В фотоновом режиме: ученые повысят точность томографов на квантовом уровне

Российские ученые получили новые данные о поведении фотонов при рассеивании. Регистрация положения этих частиц света используется при проведении позитронно-эмиссионной томографии для определения точного положения раковых опухолей. Результат экспериментов позволит избежать ошибок при подавлении шумов на томографических снимках и создать более совершенные методы визуализации внутренних органов пациентов. По словам экспертов, борьба с искажениями на КТ сегодня стала одним из основных направлений развития этой технологии. Полученные данные открывают путь к созданию позитронно-эмиссионного томографа нового поколения.

Фотоны для диагностики раковых опухолей

Ученые Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) получили неожиданные результаты экспериментов о поведении фотонов при так называемом комптоновском рассеянии — одной из основных форм взаимодействия фотонов. Частицы света регистрируются при проведении позитронно-эмиссионный томографии (ПЭТ) для точного определения местоположения раковых опухолей, поэтому новые фундаментальные данные позволят избежать ошибок во время диагностики, а также помогу создать ПЭТ-аппараты нового поколения.

Эффектом Комптона называют рассеяние фотона заряженной частицей, чаще всего электроном. Ранее считалось, что при этом теряется квантовая запутанность, то есть способность частиц находиться в нескольких состояниях одновременно. Однако исследования на специальной установки показали, что она практически полностью сохраняется.

— Согласно результатам, которые мы получили на установке в ИЯИ РАН, квантовая запутанность сохраняется практически полностью даже при значительных углах рассеяния. Это открытие ставит под сомнение существующие представления о взаимодействии фотонов и открывает новые возможности для создания ПЭТ-аппарата нового поколения, — рассказал один из авторов исследования, ассистент кафедры общей физики МФТИ Султан Мусин.

Томограф нового поколения

В современных ПЭТ-аппаратах регистрируются пары фотонов, возникающие в процессе аннигиляции. Эти данные используются для точного определение местоположения опухоли. Однако рассеяние фотонов при взаимодействии с окружающими тканями искажает информацию, создавая шум и снижая четкость изображений. Проведенное исследование ставит под сомнение применяемые сейчас методы фильтрации этих шумов и открывает возможность создания новых, более точных подходов.

— Наши результаты показали, что запутанные состояния аннигиляционных фотонов не коллапсируют до сепарабельных, как считалось ранее. Это открытие не только меняет представления о квантовой запутанности, но и представляет собой вызов для дальнейшего развития квантовых технологий в области медицинской визуализации, — добавил Султан Мусин.

По мнению специалистов в области визуальных методов диагностики, любые исследования, которые дают ученым новые знания, связанные с подавлением шумов при КТ, играют важную роль в получении более точных снимков и, соответственно, в правильном понимании расположения опухолей в организме пациента.

— Во всех методах медицинской диагностики, как лучевой, так и нелучевой, борьба с шумами — один из основных векторов развития технологии. Новые данные могут повысить точность томографии, которая сегодня считается золотым стандартом. Избавление от шумов очень важно, когда снимки анализирует специалист, а не нейронная сеть, так как при низком качестве диагност может что-то пропустить. Организм человека — сильно рассевающая свет среда, поэтому снижение шумов увеличит информативность снимков, — сказал доцент института биомедицинских систем НИУ МИЭТ Иван Пьянов.

Явление квантовой запутанности представляет собой один из фундаментальных ресурсов квантовых технологий, пояснил «Известиям» научный руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова профессор Сергей Кулик.

— Это свойство используется во многих практических приложениях квантовых технологий — при построении систем квантовой связи, в квантовых вычислительных устройствах и в высокочувствительных квантовых сенсорах. Обсуждаемый в работе эффект может иметь прямое отношение к созданию нового поколения ПЭТ, однако требует дальнейшего изучения именно в смысле диагностических применений в медицине, биологии и при восстановлении изображений объектов в условиях рассеивающей среды, — сказал Сергей Кулик.

По мнению заведующего лабораторией анализа показателей здоровья населения и цифровизации здравоохранения МФТИ Станислава Отставнова, необходимо технически проработать методику создания устройств, которые смогут применять обнаруженный эффект. Пока не будут созданы томографы нового поколения, бессмысленно говорить о каких-то прикладных достижениях. При этом стоит наладить массовое производство и внедрение подобных устройств, подчеркнул эксперт.