Output / Beachtenswert
Ein raffinierter Ansatz für Quantenanwendungen in der Medizin
Im Rahmen des Seminars "Quantum Social Lab: Art-Driven Innovation with Quantum Technologies" in Zusammenarbeit mit XPANSE entwickelten Studierende verschiedener Fachrichtungen Projekte, die Herausforderungen im Bereich der Quantentechnologien aufzeigten und in Kunstprojekte umsetzten. Ein Projekt wurde ausgewählt, um Teil von XPANSE zu werden. Der diesjährige Gewinnerbeitrag war das „Medical Quantum Wonderland“, eine von Alice im Wunderland inspirierte Installation, die auf spielerische Weise vermittelt, wie Quanteneigenschaften für die Tumorerkennung genutzt werden können, und eine breitere Vision von Quantenanwendungen für die Zukunft der Medizin schafft.
Few would deny that healthcare is fundamental to the existence of us all. Advances in medicine and healthcare are therefore not only essential for the well-being of individuals, but also a direct prerequisite of societal progress. Quantum technologies have and will play a major role in this process. Our Medical Quantum Wonderland offers an artful way to learn how quantum properties are already employed in medical diagnostics and what current research proposes to further improve this. Immerse yourself in our interactive exhibition and join us for our fight against the malignant Queen of Hearts. At the end, we encourage you to take a peek through the looking glass and reflect upon possible futures of quantum medicine with us.
Don't be afraid to turn mad, all the best people are!
Welcome to the Rabbit Hole
XPANSE 2024 bietet uns die einmalige Gelegenheit, unsere kunstvollen Erkundungen der Quantentechnologie in der Magnetresonanztomographie (MRT) für die Krebsdiagnostik zu präsentieren. Wir laden die Besucher ein, sich mit uns auf eine interaktive Suche nach der Herzkönigin zu begeben, einer Allegorie für einen bösartigen Tumor.
Spin und MRI der 1. Generation
Der Spin ist eine Quanteneigenschaft von Teilchen, die mit einem winzigen Magnetfeld vergleichbar ist und die Teilchen dazu veranlasst, mit externen Magnetfeldern zu interagieren. Bei der MRT macht man sich diese Eigenschaft zunutze, indem man die Spins von Teilchen in verschiedenen Körpergeweben mit Hilfe eines starken Magnetfelds ausrichtet. Wenn die magnetischen Momente dieser Spins ausgerichtet sind, erzeugen sie ein kollektives magnetisches Moment, wodurch die vom MRT erfasste Signalstärke maximiert wird. Durch die Einwirkung von Hochfrequenzimpulsen werden diese Spins angeregt, und wenn sie wieder in ihren ausgerichteten Zustand zurückkehren (Relaxation), geben sie Energie in den verschiedenen Geweben in unterschiedlicher Geschwindigkeit ab. Durch die Messung dieser unterschiedlichen Anregungs- und Relaxationszeiten erzeugt die MRT einen Kontrast zwischen den Geweben und ermöglicht eine detaillierte Darstellung der inneren Strukturen des Körpers (vgl. Technische Universität München, 2022).
Zwischen den Sphären
Das Rabbithole dient als Erkundungsraum, in dem die Besucher die Quantenbasis der MRT aus erster Hand erfahren können. Am anderen Ende des Raums warten hängende Kugeln mit magnetischen Teilchen darauf, von den Besuchern angeregt und ausgerichtet zu werden. Anstelle von automatischen Hochfrequenzimpulsen können die Besucher das externe Magnetfeld selbst erzeugen, indem sie Magnete an die Kugeln halten.
Im Mittelpunkt dieses ersten Teils unserer Ausstellung stehen drei Zaubertränke, aus denen die Besucher wählen sollen. Jeder dieser Zaubertränke steht für einen anderen Stand des Fortschritts in der diagnostischen Bildgebung. Sie versprechen also unterschiedlich viel Erfolg bei der Erkennung von bösartigem Gewebe und damit im Kampf gegen die Herzkönigin. Die stärkste Waffe ist der Goldene Trank. Auf der Suche nach diesem Trank können sich die Besucher auf eine multisensorische Erfahrung stützen. Während ausgerichtete Partikel am Boden der Tränke Unterschiede in der Bildauflösung zeigen, werden diese Unterschiede in der Signalschärfe durch Audioschnipsel widergespiegelt. Die Besucher können diese über Knöpfe neben den entsprechenden Tränken abspielen, wodurch entweder ein verwirrendes Geräusch, eine von einem Orchester gespielte Melodie oder eine von einem einzelnen Instrument gespielte Melodie ausgelöst wird. Nachdem sie ihre Wahl getroffen haben, laden wir die Besucher ein, die Konsequenzen ihrer Entscheidung für unsere gemeinsame Mission gegen die Herzkönigin zu entdecken.
Neugieriges Erwachen
Willkommen zum Kuriosen Erwachen. In diesem zweiten Teil unserer Ausstellung geht es darum, Klarheit zu schaffen. Die Besucher können erforschen, wie gut der von ihnen gewählte Trank/die Technologie bösartiges Gewebe erkennen kann. Anschließend laden wir alle ein, an der Gestaltung unserer einzigartigen XPANSE Quantum Cheshire Cat mitzuwirken.
Der goldene Trank: Parahydrogen
Tumore sind mit der klassischen MRT der 1. Generation manchmal nur schwer zu erkennen, da sie eine schwache Spin-Ausrichtung und damit eine begrenzte Signalstärke aufweisen. Um dies zu überwinden, haben Forscher eine Technik namens Hyperpolarisation entwickelt, die gemeinhin als MRT der 2. Generation bezeichnet wird und eine Eigenschaft von bösartigem Gewebe ausnutzt. Tumore brauchen viel Energie, um zu überleben, verbrauchen große Mengen Pyruvat und wandeln es in Laktat um. Diese Stoffwechselaktivität kann durch Hyperpolarisation mit Parawasserstoff nachgewiesen werden. Die besondere magnetische Form der einzigartigen Spin-Konfiguration des Wasserstoffs kann auf die Kohlenstoff-13-Atome im Pyruvat übertragen werden. Dadurch wird das MRI-Signal von Pyruvat und seinem Laktatprodukt erheblich verstärkt. Die Hyperpolarisierung mit Parawasserstoff liefert einen starken „Quantenboost“, der es der MRT ermöglicht, Tumore mit beispielloser Klarheit zu lokalisieren und zu überwachen, was zu einer effektiven Diagnose und gezielten Behandlung von bösartigem Gewebe beiträgt (vgl. Technische Universität München, 2022).
Ein Blick hinter den Schleier
Die Herzkönigin ist eine gerissene Gegnerin, weshalb es schwierig ist, ihr mit konventionellen Strategien entgegenzutreten. Unsere riesige Mauer der Wahrheit verdeutlicht dies. Die verschiedenen Tränke repräsentieren keine MRT-Technologie, MRT der 1. Generation bzw. MRT der 2. Generation mit Parawasserstoff. Während die ersten beiden entweder ein sehr unscharfes Bild oder eine bloße Darstellung des Gehirns liefern, kann man mit dem letzten auch einen Tumor inmitten des gesunden Gewebes erkennen. Parawasserstoff ist der goldene Zaubertrank, der den notwendigen Quantenschub enthält, um der Herzkönigin gegenüberzutreten.
Bei XPANSE wollen wir die gemeinsame Anstrengung unserer Besucher einfangen, indem wir unsere Quantum Cheshire Cat zum Leben erwecken, die ein wichtiger Verbündeter im Kampf gegen die Herzkönigin ist. Je nachdem, welchen Trank sie im Rabbithole gewählt haben, ziehen die Besucher farbige Wattebällchen aus entsprechenden Tütchen und heften sie an die Katzenstatue. Unsere Quantum Cheshire Cat wird so zu einem einzigartigen Kunstwerk, das unseren gemeinsamen Erfolg bei der Entlarvung des bösartigen Gegners in Echtzeit überwacht.
Der Blick durch den Spiegel
Der letzte Teil unserer Ausstellung gibt einen Auszug aus dem Bereich der medizinischen Diagnostik und wirft einen breiteren Blick auf die Möglichkeiten und Herausforderungen des Einsatzes von Quantentechnologien und -computern in Medizin und Gesundheitswesen. Wir laden die Besucher ein, mit uns einen Blick durch den Spiegel zu werfen und ihre Meinung zu möglichen Zukunftsszenarien für quantengestützte medizinische Anwendungen zu äußern.
UHC und Quantum
Die universelle Gesundheitsversorgung (Universal Health Coverage, UHC) soll sicherstellen, dass alle Menschen Zugang zu qualitativ hochwertigen Gesundheitsdiensten haben, ohne finanzielle Not leiden zu müssen (vgl. WHO, 2023). Erstmals von der Weltgesundheitsorganisation im Jahr 2005 vorgeschlagen, wurde die Bedeutung von UHC kontinuierlich auf den größten Bühnen der Welt diskutiert, unter anderem auf den G7- und G20-Gipfeln sowie auf mehreren hochrangigen Tagungen der Generalversammlung der Vereinten Nationen (vgl. World Health Assembly, 2005). Im Jahr 2015 gewann UHC weiter an Bedeutung, als es in die UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung aufgenommen wurde, insbesondere in das Ziel 3.8, bis 2030 einen gerechten Zugang zur Gesundheitsversorgung zu fördern. Vier Jahre später wurde UHC als Voraussetzung und Indikator für mehrere andere SDGs wie „Keine Armut“ (Ziel 1), „Gleichstellung der Geschlechter“ (Ziel 5) und „Menschenwürdige Arbeit und Wirtschaftswachstum“ (Ziel 8) anerkannt (vgl. UNGA, 2019). Auch wenn der UHC Service Coverage Index in den letzten zwei Jahrzehnten deutlich gestiegen ist, ist die Welt noch weit davon entfernt, UHC bis 2030 zu erreichen (vgl. WHO, 2022). Die internationale Gemeinschaft bekräftigt zwar die Dringlichkeit, die Maßnahmen zu beschleunigen, betont aber nicht das Potenzial der technologischen Innovation. Vor diesem Hintergrund untersuchen wir die transformative Kraft der Quantenmedizin für eine universelle Gesundheitsversorgung.
Auf der Jagd nach der Zeit mit dem weißen Kaninchen
Die Quantenmedizin hat bedeutende Fortschritte gemacht, aber ein vielschichtiger Wettlauf mit der Zeit hat sie davon abgehalten, ihr volles Potenzial zu erreichen. Nationale Vorschriften, uneinheitliche Bemühungen und kostspielige Forschung haben zu einer fragmentierten Quantenzukunft geführt (vgl. Shams et al. 2023; Bisiani et al., 2023). Bestehende Infrastrukturen könnten bereits in größerem Umfang mit hybriden Quantenlösungen genutzt werden, doch wird dies nicht in vollem Umfang ausgenutzt (vgl. Bisiani, 2023; Siliezar, 2020). Die Quantentechnologie in der Medizin ist nach wie vor wertvoll, aber die Kosten der Fortschritte übersteigen tendenziell ihren Nutzen. Die Komplexität des ungebremsten „Quantenwettrüstens“ hat dazu geführt, dass die globale Gesundheitsversorgung von einer echten Transformation weit entfernt ist.
Ein Land jenseits des Spiegels
Wir haben es geschafft! Durch interdisziplinäre internationale Zusammenarbeit wurde ein Umfeld geschaffen, in dem die Quantentechnologien ihre transformative Kraft zum Guten entfalten konnten. Dies wurde durch die Sequenzierung von Proteinen und die Faltung von Proteinen mit Hilfe von Quantencomputern möglich. Die Fähigkeit, seltene Krankheiten zu erkennen und zu heilen, hat zu einer höheren Lebensqualität in der Mehrheitswelt geführt (vgl. Rasool et al., 2023). Darüber hinaus hat sich die internationale Reaktionsfähigkeit auf Pandemien durch die schnellere Genomsequenzierung von Viren erheblich verbessert, was z. B. die internationale Zusammenarbeit erleichtert und die Krisenresistenz stärkt (vgl. Rasool et al., 2023). Seitdem sich die Welt auf einen ethischen Weg der Quantenmedizin festgelegt hat, bei dem das Wohl der Patienten und die Zugänglichkeit im Mittelpunkt stehen, profitieren Menschen auf der ganzen Welt von schnelleren und präziseren Diagnosen sowie maßgeschneiderten Behandlungsplänen (vgl. Shams et al., 2023; Rasool et al., 2023; Pflitsch, 2022). Und nicht zuletzt können dank der weit verbreiteten Einführung der quantenverschlüsselten Telemedizin auch Menschen an entlegenen Orten erreicht werden, ohne dass ihre sensiblen Daten gefährdet werden (vgl. Shams et al., 2023; Rasool et al., 2023). Eine mutige gemeinsame Anstrengung zur Beschleunigung der Quantentechnologien in der Medizin ermöglichte uns einen Blick in eine Zukunft, in der UHC Realität ist.
Abseits der Pfade im Tulgey-Wald
Die Quanteninformatik hat die Geschwindigkeit und Präzision medizinischer Analysen, die Entdeckung von Medikamenten und die individuelle Behandlung revolutioniert. Diese Fortschritte sind jedoch nur für Menschen in einigen wenigen Industriestaaten zugänglich. Der größte Teil der Weltbevölkerung hat das Nachsehen, denn der Ausbau der Quantenmedizin erfordert hohe Investitionen in die Forschung und die Anpassung an die bestehende Infrastruktur sowie eine umfassende Ausbildung des medizinischen Personals (vgl. Shams et al., 2023; Rasool et al., 2023; Bisiani et al., 2023). Die Quantensouveränität durchdringt den Bereich der Medizin und verstärkt die bestehenden Ungleichheiten in der Gesundheitsversorgung weiter.
Kontakt & Team
Dieses Projekt war Teil des Seminars "Quantum Social Lab: Art-Driven Innovation with Quantum Technologies". Das Seminar fand im Sommersemester 2024 in Zusammenarbeit mit XPANSE statt.
Im Rahmen des Seminars entwickelten Studierende verschiedener Fachrichtungen Projekte, die Herausforderungen im Bereich der Quantentechnologien aufzeigten und diese in Kunstprojekte umsetzten. Ein Projekt wurde ausgewählt, um Teil von XPANSE zu werden. Das diesjährige Siegerprojekt ist das „Medical Quantum Wonderland“, eine von Alice im Wunderland inspirierte Installation, die auf spielerische Weise vermittelt, wie Quanteneigenschaften für die Tumorerkennung genutzt werden können, und eine breitere Vision von Quantenanwendungen für die Zukunft der Medizin schafft.
Eden Castaneira
Eden Castaneira Rios ist ein leitender Berater für die Vereinten Nationen, der technologische Lösungen für die Menschenrechte entwickelt und umsetzt. Gleichzeitig arbeitet er in der deutschen Privatwirtschaft in der Unternehmens- und IT-Beratung mit Schwerpunkt auf Innovation und Markterkundung.
Mit seinem versicherungsmathematischen Hintergrund strebt er derzeit einen Master-Abschluss (M.Sc.) in Politik und Technologie an, um eine Brücke zwischen Technologie, Innovation, Gesellschaft und Wirtschaft zu schlagen. Er verfügt über umfangreiche Erfahrungen in internationalen Organisationen, in der Privatwirtschaft und in hochrangigen Positionen innerhalb der mexikanischen Regierung. Dieser vielfältige Hintergrund verleiht ihm eine multidisziplinäre Perspektive, die er auf konkrete, vielversprechende Quantum-Technologien anwenden möchte.
Seine Leidenschaft ist es, innovative Entwicklungen vorzustellen und voranzutreiben, die die Quantenwissenschaft zum Wohle der Allgemeinheit nutzen. Seine Forschung an der Technischen Universität München (TUM) widmet sich dem Aufbau von Rahmenwerken wie ESG und der Beantwortung gesellschaftlicher Fragen, um die Entwicklung von verantwortungsvollen, effizienten und umsetzbaren Quantentechnologien zu ermöglichen.
Nuria Quesada Pérez
Mein Name ist Nuria und ich studiere derzeit im dritten Semester des Masterstudiengangs Biomedizinische Technik und Medizinische Physik an der TUM. Bevor ich mein Abenteuer in München begann, habe ich meinen Bachelor in Biomedizinischer Technik in meiner Heimat Spanien abgeschlossen.
Ich würde mich selbst als eine positive und neugierige Person beschreiben, die sich immer darauf freut, neue Leute zu treffen und andere Orte und Kulturen zu entdecken. Das ist einer der Gründe, warum ich mich entschieden habe, mein Studium im Ausland fortzusetzen, und einer der Gründe, warum ich mich für das Youth Quantum Scholarship entschieden habe. Ich freue mich sehr darauf, dieses neue Abenteuer zu beginnen und das Projekt und alle meine Mitstreiter näher kennenzulernen.
Sezin Öztüfek
Sezin Öztüfek studiert Politik und Technologie an der Technischen Universität München, um die Schnittstelle zwischen Technologie und gesellschaftlichem Wandel zu erforschen. Nach ihrem Bachelor-Abschluss in Wirtschaftsinformatik erwarb sie Fachwissen über die Verarbeitung natürlicher Sprache und maschinelles Lernen, was ihre Neugier auf deren soziale Auswirkungen und ethische Herausforderungen noch verstärkte. Sezin liebt es zu erforschen, wie Meinungen entstehen und Gespräche über schwierige Themen zu fördern. Sie ist von der Quantenphysik fasziniert und hat eine Leidenschaft für Kunst, die sie in diesem Projekt vereint.
Lilli Remmers
Lilli Remmers is pursuing a Master's degree in Politics and Technology at the Technical University of Munich. With further training in Economics and Intercultural Communication she believes in the importance of bringing together people from diverse backgrounds to address the challenges we face. Throughout her practical experiences, she focused on making complex concepts more accessible and facilitating communication between various stakeholders. As art has a unique explanatory power, Lilli is excited to help bring this quantum project to life and to address the important challenge of our healthcare future.
Rowan Crawford
Rowan Crawford studiert Politikwissenschaften an der Technischen Universität München und hat einen Bachelor-Abschluss. Er hat eine große Leidenschaft für interdisziplinäre und experimentelle Governance-Ansätze für Technologie- und Innovationspolitik. Durch seine Tätigkeit als Forschungsassistent am Quantum Social Lab hat Rowan Crawford umfangreiche Erfahrungen in den Bereichen Kommunikation, Management und Governance von Quantentechnologie gesammelt. Rowan freut sich darauf, daran mitzuarbeiten, dass die Interessengruppen in die Lage versetzt werden, eine wirksame Politik zu entwickeln, die das Potenzial der transformativen Technologien voll ausschöpfen kann.
Quellen
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Martin. (2024, July 18). Communications materials - United Nations sustainable development. United Nations Sustainable Development. https://www.un.org/sustainabledevelopment/news/communications-material/
Pflitsch, M. (2022, December 12). Quantum biology: How quantum computing can unlock a new dimension of treating diseases. Forbes. https://www.forbes.com/councils/forbestechcouncil/2022/12/12/quantum-biology-how-quantum-computing-can-unlock-a-new-dimension-of-treating-diseases/
Rasool, RU, Ahmad, HF, Rafique, W., Qayyum, A., Qadir, J., & Anwar, Z. (2023). Quantum computing for healthcare: A review. Future Internet, 15(3), 94. https://doi.org/10.3390/fi15030094
Shams, M., Choudhari, J., Reyes, K., Prentzas, S., Gapizov, A., Shehryar, A., Affaf, M., Grezenko, H., Gasim, RW, Mohsin, SN, Rehman, A., & Rehman, S. (2023). The quantum-medical nexus: Understanding the impact of quantum technologies on healthcare. Cureus. https://doi.org/10.7759/cureus.48077
Siliezar, J. (2020, July 24). Harvard researchers create hybrid algorithm for NMR readings. Harvard Gazette.https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/07/harvard-researchers-create-hybrid-algorithm-for-nmr-readings/
Technical University of Munich. (2022, October 11). Quantum technology for cancer imaging. TUM Bioengineering News. https://www.bioengineering.tum.de/en/news/details/applied-quantum-mechanics-in-medicine
United Nations General Assembly, 73rd session. (2019). Universal coverage health meeting. United Nations.https://www.un.org/pga/73/event/universal-health-coverage/
World Health Assembly, 58. (2005). Fifty-eighth World Health Assembly, Geneva, 16-25 May 2005: Resolutions and decisions: Annex. World Health Organization.
World Health Organization. (2022, October 7). WHO UHC global roadmap: Preparing for the UN high-level meeting 2023 and achieving health for all. World Health Organization. https://cdn.who.int/media/docs/default-source/universal-health-coverage/item1_07-10.pdf?sfvrsn=fb1474b7_3
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