為了正常運(yùn)作，大腦需要穩(wěn)定的血液流經(jīng)大腦動脈和靜脈，這些動脈和靜脈輸送氧氣和營養(yǎng)，并清除代謝副產(chǎn)物。因此，腦血流量被認(rèn)為是腦血管功能的重要且敏感的標(biāo)志物。光學(xué)方法為測量腦血流量提供了一種非侵入性方法。漫相關(guān)光譜 (DCS) 是一種越來越流行的方法，它涉及用近紅外激光射線照射組織。光被紅血球的運(yùn)動散射，所形成的圖案由檢測器分析以確定血流量。

準(zhǔn)確測量的理想操作條件是：1) 大源-檢測器 (SD) 分離(>30 毫米)，2)高采集率，以及 3)更長的波長(>1000 納米)。然而，當(dāng)前使用單光子雪崩光電二極管 (SPAD) 探測器的 DCS 設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)這一理想目標(biāo)。由于高信噪比和低光子效率，它們不能允許大于 25 毫米的 SD 分離或大于 900 納米的波長。

為了使 DCS 設(shè)備能夠在理想條件下運(yùn)行，馬薩諸塞州總醫(yī)院、哈佛醫(yī)學(xué)院和麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近提議在 DCS 設(shè)備中使用超導(dǎo)納米線單光子探測器 (SNSPD)。

SNSPD 于 20 年前首次展示，由具有出色單光子靈敏度和檢測效率的超導(dǎo)材料薄膜組成。SNSPD 通常用于電信、光量子信息和空間通信，但很少用于生物醫(yī)學(xué)。SNSPD 在多個參數(shù)上優(yōu)于 SPAD，例如時間分辨率、光子效率和波長靈敏度范圍。

為了證明新 SNSPD-DCS 系統(tǒng)的操作優(yōu)勢，研究人員使用 Quantum Opus 提供的 SNSPD-DCS 和 SPAD-DCS 系統(tǒng)對 11 名參與者進(jìn)行了腦血流量測量。SNSPD-DCS 系統(tǒng)在具有兩個 SNSPD 檢測器的 1064 nm 波長下運(yùn)行，而 SPAD-DCS 系統(tǒng)在 850 nm 下運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的基于 SPAD 的 DCS 相比，基于 SNSPD 的 DCS 系統(tǒng)顯示出 SNR 的顯著改善。這種改善歸因于兩個因素。首先，在 1064 nm 的照明下，SNSPD 探測器接收到的光子是 850 nm 的 SPAD 探測器接收的光子的七到八倍。其次，SNSPD 的光子探測效率(88%)比 SPAD 的 58% 的光子探測效率更高。雖然由于 SNR 低，SPAD-DCS 只能在 25 mm SD 間隔下以 1 Hz 的頻率采集信號，但 SNSPD-DCS 系統(tǒng)的 SNR 增加了 16 倍，允許在相同的 SD 間隔下以 20 Hz 的頻率采集信號，從而可以清晰地檢測到動脈搏動。

由于在較大 SD 間距下進(jìn)行測量時腦血流敏感性顯著增加，研究人員還在 35 mm SD 間距下進(jìn)行了測量。SNSPD-DCS 系統(tǒng)記錄的血流敏感性相對增加了 31.6%。相比之下，SPAD-DCS 系統(tǒng)無法在 35 mm SD 間隔下運(yùn)行，因?yàn)樗?SNR 低。

最后，SNSPD-DCS 系統(tǒng)的性能通過在屏氣和過度換氣練習(xí)期間進(jìn)行的測量得到驗(yàn)證。理論上，在屏氣的前 30 秒內(nèi)血流量會增加，然后慢慢恢復(fù)正常。在過度換氣期間，流向頭皮的血流增加，流向大腦的血流減少。SNSPD-DCS 測量顯示，屏氣和過度換氣的相對腦血流量分別增加了 69% 和減少了 18.5%。這些測量值與從 PET 和 MRI 研究中獲得的測量值一致。

SNSPD-DCS 系統(tǒng)有利于更高的光子收集、更大的 SD 分離和更高的采集率，從而提高精度。鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，這種新穎的系統(tǒng)可以允許腦的非侵入性和更精確的測量血液流量的腦血管功能，成人臨床應(yīng)用的重要標(biāo)志。

標(biāo)簽：