日本大学量子科学研究所的井上修一郎教授和庆应义塾大学医学部先端医学研究所的研究团队发表研究成果称，通过将量子脉冲门技术应用于光脉冲的时间分辨测量，开发出了超高灵敏度的光学断层成像方法。该成像方法为利用微弱光照射以非接触、非侵入性方式实现生物体深部可视化的技术，有望作为新型医疗成像设备用于医疗诊断等用途。相关成果已刊登在国际学术杂志《Scientific Reports》2023年11月29日号上。
图1 灌注固定的小鼠大脑（a）和断层图像（b、c、d）（供图：日本大学）
光学相干断层成像（OCT）技术使用低相干光照射样品，并通过样品内部的反射光与参考光之间的干涉获得断层图像，该技术在许多领域都有广泛需求。
此次，研究团队没有像OCT那样利用与参考光的干涉来获取断层结构信息，而是对样品内部的反射光进行了时间分辨测量。首先使用和频生成（SFG）来检测光脉冲。SFG利用二级非线性光学现象将反射光脉冲的频率转换为更高的频率。然后将反射光脉冲和泵浦光脉冲同时发射到非线性光学晶体上，生成由2个光脉冲结合得到的第3个更高频率的光脉冲。
这样就可以从泵浦光脉冲的时间延迟中获得光脉冲在样品内部的反射位置信息，并从该信息和检测到的光强度（光子数）信息中获得样品的断层图像。
为了获得高分辨率的图像，此次使用了为去除在生物体内一次反射后返回的光脉冲（信号）和同时到达且在生物体内多次散射后返回的光脉冲（背景噪声）的量子脉冲门（QPG）。
通过使用单光子探测器检测QPG输出，实现了远高于OCT的信号检测灵敏度。
研究团队使用小鼠大脑作为生物样本，成功实现了生物体深部的可视化。使用1.5mW的探测光强度实现了111dB的信号检测灵敏度，并证实与使用1700nm波段SC光作为光源的OCT的穿透深度相当。
井上教授表示：“我们一直在开发光通信波段中单光子探测器，并尝试将其应用于量子通信。此次是第一次使用生物样本进行实验，因此在检测到小鼠大脑内部的反射光时，团队成员感到非常高兴。今后，我们将对活体阿尔茨海默病模型小鼠的大脑进行断层扫描，并观察阿尔茨海默病的致病因素之一β-淀粉样蛋白随时间推移积累的情况。希望由此促进痴呆症发病机制的阐明以及新治疗方法和药物的开发。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Scientific Reports
论文：Quantum optical tomography based on time-resolved and mode-selective single-photon detection byfemtosecond up-conversion.
URL：www.nature.com/articles/s41598-023-48270-7
