För att fungera korrekt, hjärnan kräver ett jämnt flöde av blod genom hjärnans artärer och vener, som levererar syre och näringsämnen och även tar bort metabola biprodukter. Därför, cerebralt blodflöde anses vara en viktig och känslig markör för cerebrovaskulär funktion. Optiska metoder erbjuder en icke-invasiv metod för att mäta cerebralt blodflöde. Diffus korrelationsspektroskopi (DCS), en metod som vinner popularitet, involverar belysning av vävnader med nära-infraröda laserstrålar. Ljuset sprids genom rörelsen av röda blodkroppar och det resulterande mönstret som bildas analyseras av en detektor för att bestämma blodflödet.

De ideala driftsförhållandena för noggrann mätning är:1) stor källa-detektor (SD) separation (> 30 mm), 2) höga förvärvsfrekvenser, och 3) längre våglängder (> 1000 nm). Dock, nuvarande DCS-enheter – som använder singelfoton lavinfotodiod (SPAD) detektorer – kan inte uppnå detta ideal. På grund av högt signal-brusförhållande och låg fotoneffektivitet, de kan inte tillåta en SD-separation som är större än 25 mm eller en våglängd större än 900 nm.

För att möjliggöra drift av DCS-enheter under idealiska förhållanden, forskare från Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, och MIT Lincoln Laboratory föreslog nyligen användningen av supraledande nanotrådsdetektorer med enkelfoton (SNPD) i DCS-enheter.

SNSPD:er, demonstrerade första gången för 20 år sedan, består av en tunn film av supraledande material med utmärkt enfotonkänslighet och detektionseffektivitet. Vanligtvis används inom telekommunikation, optisk kvantinformation, och rymdkommunikation, SNSPD:er används sällan inom biomedicin. SNSPD:er överträffar SPAD:er i flera parametrar, som tidsupplösning, fotoneffektivitet, och våglängdskänslighetsområde.

För att visa det nya SNSPD-DCS-systemets operativa överlägsenhet, forskarna genomförde cerebrala blodflödesmätningar på 11 deltagare med hjälp av både SNSPD-DCS och SPAD-DCS system från Quantum Opus. SNSPD-DCS-systemet fungerade vid en våglängd av 1064 nm med två SNSPD-detektorer, medan SPAD-DCS-systemet arbetade vid 850 nm.

Det SNSPD-baserade DCS-systemet visade signifikant förbättring av SNR jämfört med det konventionella SPAD-baserade DCS. Denna förbättring berodde på två faktorer. Först, med belysning vid 1064 nm, SNSPD-detektorerna tog emot sju till åtta gånger fler fotoner än SPAD-detektorerna vid 850 nm gjorde. Andra, SNSPD har en högre fotondetektionseffektivitet (88 procent) än SPAD:s fotondetektionseffektivitet på 58 procent. Medan SPAD-DCS endast kunde tillåta signalinsamling vid 1 Hz vid 25 mm SD-separation på grund av låg SNR, 16 gånger ökningen av SNR för SNSPD-DCS-systemet tillät signalinsamling vid 20 Hz vid samma SD-separation, vilket möjliggjorde tydlig detektering av artärpulser.

Eftersom cerebralt blodflödeskänslighet ökar avsevärt för mätningar som tas vid större SD-separation, forskarna utförde även mätningar vid 35 mm SD-separation. SNSPD-DCS-systemet registrerade en 31,6 procents relativ ökning av blodflödeskänsligheten. I kontrast, SPAD-DCS-systemet kunde inte användas vid 35 mm SD-separation på grund av dess låga SNR.

Till sist, SNSPD-DCS-systemets prestanda validerades genom mätningar som gjordes under andnings- och hyperventilationsövningar. Teoretiskt sett, blodflödet ökar under de första 30 sekunderna av att hålla andan och återgår långsamt till det normala därefter. Under hyperventilering, blodflödet till hårbotten ökar och blodflödet till hjärnan minskar. SNSPD-DCS-mätningar visade en ökning med 69 procent och en minskning med 18,5 procent i det relativa cerebrala blodflödet för att hålla andan och hyperventilation, respektive. Dessa mätningar överensstämmer med de som erhållits från PET- och MRI-studier.

SNSPD-DCS-systemet underlättar högre fotoninsamling, större SD-separationer, och högre förvärvsfrekvens, leder till bättre noggrannhet. Med tanke på dessa fördelar, detta nya system kan möjliggöra en icke-invasiv och mer exakt mätning av cerebralt blodflöde – en viktig markör för cerebrovaskulär funktion – för kliniska tillämpningar för vuxna.