2021 年 8 月 25 日消息, 波士顿,马萨诸塞州总医 院和麻省理工学院林肯实验室的研究人员开发了一种基于超导纳米线单光子探测器 (SNSPD) 的漫相关光谱(DCS) 设备,该仪器对血流具有高信噪比和灵敏度。


研究人员指出,这项研究标志着 SNSPD 在生物医学环境中的首次应用之一。DCS 涉及用近红外激光射线照射组织,红血球的运动会散射光,检测器分析产生的模式以确定血流量。


DCS 是测量脑血流量的有用技术,脑血流量本身是脑血管功能的敏感标志物。精确测量的理想操作条件是大于 30 毫米的大源检测器 (SD) 分离;高获取率;和更长的波长,大于 1000 nm。


然而,目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。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。


MIT等开发了一种基于超导纳米线单光子探测器,对血流具有高信噪比和灵敏度

使用超导纳米线单光子探测器和单光子雪崩光电二极管漫相关光谱系统进行血流测量的装置表示,由 Ozana 等人提供


SNSPD 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,尽管它们在多个参数(如时间分辨率、光子效率和波长灵敏度范围)上的性能优于 SPAD。


为了证明 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 系统使用两个 SNSPD 检测器在 1064 nm 的波长下运行。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比 SPAD 探测器在 850 nm 接收的光子多 7 到 8 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。


MIT等开发了一种基于超导纳米线单光子探测器,对血流具有高信噪比和灵敏度


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 16 倍的 SNR 增加允许在相同的 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%。由于 SNR 低,SPAD-DCS 系统无法在 35 mm SD 间隔下运行。


在屏气和过度换气练习期间进行的测量随后验证了 SNSPD-DCS 系统的性能。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 69% 和减少 18.5%。测量结果与从 PET 和 MRI 研究中获得的结果一致。


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。鉴于这些优势,研究人员认为,该系统可以对成人临床应用的脑血流量(脑血管功能的重要标志物)进行无创且更精确的测量。


该研究发表在Neuromorphics 上。



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