Новая детекторная система повышает чувствительность измерения мозгового кровотока, пишет eurekalert.org. Для правильного функционирования мозгу необходим постоянный поток крови по мозговым артериям и венам, которые доставляют кислород и питательные вещества, а также удаляют побочные продукты метаболизма. Поэтому церебральный кровоток считается жизненно важным и чувствительным маркером цереброваскулярной функции.

Оптические методы предлагают неинвазивный подход к измерению мозгового кровотока. Набирающий популярность метод диффузной корреляционной спектроскопии (DCS) заключается в освещении тканей лазером в ближней инфракрасной области. Свет рассеивается движением эритроцитов, и полученный рисунок анализируется детектором для определения кровотока.

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 многим параметрам, таким как временное разрешение, фотонная эффективность и диапазон чувствительности по 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, равная 58 процентам. 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 при большем разносе стандартного отклонения, исследователи также проводили измерения на расстоянии 35 мм стандартное отклонение. Система SNSPD-DCS зафиксировала относительное увеличение чувствительности кровотока на 31,6%. В отличие от этого, 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 волосистой части головы увеличивается, а приток крови к мозгу уменьшается. Измерения SNSPD-DCS показали увеличение на 69 процентов и снижение на 18,5 процента относительного мозгового кровотока при задержке дыхания и гипервентиляции соответственно. Эти измерения согласуются с результатами исследований ПЭТ и МРТ.

Система SNSPD-DCS способствует большему улавливанию фотонов, большему разделению SD и более высокой скорости 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 клинических применений у взрослых.