От машин магнитно-резонансной томографии до ультрасовременного квантового компьютера, находящегося в разработке, исследователи изучают потенциальные применения двух сверхпроводящих технологий, чтобы произвести революцию в медицинской визуализации. Исследователи планируют изучить новый метод анализа МРТ-сканов в рамках нового партнёрства между Центром сверхпроводящих квантовых материалов и систем, расположенным в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, и Нью-Йоркским университетом Langone Health. Это первое партнёрство с центром SQMS, которое будет напрямую способствовать развитию здравоохранения.

Когда врачи анализируют снимки МРТ — один из наиболее распространённых методов медицинской визуализации, используемых для создания изображений органов и тканей в теле пациента, — они используют свои знания о человеческом теле и опыт интерпретации изображений МРТ для диагностики заболеваний или назначения лечения. пациенты.

Ученые в области медицинской визуализации сейчас находятся в поиске достижения количественной МРТ или qMRI. Этот инновационный процесс будет включать компьютеры, работающие вместе с врачами, чтобы помочь идентифицировать и охарактеризовать ткани, чтобы дополнить интерпретацию изображений врачами.

Затем добавьте к уравнению квантовые вычисления.

Когда квантовые компьютеры будут полностью реализованы, они обеспечат огромное увеличение вычислительной мощности. Алгоритмы, которые эти компьютеры следующего поколения будут использовать для выполнения расчетов, могут значительно улучшить qMRI и облегчить ее внедрение в клиническую практику. Если это будет сделано, qMRI даст врачам мощный инструмент для лечения пациентов. Тогда у врачей будет возможность сравнивать МРТ-сканы в количественном отношении, а не просто смотреть на МРТ-изображения. Полагаясь на количественные параметры вместо несоответствий в контрасте изображений МРТ, медицинские работники и исследователи могут использовать статистику и выполнять машинное обучение для МРТ-сканирований.

Как работает аппарат МРТ

Представьте: солнечный день на озере Мичиган, и множество парусников стоят в воде, глядя в разные стороны. Внезапно над озером дует сильный порыв ветра, подхватывая паруса и ориентируя лодки в одном направлении. Эти лодки подобны протонам, частицам, находящимся в ядрах атомов. Протоны обладают свойством, называемым магнитным моментом, что означает, что они действуют как крошечные стержневые магниты с магнитным полем, направленным в определенном направлении.

С помощью мощного магнита аппарат МРТ, подобно сильному порыву ветра, выравнивает магнитный момент протонов в теле пациента в одном направлении. Специалисты МРТ отталкивают протоны от магнитного поля с помощью радиочастотных импульсов. Когда магнитные моменты протонов переориентируются в сторону магнитного поля МРТ, они высвобождают электромагнитную энергию, которую аппарат обнаруживает и использует для создания изображения.

«Мы рассчитываем продемонстрировать, что квантовые вычисления могут привести к более быстрым и комплексным подходам к извлечению соответствующей биофизической информации из МРТ для улучшения клинических диагнозов».
– Риккардо Латтанци, доцент радиологии Медицинской школы Гроссмана при Нью-Йоркском университете.

До 60% человеческого тела составляет вода, которая неравномерно сконцентрирована в тканях тела, поэтому аппараты МРТ обычно нацеливаются на протоны водорода в молекулах воды, чтобы разные ткани различались по яркости друг от друга, что приводит к детальному черно-белому изображению. изображение внутренней части тела пациента.

«Один из методов определения биофизических свойств тканей человека с помощью МРТ известен как магнитно-резонансная дактилоскопия и является активной областью исследований в Лангоне при Нью-Йоркском университете», — сказал Риккардо Латтанзи, доцент кафедры радиологии Медицинской школы имени Гроссмана при Нью-Йоркском университете и главный исследователь в этой области. партнерство. «В этом методе данные МРТ используются как «отпечатки пальцев», чтобы определить свойства подлежащих тканей, которые «виновны» в наблюдаемом поведении сигнала МРТ». Наряду с содержанием воды другие свойства помогают создать контраст между тканями тела на МРТ.

Исследования в области квантовых вычислений для здравоохранения

Используя данные с аппарата МРТ и информацию, хранящуюся в вокселах или 3D-пикселях изображения МРТ, врачи смогут измерять эти свойства для оценки и мониторинга состояния здоровья пациента в ходе нескольких сканирований. Квантовые вычисления могут ускорить эти измерения и могут генерировать более точные симуляции сигнала МРТ, чтобы раскрыть основные свойства, лежащие в основе отпечатков данных МРТ.

«Используя стандартные методы для выполнения этих симуляций, ученые могут моделировать только упрощенные биофизические модели, но квантовые вычисления могут позволить проводить расчеты, учитывающие химический обмен между многими молекулами. Это открывает двери для более точной оценки свойств человеческого тела», — сказал Латтанци.

Исследовательское сотрудничество между NYU Langone и SQMS предлагается в качестве пилотной программы, в которой участвуют по два молодых исследователя из каждого учреждения. Затем эти исследователи разработают алгоритмы, которые будут использоваться в будущих квантовых компьютерах SQMS для точной и быстрой оценки множественных свойств тканей на основе МРТ-сканирования.

«В этой пилотной программе мы хотим изучить использование квантовых алгоритмов для оптимизации количественной МРТ», — сказал Латтанци. «Мы рассчитываем продемонстрировать, что квантовые вычисления могут привести к более быстрым и комплексным подходам к извлечению соответствующей биофизической информации из МРТ для улучшения клинических диагнозов. Квантовые компьютеры становятся все более реальной реальностью, и мы хотим быть готовыми использовать весь их потенциал».

Учреждение SQMS Fermilab ведёт передовые исследования сверхпроводников или материалов, которые теряют свое электрическое сопротивление при достаточном охлаждении. Это свойство делает их идеальными для создания сверхпроводящих радиочастотных резонаторов для ускорения частиц в ускорителях частиц, а теперь и для создания квантового компьютера.

Фермилаб была выбрана для размещения одного из пяти национальных центров исследований квантовой информации Министерства энергетики США в рамках Закона о национальной квантовой инициативе для разработки квантового компьютера на основе сверхпроводниковой технологии благодаря ее опыту в области сверхпроводников, используемых для ускорителей частиц. Нью-Йоркский университет получил одобрение Управления науки Министерства энергетики США на членство в Центре SQMS. Начало сотрудничества ожидает окончательного утверждения официального соглашения между Нью-Йоркским университетом и Fermi Research Alliance, LLC.

«SQMS делает важные успехи в квантовых вычислениях на основе сверхпроводимости, включая разработку квантового процессора на основе 3D на основе резонаторов SRF. Работа с NYU Langone над приложением МРТ окажет большое влияние на медицину и общество и поможет нашим экспертам по технологиям уточнить архитектурные детали наших компьютеров SRF на основе 3D», — сказала Анна Грасселино, директор SQMS. «Мы рады приветствовать Нью-Йоркский университет и профессора Латтанци в SQMS. Знания, которые Латтанци привносит в сотрудничество, являются мощным продолжением использования сверхпроводящих технологий».

Источник