Чувствительный квант: как квантовые сенсоры применяют в медицине

Квантовые сенсоры — высокоточные измерительные приборы, работа которых построена на эффектах квантовой механики. Они отличаются крайне высокой чувствительностью, благодаря чему способны делать измерения, недоступные классическим датчикам.

В 2022 году объем мирового рынка квантовых сенсоров превысил $278 млрд и, по прогнозам аналитиков, за следующие 10 лет должен вырасти еще в три раза. Такие устройства используются в автомобилестроении, здравоохранении, промышленности, геологии, транспортной отрасли, компьютерной разработке и многих других сферах. Например, квантовый гравиметр — разработка Бирмингемского университета — может помочь геологам в поиске месторождений нефти и других полезных ископаемых. Принцип его действия основан на «холодных» атомах: их температура понижается до показателей, близких к абсолютному нулю, что дает им способность фиксировать даже еле заметные изменения силы тяжести. Это позволяет обнаруживать под землей опасные пустоты, которые могут привести к аварийной ситуации в шахте. В перспективе гравиметр может использоваться при строительстве и для мониторинга грузоперевозок.

Но по-настоящему бесценный вклад квантовая сенсорика может привнести в медицину. Благодаря своей чувствительности датчики способны зафиксировать первые сигналы заболевания еще до того, как их можно будет «поймать» другими методами диагностики. А выявление болезни на ранней стадии — один из главных факторов успешного лечения.

Магнитные сигналы

Одно из основных направлений применения квантовых сенсоров в медицине — магнитоэнцефалография. Эта процедура позволяет изучать состояние мозга через измерение магнитных полей, которые возникают в ходе его электрической активности.

Большинство современных методов диагностики заболеваний мозга фиксируют не магнитные, а электрические компоненты — например, по этому принципу работает электроэнцефалография. Но эта процедура не дает полной информации: датчикам приходится ловить сигнал сквозь череп и ткани, а тело человека — плохой проводник электрических полей.

С магнитными полями все по-другому: магнитный сигнал из участка мозга проходит сквозь ткани в неизменном состоянии, так что мы можем получить от него больший объем данных. Сложность в том, что магнитные поля нашего мозга сложно уловить, поскольку их мощность крайне мала: в 10 млрд раз меньше, чем у Земли. Для этого нужны очень чувствительные приборы — такие, как квантовые сенсоры. Фиксируя эти маленькие магнитные поля, сенсоры дают возможность диагностировать различные мозговые опухоли, синдром Альцгеймера или эпилепсию.

Так, запуск эпилептического процесса начинается с крохотного участка на коре головного мозга. С помощью ЭЭГ и МРТ найти очаг очень сложно, зато квантовым сенсорам такая задача вполне под силу. Это особенно важно, когда пациенту предстоит операция, и нужно максимально точно найти участок, который предстоит удалить.

Квантовые сенсоры для сверхчувствительного магнитоэнцефалографа уже существуют, а в 2021 году команда QLU с учеными из Сколтеха и НИУ ВШЭ разработала их новый тип — первый в мире твердотельный сверхчувствительный магнитометр, который может работать при комнатной температуре. Годом позже QLU привлекла 33 млн рублей инвестиций на масштабирование системы и создание первого лабораторного прототипа.

Адресная доставка

Еще одна область медицины, где могут использоваться квантовые сенсоры, — диагностика и терапия онкологических заболеваний. Над одним из таких методов QLU сейчас работает вместе с лабораторией материалов Глеба Сухорукова. Лаборатория создает микрокапсулы — своего рода контейнеры, которые можно наполнить лекарственным препаратом и ввести его в кровеносную систему. За счет специального биологического покрытия они могут локализовываться в зонах воспалений и онкологии. Мы хотим поместить в эти контейнеры магнитные наночастицы — тогда помощью квантовых сенсоров можно будет увидеть, где эти частицы локализовались, и тем самым выявить опухоль на раннем этапе, а это в разы повысит шансы на успешный исход болезни. Сенсоры уже подтвердили свою эффективность для отслеживания магнитных частиц: недавно в QLU успешно прошли испытания на лабораторных мышах, которым ввели наночастицы и смогли увидеть их распределение по телу.

Этот метод может быть полезен не только для диагностики, но и в терапии. Так, осложнения в онкологии часто происходят от последствий химиотерапии, где используются очень токсические вещества. Если же наночастицы связать с капсулой, содержащей лекарство, его можно будет удаленно ввести в опухоль. Когда капсула присоединится к раковым клеткам, мы увидим это, откроем контейнер с помощью сфокусированного ультразвука или воздействия магнитного поля, и тем самым высвободим лекарство. Так оно будет адресно доставляться к раковым клеткам и воздействовать на них точечно, не отравляя весь организм.

От реабилитации до интернета вещей

Потенциал квантовой сенсорики заключает в себе огромные возможности для ее применения. Так, квантовые сенсоры могут помочь в реабилитации пациентов, перенесших инсульт. Чтобы компенсировать функции, за которые отвечали погибшие зоны мозговой коры, например, способность управлять конечностями, — нужно активировать новые участки. И здесь большую роль играют высокочувствительные датчики. Например, человек представляет, что шевелит рукой, а мы в это время активируем конечность с помощью особого устройства. Мозг начинает выстраивать новые нейронные связи. Для обычной электроэнцефалографии это очень долгая и сложная задача, зато с квантовыми датчиками она становится выполнимой. А в будущем связь между сигналами мозга и движением конечностей может использоваться в управлении протезами.

Другое перспективное направление квантовой сенсорики — мониторинг биологических процессов внутри клетки. Для этого нужно внедрить датчик в саму клетку. Но чтобы не навредить ее работе, датчик должен быть микроскопического размера, и именно такие габариты имеют некоторые виды квантовых сенсоров.

Вне медицины квантовые сенсоры могут найти свое применение в промышленном интернете вещей, в новом поколении технологий навигации, изучения процессов в земной коре, например, мониторинге землетрясений, и во многих других сферах.

Читать далее:

Клад с 1 000 монетами случайно нашли на ферме: что на них можно было купить

Назван витамин, который защищает мозг от слабоумия

Выяснилось, какие мужчины наиболее плодовиты: их сперма на 50% лучше, чем у остальных