Om goed te kunnen functioneren, de hersenen hebben een gestage bloedstroom nodig door de cerebrale slagaders en aders, die zuurstof en voedingsstoffen leveren en ook metabolische bijproducten verwijderen. Daarom, cerebrale bloedstroom wordt beschouwd als een vitale en gevoelige marker van cerebrovasculaire functie. Optische methoden bieden een niet-invasieve benadering voor het meten van de cerebrale bloedstroom. Diffuse correlatie spectroscopie (DCS), een methode die aan populariteit wint, omvat de verlichting van weefsels met nabij-infrarode laserstralen. Het licht wordt verstrooid door de beweging van rode bloedcellen en het gevormde patroon wordt geanalyseerd door een detector om de bloedstroom te bepalen.

De ideale bedrijfsomstandigheden voor nauwkeurige metingen zijn:1) scheiding van grote bron-detector (SD) (> 30mm), 2) hoge acquisitiepercentages, en 3) langere golflengten (> 1000nm). Echter, huidige DCS-apparaten - die gebruikmaken van single-photon lawine fotodiode (SPAD) -detectoren - kunnen dat ideaal niet bereiken. Vanwege de hoge signaal-ruisverhouding en de lage fotonefficiëntie, ze kunnen geen SD-scheiding van meer dan 25 mm of een golflengte van meer dan 900 nm toestaan.

Om de werking van DCS-apparaten onder ideale omstandigheden mogelijk te maken, onderzoekers van het Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, en MIT Lincoln Laboratory hebben onlangs het gebruik voorgesteld van supergeleidende nanodraad-single-photon-detectoren (SNPD's) in DCS-apparaten.

SNSPD's, 20 jaar geleden voor het eerst gedemonstreerd, bestaan ​​uit een dunne film van supergeleidend materiaal met een uitstekende enkelfotongevoeligheid en detectie-efficiëntie. Veel gebruikt in de telecommunicatie, optische kwantuminformatie, en ruimtecommunicatie, SNSPD's worden zelden gebruikt in de biogeneeskunde. SNSPD's presteren beter dan SPAD's in meerdere parameters, zoals tijdresolutie, foton efficiëntie, en het bereik van de golflengtegevoeligheid.

Om de operationele superioriteit van het nieuwe SNSPD-DCS-systeem aan te tonen, de onderzoekers voerden cerebrale bloedstroommetingen uit bij 11 deelnemers met behulp van zowel SNSPD-DCS- als SPAD-DCS-systemen van Quantum Opus. Het SNSPD-DCS-systeem werkte bij een golflengte van 1064 nm met twee SNSPD-detectoren, terwijl het SPAD-DCS-systeem werkte bij 850 nm.

Het op SNSPD gebaseerde DCS-systeem vertoonde een significante verbetering in SNR in vergelijking met het conventionele op SPAD gebaseerde DCS. Deze verbetering was toe te schrijven aan twee factoren. Eerst, met verlichting bij 1064 nm, de SNSPD-detectoren ontvingen zeven tot acht keer meer fotonen dan SPAD-detectoren bij 850 nm. Tweede, SNSPD heeft een hogere fotondetectie-efficiëntie (88 procent) dan SPAD's fotondetectie-efficiëntie van 58 procent. Hoewel de SPAD-DCS vanwege de lage SNR alleen signaalverwerving bij 1 Hz bij 25 mm SD-scheiding kon toestaan, de 16-voudige toename in SNR voor het SNSPD-DCS-systeem maakte signaalverwerving bij 20 Hz bij dezelfde SD-scheiding mogelijk, waardoor een duidelijke detectie van arteriële pulsen mogelijk was.

Aangezien de gevoeligheid van de cerebrale bloedstroom aanzienlijk toeneemt voor metingen bij grotere SD-scheiding, de onderzoekers voerden ook metingen uit bij 35 mm SD-scheiding. Het SNSPD-DCS-systeem registreerde een relatieve toename van 31,6 procent in de gevoeligheid van de bloedstroom. In tegenstelling tot, het SPAD-DCS-systeem kon vanwege de lage SNR niet worden gebruikt bij een SD-scheiding van 35 mm.

Eindelijk, de prestaties van het SNSPD-DCS-systeem werden gevalideerd door metingen tijdens ademhalings- en hyperventilatieoefeningen. theoretisch, de bloedstroom neemt toe tijdens de eerste 30 seconden van het inhouden van de adem en keert daarna langzaam terug naar normaal. Tijdens hyperventilatie, de bloedtoevoer naar de hoofdhuid neemt toe en de bloedtoevoer naar de hersenen neemt af. SNSPD-DCS-metingen toonden een toename van 69 procent en een afname van 18,5% in relatieve cerebrale bloedstroom voor adem inhouden en hyperventilatie, respectievelijk. Deze metingen komen overeen met die verkregen uit PET- en MRI-onderzoeken.

Het SNSPD-DCS-systeem maakt hogere fotonenverzameling mogelijk, grotere SD-scheidingen, en hogere acquisitiepercentages, leidt tot een betere nauwkeurigheid. Gezien deze voordelen, dit nieuwe systeem kan een niet-invasieve en nauwkeurigere meting van de cerebrale bloedstroom - een belangrijke marker van cerebrovasculaire functie - mogelijk maken voor klinische toepassingen bij volwassenen.