Lomittuminen voisi auttaa PET-kuvausta

Positroniemissiotomografiassa (PET) käytettävien fotonien kvanttilomittuminen on osoitettu yllättävän vahvaksi, mikä avaa mahdollisuuksia kvanttitehostettujen PET-järjestelmien kehittämiselle.

Lääketieteelliset skannaukset, joissa käytetään kuvantamismenetelmänä positroniemissiotomografiaa (PET), ovat ratkaisevan tärkeitä sairauksien, kuten syövän ja Alzheimerin taudin diagnosoinnissa.

PET:ssä elektronit ja positronit annihilaatioituvat fotonipareiksi potilaan kehon sisällä, ja fotonien havainnointia käytetään rekonstruoimaan kuvia kehon kudoksista. Kunkin parin fotonien tiedetään olevan kvanttilomittuneita polarisaatioonsa, ja viimeaikaiset työt ovat tuoneet esiin, että tämä lomittuminen voisi parantaa PET-kuvauksen laatua.

Fotonijärjestelmien kvanttilomittuminen elektronivolttien asteikoilla on jo vakiintunutta tiedettä. Megaelektronivolttien tasolla, kuten positronien annihilaatiokvantteina, fotonit ovat kuitenkin vuorovaikutuksessa erilaisten vuorovaikutusprosessien kautta ja siten aihe on vielä tieteellisessä hakusessa.

Lomittuneilla megaelektronivolttien kvanteilla on hyvin erilaiset ominaisuudet kuin optisilla. Havaitseminen on olennaisesti kohinaton, ne tunkeutuvat paremmin aineen läpi, niiden aallonpituudet miljoona kertaa pienempiä ja tyypillisesti ne ovat nanosekuntisia aaltopaketteja.

Kuitenkin kvanttitehostettu kuvantaminen voisi nyt olla askeleen lähempänä, kiitos Julien Bordesin ja kollegoidensa Yorkin yliopistossa Isossa-Britanniassa, jotka ovat havainneet, että fotonien lomittuminen on paljon kestävämpää kuin aiemmin luultiin.

Tällä hetkellä PET:ssä potilas saa suonensisäisen injektion biomolekyylejä, joihin on kiinnitetty radioaktiivisia atomeja, jotka hajotessaan emittoivat positronin. Tällaisen positronin annihilaatio elektronilla potilaan kehossa synnyttää kaksi fotonia, jotka etenevät vastakkaisiin suuntiin, kummankin energialla 511 keV – yli 100 000 kertaa näkyvän valon energiaa.

Tällaiset fotonit voivat tunkeutua potilaan kehon läpi ja tuottaa signaaleja PET-ilmaisimissa. Nämä signaalit mahdollistavat elektroni-positroni -annihilaatioiden jakautumisen määrittämisen kehossa ja puolestaan kuvien tuottamisen, jotka osoittavat, kuinka nopeasti annetut biomolekyylit metaboloituvat kehon kudoksissa.

Bordesin ja kollegoiden tutkimus on ensimmäinen yksityiskohtainen tutkimus lomittuneiden gammafotonien kvanttidekoherenssista

Lomittuneen kvanttidekoherenssin rajoitukset megaelektronivolttisen skaalan kvantit, kuten ne, jotka syntyvät positronien tuhoamisen jälkeen, ovat pysyneet vaikeasti havaittavissa useiden vuosikymmenten ajan.

Nyt havainto, että elektronien ja positronien annihilaatiossa syntyvät fotonit voivat jäädä lomittuneiksi, kun yksi niistä on sirottunut, on tieteellisesti jännittävä löytö, mutta se on sekä huono että hyvä uutinen lääketieteelliselle diagnoosille.

Se on huono uutinen, koska se tarkoittaa, että fotonipolarisaatioiden välisen eron mittaaminen ei voi auttaa PET-kuvauksessa vähentämällä sironnan aiheuttamaa hämärtymisosuutta potilaan kehossa.

Mutta se on potentiaalisesti hyvä uutinen kvanttiparannetun PET-diagnoosin kehittämiselle, koska mahdollinen diagnostinen informaatio kehon kudoksista, joita lomittuvat fotonit kuljettavat, eivät katoa, jos yksi fotoni siroaa kehossa.

Tulokset ovat edistysaskel ymmärryksessämme kvanttilomittumisen ja sen dekoherenssin perustavanlaatuisesta luonteesta megaelektronivolttien asteikolla, mikä on ratkaisevan tärkeää uuden sukupolven perustesteille sekä yhteiskunnallisille sovelluksille, kuten kvanttilomittuneelle PET-kuvaukselle.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttilomittuminen ja topologia ovat erottamattomia

Aivomme hyödyntävät kvanttilaskentaa

Suurten esineiden välinen kvanttilomittuminen