Supergeleidende nanodraad-single-photon-detectoren: volgende grote stap in het meten van de bloedstroom

Om goed te kunnen functioneren, hebben de hersenen een gestage bloedstroom nodig door de cerebrale slagaders en aders, die zuurstof en voedingsstoffen leveren en ook metabolische bijproducten verwijderen. Daarom wordt de cerebrale doorbloeding beschouwd als een vitale en gevoelige marker van de cerebrovasculaire functie. Optische methoden bieden een niet-invasieve benadering voor het meten van de cerebrale bloedstroom. Diffuse correlatiespectroscopie (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 resulterende gevormde patroon wordt geanalyseerd door een detector om de bloedstroom te bepalen.

De ideale bedrijfsomstandigheden voor nauwkeurige metingen zijn: 1) grote afstand tussen bron-detector (SD) (>30 mm), 2) hoge acquisitiesnelheden en 3) langere golflengten (>1000 nm). De huidige DCS-apparaten, die gebruikmaken van single-photon lawine fotodiode (SPAD) detectoren, kunnen dat ideaal echter niet bereiken. Vanwege de hoge signaal-ruisverhouding en de lage fotonefficiëntie, kunnen ze 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, hebben onderzoekers van het Massachusetts General Hospital, de Harvard Medical School en het MIT Lincoln Laboratory onlangs het gebruik voorgesteld van supergeleidende nanodraad-single-photon-detectoren (SNSPD’s) in DCS-apparaten.

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

Om de operationele superioriteit van het nieuwe SNSPD-DCS-systeem aan te tonen, voerden de onderzoekers 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. Ten eerste ontvingen de SNSPD-detectoren met verlichting bij 1064 nm zeven tot acht keer meer fotonen dan SPAD-detectoren bij 850 nm. Ten tweede heeft SNSPD 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, maakte de 16-voudige toename in SNR voor het SNSPD-DCS-systeem signaalverwerving bij 20 Hz bij dezelfde SD-scheiding mogelijk, waardoor duidelijke detectie van arteriële pulsen.

Omdat de gevoeligheid van de cerebrale bloedstroom aanzienlijk toeneemt voor metingen bij grotere SD-scheiding, voerden de onderzoekers 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. Daarentegen kon het SPAD-DCS-systeem niet worden gebruikt bij een SD-scheiding van 35 mm vanwege de lage SNR.

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

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