新型检测器系统提高了测量脑血流量的灵敏度

为了正常运作，大脑需要稳定的血液流经大脑动脉和静脉，这些动脉和静脉输送氧气和营养，并清除代谢副产物。因此，脑血流量被认为是脑血管功能的重要且敏感的标志物。光学方法为测量脑血流量提供了一种非侵入性方法。漫相关光谱 (DCS) 是一种越来越流行的方法，它涉及用近红外激光射线照射组织。光被红血球的运动散射，所形成的图案由检测器分析以确定血流量。

准确测量的理想操作条件是：1) 大源-检测器 (SD) 分离(>30 毫米)，2)高采集率，以及 3)更长的波长(>1000 纳米)。然而，当前使用单光子雪崩光电二极管 (SPAD) 探测器的 DCS 设备无法实现这一理想目标。由于高信噪比和低光子效率，它们不能允许大于 25 毫米的 SD 分离或大于 900 纳米的波长。

为了使 DCS 设备能够在理想条件下运行，马萨诸塞州总医院、哈佛医学院和麻省理工学院林肯实验室的研究人员最近提议在 DCS 设备中使用超导纳米线单光子探测器 (SNSPD)。

SNSPD 于 20 年前首次展示，由具有出色单光子灵敏度和检测效率的超导材料薄膜组成。SNSPD 通常用于电信、光量子信息和空间通信，但很少用于生物医学。SNSPD 在多个参数上优于 SPAD，例如时间分辨率、光子效率和波长灵敏度范围。

为了证明新 SNSPD-DCS 系统的操作优势，研究人员使用 Quantum Opus 提供的 SNSPD-DCS 和 SPAD-DCS 系统对 11 名参与者进行了脑血流量测量。SNSPD-DCS 系统在具有两个 SNSPD 检测器的 1064 nm 波长下运行，而 SPAD-DCS 系统在 850 nm 下运行。

与传统的基于 SPAD 的 DCS 相比，基于 SNSPD 的 DCS 系统显示出 SNR 的显着改善。这种改善归因于两个因素。首先，在 1064 nm 的照明下，SNSPD 探测器接收到的光子是 850 nm 的 SPAD 探测器接收的光子的七到八倍。其次，SNSPD 的光子探测效率(88%)比 SPAD 的 58% 的光子探测效率更高。虽然由于 SNR 低，SPAD-DCS 只能在 25 mm SD 间隔下以 1 Hz 的频率采集信号，但 SNSPD-DCS 系统的 SNR 增加了 16 倍，允许在相同的 SD 间隔下以 20 Hz 的频率采集信号，从而可以清晰地检测到动脉搏动。

由于在较大 SD 间距下进行测量时脑血流敏感性显着增加，研究人员还在 35 mm SD 间距下进行了测量。SNSPD-DCS 系统记录的血流敏感性相对增加了 31.6%。相比之下，SPAD-DCS 系统无法在 35 mm SD 间隔下运行，因为它的 SNR 低。

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