Superledende nanotråds-enkeltfoton-detektorer:Næste store ting inden for blodgennemstrømningsmåling

For at fungere korrekt, hjernen kræver en jævn strøm af blod gennem de cerebrale arterier og vener, som leverer ilt og næringsstoffer og også fjerner metaboliske biprodukter. Derfor, cerebral blodgennemstrømning betragtes som en vital og følsom markør for cerebrovaskulær funktion. Optiske metoder tilbyder en ikke-invasiv tilgang til måling af cerebral blodgennemstrømning. Diffus korrelationsspektroskopi (DCS), en metode, der vinder popularitet, involverer belysning af væv med nær-infrarøde laserstråler. Lyset spredes ved bevægelse af røde blodlegemer, og det resulterende mønster, der dannes, analyseres af en detektor for at bestemme blodgennemstrømningen.

De ideelle driftsbetingelser for nøjagtig måling er:1) stor kilde-detektor (SD) adskillelse (> 30 mm), 2) høje erhvervelsesrater, og 3) længere bølgelængder (> 1000 nm). Imidlertid, nuværende DCS-enheder – som bruger single-photon lavine photodiode (SPAD) detektorer – kan ikke opnå dette ideal. På grund af højt signal-til-støj-forhold og lav fotoneffektivitet, de kan ikke tillade en SD-adskillelse større end 25 mm eller bølgelængde større end 900 nm.

For at muliggøre drift af DCS-enheder under ideelle forhold, forskere fra Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, og MIT Lincoln Laboratory foreslog for nylig brugen af ​​superledende nanowire single-photon detektorer (SNPD'er) i DCS-enheder.

SNSPD'er, første gang demonstreret for 20 år siden, består af en tynd film af superledende materiale med fremragende enkeltfotonfølsomhed og detektionseffektivitet. Almindeligvis brugt i telekommunikation, optisk kvanteinformation, og rumkommunikation, SNSPD'er bruges sjældent i biomedicin. SNSPD'er overgår SPAD'er i flere parametre, såsom tidsopløsning, foton effektivitet, og rækkevidde af bølgelængdefølsomhed.

For at demonstrere den operationelle overlegenhed af det nye SNSPD-DCS-system, forskerne udførte cerebrale blodgennemstrømningsmålinger på 11 deltagere ved hjælp af både SNSPD-DCS og SPAD-DCS systemer leveret af Quantum Opus. SNSPD-DCS-systemet fungerede ved en bølgelængde på 1064 nm med to SNSPD-detektorer, hvorimod SPAD-DCS-systemet fungerede ved 850 nm.

Det SNSPD-baserede DCS-system viste signifikant forbedring i SNR sammenlignet med det konventionelle SPAD-baserede DCS. Denne forbedring kan tilskrives to faktorer. Først, med belysning ved 1064 nm, SNSPD-detektorerne modtog syv til otte gange flere fotoner, end SPAD-detektorerne ved 850 nm gjorde. Sekund, SNSPD har en højere fotondetektionseffektivitet (88 procent) end SPADs fotondetektionseffektivitet på 58 procent. Mens SPAD-DCS kun kunne tillade signalopsamling ved 1 Hz ved 25 mm SD-separation på grund af lav SNR, de 16 gange stigningen i SNR for SNSPD-DCS-systemet tillod signalopsamling ved 20 Hz ved den samme SD-separation, hvilket muliggjorde klar detektering af arterielle pulser.

Da cerebral blodgennemstrømningsfølsomhed stiger væsentligt for målinger taget ved større SD-separation, forskerne udførte også målinger ved 35 mm SD-separation. SNSPD-DCS-systemet registrerede en 31,6 procent relativ stigning i blodgennemstrømningsfølsomhed. I modsætning, SPAD-DCS-systemet kunne ikke betjenes ved 35 mm SD-adskillelse på grund af dets lave SNR.

Endelig, SNSPD-DCS-systemets ydeevne blev valideret ved målinger taget under vejrtræknings- og hyperventilationsøvelser. Teoretisk set, blodgennemstrømningen stiger i løbet af de første 30 sekunder af åndedrættet og vender langsomt tilbage til normal derefter. Under hyperventilering, blodtilførslen til hovedbunden øges, og blodtilførslen til hjernen falder. SNSPD-DCS-målinger viste en stigning på 69 procent og et fald på 18,5 procent i relativ cerebral blodgennemstrømning til at holde vejret og hyperventilation, henholdsvis. Disse målinger stemmer overens med dem, der er opnået fra PET- og MR-undersøgelser.

SNSPD-DCS-systemet letter højere fotonopsamling, større SD-adskillelser, og højere opkøbsrater, fører til bedre nøjagtighed. I betragtning af disse fordele, dette nye system kan muliggøre en ikke-invasiv og mere præcis måling af cerebral blodgennemstrømning - en vigtig markør for cerebrovaskulær funktion - til kliniske anvendelser for voksne.