为了正常运作,大脑需要稳定的血液流经大脑动脉和静脉,这些动脉和静脉输送氧气和营养,并清除代谢副产物。因此,脑血流量被认为是脑血管功能的重要且敏感的标志物。光学方法为测量脑血流量提供了一种非侵入性方法。漫相关光谱 (DCS) 是一种越来越流行的方法,它涉及用近红外激光射线照射组织。光被红血球的运动散射,所形成的图案由检测器分析以确定血流量。

超导纳米线单光子探测器:血流测量的下一件大事

准确测量的理想操作条件是:1) 大源-检测器 (SD) 分离(>30 毫米),2)高采集率,以及 3)更长的波长(>1000 纳米)。然而,当前使用单光子雪崩光电二极管 (SPAD) 探测器的 DCS 设备无法实现这一理想目标。由于高信噪比和低光子效率,它们不能允许大于 25 毫米的 SD 分离或大于 900 纳米的波长。


为了使 DCS 设备能够在理想条件下运行,马萨诸塞州总医院、哈佛医学院和麻省理工学院林肯实验室的研究人员最近提议在 DCS 设备中使用超导纳米线单光子探测器 (SNSPD)。


SNSPD 于 20 年前首次展示,由具有出色单光子灵敏度和检测效率的超导材料薄膜组成。SNSPD 通常用于电信、光量子信息和空间通信,但很少用于生物医学。SNSPD 在多个参数上优于 SPAD,例如时间分辨率、光子效率和波长灵敏度范围。

超导纳米线单光子探测器:血流测量的下一件大事

为了证明新 SNSPD-DCS 系统的操作优势,研究人员使用 Quantum Opus 提供的 SNSPD-DCS 和 SPAD-DCS 系统对 11 名参与者进行了脑血流量测量。SNSPD-DCS 系统在具有两个 SNSPD 检测器的 1064 nm 波长下运行,而 SPAD-DCS 系统在 850 nm 下运行。


与传统的基于 SPAD 的 DCS 相比,基于 SNSPD 的 DCS 系统显示出 SNR 的显着改善。这种改善归因于两个因素。首先,在 1064 nm 的照明下,SNSPD 探测器接收到的光子是 850 nm 的 SPAD 探测器接收的光子的七到八倍。其次,SNSPD 的光子探测效率(88%)比 SPAD 的 58% 的光子探测效率更高。虽然由于 SNR 低,SPAD-DCS 只能在 25 mm SD 间隔下以 1 Hz 的频率采集信号,但 SNSPD-DCS 系统的 SNR 增加了 16 倍,允许在相同的 SD 间隔下以 20 Hz 的频率采集信号,从而可以清晰地检测到动脉搏动。


由于在较大 SD 间距下进行测量时脑血流敏感性显着增加,研究人员还在 35 mm SD 间距下进行了测量。SNSPD-DCS 系统记录的血流敏感性相对增加了 31.6%。相比之下,SPAD-DCS 系统无法在 35 mm SD 间隔下运行,因为它的 SNR 低。


最后,SNSPD-DCS 系统的性能通过在屏气和过度换气练习期间进行的测量得到验证。理论上,在屏气的前 30 秒内血流量会增加,然后慢慢恢复正常。在过度换气期间,流向头皮的血流增加,流向大脑的血流减少。SNSPD-DCS 测量显示,屏气和过度换气的相对脑血流量分别增加了 69% 和减少了 18.5%。这些测量值与从 PET 和 MRI 研究中获得的测量值一致。


SNSPD-DCS 系统有利于更高的光子收集、更大的 SD 分离和更高的采集率,从而提高精度。鉴于这些优点,这种新颖的系统可以允许脑的非侵入性和更精确的测量血液流量的脑血管功能,成人临床应用的重要标志。


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