Cy7 (FTP11-Cy7) เพื่อพัฒนาและตรวจสอบสารสร้างภาพที่ช่วยให้สามารถสร้างภาพ NIRF ความละเอียดสูงของภาวะลิ่มเลือดอุดตันในหลอดเลือดดำส่วนลึกได้ [31] ในกระบวนการทำงานก่อนการใช้งานจริง (preclinical) การถ่ายภาพรังสีส่วนตัดอาศัยการเรืองแสงระดับโมเลกุลร่วมกับ CT (FMT-CT) แบบไม่รุกล้ำได้ถูกดำเนินการในหนูที่มีภาวะ DVT ในหลอดเลือดดำ jugular ระยะกึ่งเฉียบพลัน แสดงให้เห็นถึงแนวทางการใช้ทัศนศาสตร์และรังสีวิทยาร่วมกันในการระบุตำแหน่งและวัดปริมาณลิ่มเลือด [31] งานวิจัยที่เกี่ยวข้องเน้นย้ำว่าการสร้างภาพฟลูออเรสเซนต์ในช่วงหน้าต่างเนียร์อินฟราเรดที่สอง (NIR-II, 1,000–1,700 nm) นั้นส่งผลดีเนื่องจากความซับซ้อนของอุปกรณ์ที่ลดลงและการใช้งานที่ง่ายขึ้น และมีการพัฒนาตัวนำส่งยาแบบ theranostic เพื่อช่วยในการติดตามกระบวนการละลายลิ่มเลือดที่มุ่งเป้าของ DVT แบบเรียลไทม์ [32]

ในด้านการสร้างภาพพื้นผิว การสร้างภาพแบบไฮเปอร์สเปกตรัล (hyperspectral visible–NIR imaging) ช่วยจำแนกขอบเขตของหลอดเลือดดำขอดโดยใช้ลายเซ็นการสะท้อนแบบกระจาย (diffuse reflection signatures) ที่ขึ้นกับความยาวคลื่น ในการศึกษาระบบหนึ่ง อาสาสมัครได้รับแสงโพลีโครมาติกที่ครอบคลุมช่วง 400–950 nm [33] และสเปกตรัมการสะท้อนแบบกระจายมีค่าสูงสุดที่ 530 nm สำหรับหลอดเลือดดำขอด เทียบกับ 780 nm สำหรับหลอดเลือดดำที่ขาปกติ [33] ภาพไฮเปอร์สเปกตรัลที่ความยาวคลื่นที่เลือกจะถูกปรับมาตรฐานและกรองก่อนการกำหนดขอบเขตโดยใช้การวิเคราะห์เฟสเชิงปริมาณและการจัดกลุ่มแบบ k-means เชื่อมโยงสเปกตรัมทางทัศนศาสตร์เข้ากับการแบ่งส่วนด้วยคอมพิวเตอร์สำหรับการทำแผนที่หลอดเลือดดำแบบไม่สัมผัส [33]

จุดบรรจบด้านการวินิจฉัย: เรโซแนนซ์แม่เหล็ก

การสร้างแผนที่สภาพรับแม่เหล็กเชิงปริมาณ (QSM) เป็นสะพานเชื่อมทางเรโซแนนซ์แม่เหล็กระหว่างฟิสิกส์สปินควอนตัมและสรีรวิทยาของหลอดเลือดดำ โดยการใช้การเปลี่ยนแปลงเฟสของ MR เพื่ออนุมานสภาพรับแม่เหล็กในท้องถิ่น QSM "ตรวจสอบข้อมูลเฟสแบบ gradient-echo" เพื่อระบุสภาพรับแม่เหล็กของเนื้อเยื่อในท้องถิ่น [5] และมีรายงานว่าการวัดความแตกต่างของสภาพรับแม่เหล็กจาก QSM ทำให้สามารถวัดค่า SvO2 เชิงปริมาณได้โดยอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างความแตกต่างของสภาพรับแม่เหล็กและค่า SvO2 [6] ความไวต่อระดับออกซิเจนได้รับการสนับสนุนโดยรายงานที่ว่า QSM สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของความอิ่มตัวของดีออกซีฮีโมโกลบินที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยก๊าซที่มีออกซิเจนสูงทั้งในโมเดลสัตว์และมนุษย์ [7] และพบความสอดคล้องที่ดีเยี่ยมระหว่างค่า ShvO2 ที่วัดด้วยเครื่องวิเคราะห์ก๊าซในเลือดและค่า ShvO2 ที่คำนวณจากการวัดด้วย QSM [7]

ความเฉพาะเจาะจงต่อหลอดเลือดดำของตัวชี้วัดที่อาศัยสภาพรับแม่เหล็กนั้นมีรากฐานมาจากความแตกต่างของสมบัติทางแม่เหล็กระหว่างสถานะออกซิเจน: มีการอธิบายว่าออกซีฮีโมโกลบินเป็นไดอะแมกเนติก (สภาพรับแม่เหล็กเป็นลบ) ในขณะที่ดีออกซีฮีโมโกลบินเป็นพาราแมกเนติก (สภาพรับแม่เหล็กเป็นบวก) [28] ในส่วนของวรรณกรรม QSM ที่มีให้นั้น QSM ยังถูกกำหนดให้เป็นวิธีที่ไม่รุกล้ำซึ่งอาจให้การวัดทางอ้อมของความอิ่มตัวของออกซิเจนในหลอดเลือดดำสมอง (CSvO2) ซึ่งตอกย้ำถึงศักยภาพสำหรับการประยุกต์ใช้ในการวัดระดับออกซิเจนในหลอดเลือดดำที่การเก็บตัวอย่างโดยตรงทำได้ยาก [5]

กลไกทางชีวฟิสิกส์ควอนตัม

ในระดับโมเลกุล สถานะออกซิเจนของฮีโมโกลบินเชื่อมโยงกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับทั้งปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กและการสร้างภาพสภาพรับแม่เหล็กด้วย MR ออกซีฮีโมโกลบินถูกอธิบายว่าเป็นไดอะแมกเนติก ในขณะที่ดีออกซีฮีโมโกลบินเป็นพาราแมกเนติก ซึ่งบ่งชี้ถึงสภาพรับแม่เหล็กและปฏิกิริยาของแรงแม่เหล็กที่ขึ้นกับระดับออกซิเจนในระดับโมเลกุล/อิเล็กตรอน [28] ฮีโมโกลบินยังถูกอธิบายว่าเป็นโปรตีนอัลโลสเตอริกที่เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะตึง (tense - ไม่มีออกซิเจน) เป็นสถานะผ่อนคลาย (relaxed - มีออกซิเจน) และในทางกลับกัน โดยเน้นย้ำว่าการจับกับออกซิเจนนั้นเชื่อมโยงกับสถานะโครงสร้างของโปรตีน [28]

สะพานเชื่อมเชิงกลไกที่ถูกเสนอระหว่างสนามแม่เหล็กและสรีรวิทยาของเลือดคือ สนามแม่เหล็กส่งผลกระทบต่อประจุที่เคลื่อนที่ ดังนั้นจึงส่งผลต่อการเปลี่ยนโครงสร้างแบบอัลโลสเตอริกของฮีโมโกลบิน ซึ่งถูกอธิบายว่าเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสัดส่วนของกลุ่มประชากรมากกว่าการเปลี่ยนรูปแบบโครงสร้างจตุรภูมิหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่งในทิศทางเดียว [28] ในบริบทของวิทยาหลอดเลือดดำ กลุ่มของข้อกล่าวอ้างนี้เชื่อมโยงแนวคิดเรื่องแม่เหล็กที่ได้รับอิทธิพลจากควอนตัม (สภาพรับแม่เหล็ก, ปฏิกิริยาระหว่างสนามกับประจุ) เข้ากับหน้าที่ของฮีโมโกลบิน ซึ่งเป็นพื้นฐานของปริมาณออกซิเจนในหลอดเลือดดำและพลศาสตร์การปล่อยออกซิเจนที่วิธีการทางทัศนศาสตร์ (NIRS, PAI) และ MR (QSM) พยายามจะวัด [3, 6, 28]

จุดบรรจบที่กำลังเกิดขึ้นและเชิงแนวคิด

งานวิจัยหลายสายงานขยายขอบเขตไปไกลกว่าอุปกรณ์ทางคลินิกด้านวิทยาหลอดเลือดดำที่เป็นที่ยอมรับ แต่ยังคงระบุหลักการที่ได้รับมาจากฟิสิกส์ควอนตัมที่นำมาใช้กับสัญญาณของระบบหลอดเลือดหรือหลอดเลือดดำ ใน EVLA การสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ได้รับแรงจูงใจอย่างชัดเจนจากการแทนค่าสายไฟเบอร์เลเซอร์เป็นจุดกำเนิดแสงในท่อหลอดเลือดดำรูปทรงกระบอก และจำลองการกระจายตัวของแสงในแนวรัศมีผ่านกระบวนการแพร่กระจายที่ควบคุมโดยการกระเจิงและการดูดกลืนของเลือดที่ความยาวคลื่นที่พิจารณา แสดงให้เห็นถึงแนวทางเชิงฟิสิกส์ในการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมในการจี้สลายหลอดเลือดดำ [13]

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพภายใต้ชื่อแบรนด์ "Quantum Molecular Resonance" (QMR) ยังถูกกล่าวถึงว่าเป็นเครื่องมือที่มีศักยภาพในวิทยาหลอดเลือดดำ: "มีดผ่าตัดไฟฟ้าชนิดใหม่" ถูกอธิบายว่าสามารถใช้รักษาหลอดเลือดฝอยที่ผิวหนังและหลอดเลือดขอดได้ โดยมีกำลังไฟที่ปรับได้และจังหวะเวลาที่แม่นยำซึ่งตั้งใจจะลดการทำลายจากความร้อน [34] ในกรอบความคิดเดียวกัน การฉีดสารทำให้แข็ง (sclerotherapy) ถูกอธิบายว่าเป็นการรักษาหลักสำหรับหลอดเลือดดำขอด, หลอดเลือดฝอยใยแมงมุม และหลอดเลือดฝอยพอง โดยวางตำแหน่ง QMR เป็นเครื่องมือเสริมในระบบนิเวศการรักษาที่กว้างขึ้นของการจัดการโรคหลอดเลือดดำชั้นตื้น [34]

ในด้านการคำนวณ แนวทางการเรียนรู้ของเครื่องแบบผสมผสานระหว่างควอนตัมและคลาสสิก (hybrid quantum–classical machine-learning) ได้มีรายงานสำหรับการสร้างภาพการไหลของเลือดด้วย Laser speckle contrast imaging (LSCI): แทนที่จะใช้ชั้น 3D global pooling มาตรฐานเพื่อบีบอัดแผนผังคุณลักษณะ (feature maps) แบบจำลองได้เปลี่ยนชั้นนี้ด้วยวงจรควอนตัมแบบแปรผัน (variational quantum circuit) และมีการอ้างว่าวงจรนี้ช่วยรักษาความสัมพันธ์เชิงพื้นที่และเชิงเวลาในข้อมูลเพื่อคงความแม่นยำในการคาดการณ์ไว้ [9] แม้ว่าจะไม่ได้ระบุถึงโรคหลอดเลือดดำโดยเฉพาะในข้อมูลส่วนที่ตัดมา แต่จุดบรรจบคือกระบวนการสร้างภาพการไหลของเลือดที่เกี่ยวข้องกับการประเมินระบบหลอดเลือดสามารถปรับเปลี่ยนได้โดยใช้ส่วนประกอบวงจรควอนตัมอย่างชัดเจน เชื่อมโยงการประมวลผลข้อมูลควอนตัมเข้ากับการวิเคราะห์สัญญาณพลศาสตร์การไหลเวียนของเลือด [9]

แนวคิดการสร้างแบบจำลองที่แยกต่างหากได้เสนอเทคนิคที่ "อิงตามกลศาสตร์ควอนตัมและไฟฟ้าพลศาสตร์คลาสสิกทั้งหมด" เพื่อจัดการกับการเติบโตของหลอดเลือดที่ผิดปกติในระหว่างกระบวนการสร้างหลอดเลือดใหม่ (angiogenesis) และอ้างว่าใช้การคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อพยากรณ์ตำแหน่งและยับยั้งการเติบโตที่ผิดปกติของหลอดเลือดได้แม่นยำยิ่งขึ้น [35] แม้ว่าสิ่งนี้จะใกล้เคียงกับชีววิทยาของหลอดเลือดและการสร้างหลอดเลือดใหม่มากกว่าการจัดการหลอดเลือดดำขอดแบบคลาสสิก แต่ก็ยังคงแสดงถึงความพยายามโดยตรงในการใช้การสร้างแบบจำลองควอนตัม/ไฟฟ้าพลศาสตร์เพื่อเป็นแนวทางสำหรับการรักษาภาวะการสร้างหลอดเลือดที่ผิดปกติ [35]

สุดท้าย การตรวจวัดด้วยควอนตัมเชื่อมโยงกับสภาวะของหลอดเลือดดำผ่านสนามแม่เหล็กชีวภาพ SQUIDs ถูกอธิบายว่าอาศัยหลักการควอนไทเซชันของฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux quantization) และปรากฏการณ์โจเซฟสัน (Josephson effect) [8] และเซนเซอร์ควอนตัมที่เกี่ยวข้องจะตรวจจับการควง (precession) ของสปินอะตอมในสนามแม่เหล็กด้วยความไวใกล้ระดับเฟมโตเทสลา [8] ในการประยุกต์ใช้ที่เกี่ยวข้องกับภาวะหลอดเลือดดำขาดเลือดโดยเฉพาะ การศึกษาพบว่าการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นก่อนการเปลี่ยนแปลงทางพยาธิสภาพและสามารถบันทึกได้แบบไม่รุกล้ำโดยใช้ SQUID [36] และ SQUIDs ถูกอธิบายว่าใช้สำหรับวัดสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นจากกิจกรรมทางไฟฟ้าของกล้ามเนื้อเรียบในทางเดินอาหาร แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการจับสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าชีวภาพที่อ่อนมากซึ่งเกี่ยวข้องกับสภาวะการประนีประนอมของหลอดเลือด [36]

การสังเคราะห์

จากวรรณกรรมที่สุ่มตัวอย่างมา "จุดร่วม" ที่ตัดขวางกันหลายประการได้เชื่อมโยงฟิสิกส์ควอนตัมเข้ากับวิทยาหลอดเลือดดำอย่างสม่ำเสมอผ่านปริมาณที่วัดได้ร่วมกัน, พารามิเตอร์ที่ควบคุมได้ และฟิสิกส์ของเครื่องมือ

ตารางด้านล่างสรุปสะพานเชื่อมที่เกิดขึ้นซ้ำๆ จากหลักการทางฟิสิกส์ที่ได้รับมาจากควอนตัมไปสู่การประยุกต์ใช้กับหลอดเลือดดำอย่างเป็นรูปธรรม

เมื่อพิจารณารวมกัน หัวข้อเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า "ภาษา" ที่ใช้ร่วมกันระหว่างฟิสิกส์ควอนตัมและวิทยาหลอดเลือดดำส่วนใหญ่เป็นภาษาของความแตกต่างที่วัดได้และพารามิเตอร์ที่ควบคุมได้ อันได้แก่ สเปกตรัมการดูดกลืนและความยาวคลื่น, ความอาพันธ์และการแทรกสอด, สถานะโพลาไรเซชัน, สภาพรับแม่เหล็ก และขีดจำกัดความไวของเซนเซอร์ [3, 5, 8, 10]

ข้อจำกัดและบทสรุป

ภายในวรรณกรรมที่สุ่มตัวอย่างมานี้ จุดบรรจบที่โดดเด่นคือด้านการประยุกต์ใช้และการถ่ายทอดความรู้: เลเซอร์ถูกนำมาใช้สำหรับการจี้สลายภายในหลอดเลือดดำและมีการเปรียบเทียบความยาวคลื่นต่างๆ เพื่อหาประสิทธิภาพและความปลอดภัย, การวัดสเปกตรัมและภาพทางทัศนศาสตร์ถูกใช้เพื่ออนุมานระดับออกซิเจนในหลอดเลือดดำหรือจำแนกคุณลักษณะของลิ่มเลือด และการสร้างภาพสภาพรับแม่เหล็กด้วย MR ถูกใช้เพื่อวัดปริมาณตัวบ่งชี้ระดับออกซิเจนในหลอดเลือดดำ [3, 6, 11, 17] สะพานเชื่อมที่ใกล้เคียงที่สุดกับฟิสิกส์โมเลกุลที่ "พื้นฐาน" กว่าคือ (i) สภาพรับแม่เหล็กที่ขึ้นกับสถานะออกซิเจนของฮีโมโกลบิน (ออกซีฮีโมโกลบินที่เป็นไดอะแมกเนติก เทียบกับ ดีออกซีฮีโมโกลบินที่เป็นพาราแมกเนติก) และ (ii) วิธีการ QSM ที่อิงตามสภาพรับแม่เหล็กซึ่งใช้ประโยชน์จากความแตกต่างเหล่านี้เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของออกซิเจน พร้อมกับข้อกล่าวอ้างที่ว่าสนามแม่เหล็กสามารถส่งผลต่อการเปลี่ยนโครงสร้างแบบอัลโลสเตอริกของฮีโมโกลบินผ่านปฏิกิริยาของประจุที่เคลื่อนที่ [7, 28]

โดยรวมแล้ว จุดร่วมของฟิสิกส์ควอนตัมและวิทยาหลอดเลือดดำที่บันทึกไว้ในชุดข้อมูลนี้สามารถเข้าใจได้ดีที่สุดว่าเป็นการนำโฟโตนิกส์และวิทยาศาสตร์การวัดทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพื้นฐานมาจากควอนตัมมาใช้งานทางคลินิก เพื่อวินิจฉัย, สร้างภาพ และรักษาโรคหลอดเลือดดำ โดยมีฮีโมโกลบินทำหน้าที่เป็น "โมเลกุลสะพานเชื่อม" ส่วนกลางที่เป็นทั้งตัวดูดกลืนเพื่อการรักษา, ตัวรายงานทางทัศนศาสตร์ และแหล่งกำเนิดสภาพรับแม่เหล็กในเวลาเดียวกัน [3, 12, 28]