Квантовые сенсоры: революция в медицине и нейровизуализации
Вы — генератор электромагнитных полей. Как любой живой организм. Это явление называется «биомагнетизм». Поля можно измерять и на основе анализа обнаруживать патологию — если, конечно, датчики достаточно чувствительны. Новое поколение таких сенсоров — квантовые: они в тысячи раз чувствительнее тех, которые используются в привычных нам кардиографах или томографах.
ФОТО Сергея ГРИЦКОВА
Сердца пламенный мотор
Квантовые устройства, измеряющие характеристики магнитного поля, уже применяются в медицине, говорит Максим Острась, сотрудник московского Российского квантового центра. Но у каждого типа таких приборов есть «неудобства». Например, самые популярные и наиболее чувствительные могут работать только при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Команда Максима Острася разрабатывает сенсоры для медицины, которые сохраняют преимущества квантовых технологий, но лишены их недостатков. Об этом ученый рассказывал на «Квантовой неделе», которая проходила в Петербурге на базе СПбГУ.
Сначала «сферой приложения» квантовых сенсоров ученые выбрали сердце: сердечно-сосудистые заболевания — главные по смертоносности. У метода ЭКГ есть уязвимости: между электродами на грудной клетке и сердцем как источником электрических импульсов все же есть другие ткани организма, некоторые из них хуже проводят ток и потому могут искажать информацию.
Кардиологи считают, что в большинстве случаев точности ЭКГ для диагностики все же достаточно. А в более сложных случаях возможна инвазивная процедура: электроды с помощью зонда вводят в артерии и перемещают непосредственно к сердцу. Правда, процедура требует высокого класса и оборудования, и специалистов.
— Но есть исследование, в котором более чувствительные неинвазивные технологии могут быть незаменимы: если надо проверить сердце плода в утробе матери, — говорит Максим Острась.
Радиация как лекарство: учёные смогли подчинить её и направить не во вред, а на благоСейчас для такой диагностики применяют УЗИ. Но оно показывает не все аспекты возможной аритмии, комментирует физик. Ученые работают над методом, который позволит исследовать сердце эмбриона уже на сроке 20 недель и абсолютно безопасен для будущего ребенка и для матери.
Суть метода в том, что датчики чувствуют не электрические поля будущего ребенка (они просто потонут в шумах), а порождаемые ими магнитные поля. Эти проходят через ткани организма без изменений. Так что могут давать гораздо больше информации, причем неискаженной.
Залезть в голову
Но главная перспективная область исследований с помощью квантовых датчиков — мозг.
— С мозгом еще сложнее — и еще интереснее, — комментирует Максим Острась. — Это главный орган, он регулирует все процессы. При «лампочной» электрической мощности 25 Ватт он выполняет в секунду примерно столько операций, сколько суперкомпьютер, потребляющий мегаватты электроэнергии.
Один из современных способов исследования мозга — нейровизуализация. Нейроны генерируют электрические импульсы, создают электромагнитное поле, благодаря которому можно «увидеть» строение мозга, его биохимию, его работу. МРТ, электроэнцефалограмма, позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — это все методы нейровизуализации.
Но и у них есть слабые места.
Например, у ЭЭГ между электродами на голове и нейронами в мозге не просто ткани, а череп. А кость плохо проводит ток. И у метода низкое пространственное разрешение: крохотный участок, в котором «зарождается» эпилептический припадок, он не обнаружит.
Функциональное МРТ (фМРТ) показывает работу органов и тканей. Но метод фиксирует секундные процессы, а нейроны взаимодействуют на сверхскоростях в десятки миллисекунд.
С помощью ПЭТ можно исследовать химию мозга (например, распределение нейромедиаторов), но метод щадящим не назовешь — его и применяют сейчас в основном для диагностики и терапии в онкологии.
Конечно, высочайшей чувствительности датчиков можно добиться, если они непосредственно контактируют с органом. В начале этого года в США компания Илона Маска Neuralink начала клинические испытания нейрочипа, имплантированного в головной мозг молодого мужчины с парализованными руками и ногами. Сенсоры показали достаточную чувствительность, чтобы пациент смог «силой мысли» управлять курсором на экране компьютера.
Однако соединение человека и машины происходит не без сложностей: мозг «изолировал» часть электродов как чужеродные элементы, нарастив на них особые клетки. И тем самым притупил чувствительность. Так что нужно искать более биосовместимые материалы, чтобы вживленные электроды хотя бы не приходилось часто менять.
Из неинвазивных методов нейровизуализации сейчас передовой — магнитная энцефалография, МЭГ, отмечает Максим Острась. Устройство считывает работу нейронов, но не электрическую ее компоненту, а магнитную: у нее хорошее пространственное и временное разрешение, нет излучения.
Основное препятствие — в том, что эти магнитные поля «зашумляет» магнитное поле Земли, оно сильнее в десять миллиардов раз. Тут‑то и нужна сверхчувствительность квантовых датчиков.
Технологии есть. Есть даже коммерческие продукты. Но крайне дорогие (их в мире едва ли не единицы) либо требующие охлаждения.
В Российском квантовом центре создали квантовый датчик на основе пленки из железо-иттриевого граната, работающий при комнатной температуре. Он уже показал чувствительность в тысячу раз выше, чем оборудование, которое сейчас применяется в медицине.
Устройство, над которым сейчас работают ученые, позволит удешевить стоимость «квантовой» магнитоэнцефалографии в десятки раз, говорит Максим Острась.
Читайте также:
Научный прорыв: в России завершены исследования персонализированной вакцины от рака
Запомнить все штаммы. Учёные разработали вакцину против ротавирусных инфекций
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 3 (7825) от 14.01.2025 под заголовком «Квантовый скачок».
Комментарии