量子技术：现代医学不可或缺的利器
Pierre Henriquet
核物理学博士、瞰创新专栏撰稿人
量子物理学，看似深奥而遥远，却在我们的日常生活和现代医学中扮演着无可替代的角色。从激光手术刀到核物理技术人体检查，再到反物质检测癌症，这些技术的奇迹都源自对微观世界法则的精准理解。光的奇迹如何成就医学中的高精度工具？超导体如何引领MRI技术的革新？而量子物理学如何以人体内的微小变化揭示癌症的位置？让我们一起揭开这些微观世界的奇妙面纱，探寻量子科学如何捍卫人类健康的奥秘。
大量的现代医学治疗和成像技术得益于量子物理学的发展。
量子力学的发展推动了激光的发明，激光在在眼科和皮肤科等领域发挥着巨大的作用。
正是由于量子物理学对电磁场中原子核行为的深入研究，才有了如今的核磁共振成像技术。
核磁共振成像设备需要超导体。在宏观世界中，超导体是少数仍能体现纯量子规律的物质。
用于定位人体癌细胞位置的PET检查，使用的是粒子物理学原理。
量子物理学的研究对象是原子和更小粒子的行为。掌握量子物理学，理论上就能推断出微观乃至宏观物质的基本物理规律，甚至人体也不在话下！毕竟人体也是由原子和分子组成的大型、高度复杂集合体，同样该遵守微观世界的法则。在现代医学中，量子物理学占据着举足轻重的地位。今天，让我们看看微观世界的规律是如何捍卫人类健康的！
01
激光手术刀
说来可能让人惊讶，但光其实是现代医学中最高精度的工具之一。当然，这说的可不是普通的光，而是一束经过完美校准的激光光束：所有的光子具有相同的能量，所有的光波彼此之间完全相干。
根据量子力学，原子具有特定的一套能级，通常这些能级是分立的，原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出，这些光子的光学特性高度一致，于是便形成了激光。
激光的原理早在1917年便由爱因斯坦提出。1960年，激光技术走向成熟，随后立即在眼科（1961年）和皮肤病学（1963年）中得到应用。今天，激光用于治疗视网膜脱落、处理伤口、清除微小癌性肿瘤、精确切割和研磨角膜、进行治疗牙龈疾病的手术等，还能洗纹身、抗皱、脱毛……
02
核物理技术人体检查
MRI（核磁共振成像）是目前最广泛使用的成像技术之一，其基本原理是将氢原子核置于强磁场中，观察其行为。为什么要选择氢原子核？因为氢是水（H2O）的主要成分，而水占人类总质量的60%左右，没几种生物分子完全不含氢。
MRI的具体原理如下：氢原子核是单个质子，可以将其视为一个个微小的磁体。在正常情况下，人体没有被磁化，体内的每个氢原子核的自旋方向是随机的。
图片来源：PI France
MRI的第一步是让患者进入一个极强的磁场中（大约等于地球自然磁场强度的3万倍），在磁场的作用下，体内原来杂乱无章的质子会统一按外磁场方向排列。在主磁场的基础上，仪器又会施加一个射频脉冲（radiofrequency pulse），打破先前的平衡。当质子回到初始状态时，就能检测到它们发射回来的RF波。
由于不同人体组织的物理特性不同，质子不会以相同的速度返回到初始状态，由此便可在成像中区分各个组织，呈现身体的3D图像。如果没有量子物理学、不掌握电磁场中原子核行为的规律，这种先进的体外成像技术就不可能实现。
03
物质的状态
极罕见的物质状态，是世界各地的基础研究实验室的研究对象，也是未来医学成像发展所必需。
“在宏观世界中，超导体是少数仍能体现纯量子规律的物质。”
MRI使用的是极强烈的磁场；强度越强，磁化态恢复到初始平衡时发出的信号就越强，生成的图像质量就越高。如果用传统的电磁铁来产生MRI所需的强磁场，强电流发出的热量会将人体瞬间融化。
为了克服这个问题，MRI设备中使用的是电阻为零的“超导磁体”：不会因电流而发热，即使强电流长时间通过也不会有危险，就算电源被切断也不会有任何电流损失。
图片来源：PI France
在宏观世界中，超导体是少数仍能体现纯量子规律的物质。超导体中的电子就像单一的超流体，流动时没有任何阻力。超导元件也可以用于脑磁图技术，在体外以非侵入性的方式实时记录大脑的活动电波。
04
反物质检测癌症
怎么使用医学技术发现人体内的癌变部位、检测癌症的发展呢？这个问题的突破点是癌细胞的高活性。癌细胞总是在疯狂分裂，消耗大量能量，即糖类物质。
在做PET检查前，患者要服用放射性标记的糖，每个糖分子上都附着一个放射性原子（例如氟18），衰变时会发射反电子（也称为正电子）。
“通过追溯伽马射线的轨迹，可以找到物质—反物质湮灭现象发生的位置，从而确认癌症肿瘤的位置。”
患者摄入的糖会积累在体内消耗大量能量的地方（那里一般就是肿瘤区域），并发射反电子，当它们与周围物质的“正常”电子接触时，会湮灭并产生能穿过身体、能在体外检测到的伽马射线。通过追溯伽马射线的轨迹，可以找到物质—反物质湮灭现象发生的位置，从而确认癌症肿瘤的位置。这种方案十分巧妙，但与MRI类似，如果人类不掌握相关的粒子物理学知识，PET技术就不可能实现了。
图片来源：PI France
量子物理学是人类日常生活中不可或缺的一部分，在医学领域中的广泛应用是大势所趋。没有量子物理学，就没有许多先进治疗手段和成像技术。大家千万不要以为量子物理学、粒子物理学和核物理只不过是实验室里的研究课题——这些学科的实际应用每天都在拯救成千上万人的生命。
作者
Pierre Henriquet
编辑
Meister Xia
