利用磁共振成像(MRI)追踪肿瘤细胞的代谢目前在常规临床环境中还不可行。现在，包括慕尼黑工业大学 (TUM) 在内的跨学科研究团队正在努力推进基于量子的超极化器的开发，以便将其部署在临床应用中。目标是显著改善代谢过程的 MRI 成像，例如，允许更早、更准确地评估肿瘤，以及改善肿瘤治疗的选择和监测。

量子力学描述了最小尺度的物理现象——在分子、原子、原子核甚至更小的单位领域。在今年的诺贝尔物理学奖授予三位科学家以表彰他们在该领域的工作之前，使用量子计算或量子传感器等量子技术彻底改变我们日常生活的各个领域的动力就已经出现了。那么，量子技术如何应用​​于医学领域？

代谢成像使代谢过程可见

通过可视化患病细胞和健康细胞中的代谢过程，可以促进早期检测癌细胞、更精确地评​​估它们以及更快地评估治疗效果。这被称为代谢成像。为此，将诊断相关分子注入体内并监测其新陈代谢。

一种方法是使用正电子发射断层扫描 (PET)。然而，这种方法需要放射性物质，无法区分代谢过程中的初始产物和终产物。另一方面，磁共振成像 (MRI) 允许在不使用放射性物质的情况下对各种代谢物进行代谢成像。尽管只有当注入分子的 MRI 信号被放大到足以使其可检测时。尽管最初的患者研究显示了 MRI 代谢成像的巨大潜力，但迄今为止部署的信号放大技术非常昂贵、不够稳健或速度慢。到目前为止，这阻止了这些技术在临床环境中的常规部署。

“用量子技术彻底改变癌症成像”项目（QuE-MRI）的跨学科研究团队现在正在开发一种新的解决方案：量子超极化器利用量子物理定律将MRI中代谢分子的信号放大到10万倍。

用量子力学定律成像

普通 MRI 机器的技术利用了与自旋或角动量相关的原子核的量子力学特性。每个核自旋都会产生一个磁矩，这与罗盘针的偶极磁铁没什么不同。

核自旋的排列决定了原子核整体磁矩的强度。这反过来又决定了用于磁共振成像的信号强度。当磁矩的方向分布是随机的时，它们相互抵消，MRI 机器检测不到信号。当核自旋的磁矩指向同一方向时，会获得最强的信号，从而产生最大的有效磁化强度。

MRI 使用非常强的磁场使这成为可能。尽管如此，核自旋的磁矩几乎是随机分布的，因此只有很低的有效磁化强度。超极化技术将核自旋的有效磁化提高了 10,000 到 100,000 倍，从而显著提高了 MRI 的灵敏度。

诊断相关代谢分子的超极化

然而，在实践中诱导代谢分子的原子核进入超极化状态是困难的。因此，研究人员使用一种基于氢的特殊磁性状态（称为仲氢）的中间步骤。这可以在低温下使用已知方法用液氮生产并储存在气瓶中。

仲氢的特性也建立在量子力学定律的基础上。虽然仲氢本身是磁屏蔽的并且无法使用磁共振方法测量，但它的自旋配置可以使其他原子核超极化，从而增加它们在 MRI 中的可见性。

使用这种方法，研究人员使对研究代谢过程很重要的分子超极化。丙酮酸，例如，一种被肿瘤加工成乳酸的代谢产物，特别适用于诊断目的。研究人员将仲氢对接到超极化器中的丙酮酸上，并利用其自旋构型在使用无线电波的磁场中超极化丙酮酸的碳原子。来自丙酮酸的信号因此在 MRI 中得到增强，从而使相应的代谢过程以时间分辨率可视化。

项目合作伙伴已经开发出超极化器的功能原型。在 QuE-MRI 项目中，医学、物理、化学和工程领域的研究人员、医生、工业合作伙伴和开发人员现在正在密切合作，以优化这些原型，以便超极化器可以在临床上大规模部署。此外，项目团队计划在癌症诊断的初步临床试验中验证非侵入性和非放射性技术。

原文链接：https://indiaeducationdiary.in/technical-university-of-munich-quantum-technology-for-cancer-imaging/

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