Идеальными рабочими условиями для точных измерений являются: 1) большое расстояние между источником и детектором (SD) (> 30 мм), 2) высокая скорость сбора данных и 3) более длинные волны (> 1000 нм). Однако современные устройства DCS, в которых используются детекторы однофотонных лавинных фотодиодов (SPAD), не могут достичь этого идеала. Из-за высокого отношения сигнал / шум и низкой фотонной эффективности они не могут обеспечить разделение SD более 25 мм или длину волны более 900 нм.
Чтобы обеспечить работу устройств DCS в идеальных условиях, исследователи из Массачусетской больницы общего профиля, Гарвардской медицинской школы и лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института недавно предложили использовать сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы (SNSPD) в устройствах DCS.
SNSPD, впервые продемонстрированные 20 лет назад, состоят из тонкой пленки сверхпроводящего материала с превосходной однофотонной чувствительностью и эффективностью обнаружения. Обычно используемые в телекоммуникациях, оптической квантовой информации и космической связи, SNSPD редко используются в биомедицине. SNSPD превосходят SPAD по нескольким параметрам, таким как разрешение по времени, фотонная эффективность и диапазон чувствительности к длине волны.
Чтобы продемонстрировать операционное превосходство новой системы SNSPD-DCS, исследователи провели измерения мозгового кровотока у 11 участников, используя системы SNSPD-DCS и SPAD-DCS, предоставленные Quantum Opus. Система SNSPD-DCS работала на длине волны 1064 нм с двумя детекторами SNSPD, тогда как система SPAD-DCS работала на длине волны 850 нм.
Система DCS на основе SNSPD показала значительное улучшение SNR по сравнению с традиционной DCS на основе SPAD. Это улучшение было связано с двумя факторами. Во-первых, при освещении на длине волны 1064 нм детекторы SNSPD получили в семь-восемь раз больше фотонов, чем детекторы SPAD на длине волны 850 нм. Во-вторых, SNSPD имеет более высокую эффективность обнаружения фотонов (88 процентов), чем эффективность обнаружения фотонов SPAD, составляющая 58 процентов.
В то время как SPAD-DCS может обеспечивать получение сигнала только с частотой 1 Гц при 25 мм разнесении SD из-за низкого отношения сигнал / шум, 16-кратное увеличение отношения сигнал / шум для системы SNSPD-DCS позволило получить сигнал на частоте 20 Гц при таком же разделении SD, что позволяет четко обнаруживать артериальный пульс.
Поскольку чувствительность церебрального кровотока существенно возрастает для измерений, проводимых с большим SD-разделением, исследователи также проводили измерения с SD-разделением 35 мм. Система СНСПД-DCS зафиксировала 31.6% относительное увеличение чувствительности кровотока.
Напротив, система SPAD-DCS не могла работать при разнесении SD 35 мм из-за низкого отношения сигнал / шум.
Наконец, эффективность системы SNSPD-DCS была подтверждена измерениями, выполненными во время упражнений на задержку дыхания и гипервентиляции.
Теоретически кровоток увеличивается в течение первых 30 секунд задержки дыхания и затем медленно возвращается к норме. Во время гипервентиляции приток крови к коже головы увеличивается, а приток крови к мозгу уменьшается. Измерения SNSPD-DCS показали увеличение на 69 процентов и снижение на 18 процентов.5% относительного мозгового кровотока при задержке дыхания и гипервентиляции соответственно.
Эти измерения согласуются с результатами исследований ПЭТ и МРТ.
Система SNSPD-DCS обеспечивает более высокий сбор фотонов, большее разделение SD и более высокую скорость сбора данных, что приводит к большей точности.
Учитывая эти преимущества, эта новая система может позволить неинвазивное и более точное измерение церебрального кровотока – важного маркера цереброваскулярной функции – для взрослых клинических применений.