超导纳米线单光子探测器:血流测量领域的下一件大事

为了正常运作，大脑需要通过大脑动脉和静脉的稳定血液流动，这些血液可以输送氧气和营养物质，还可以清除代谢副产物。因此，脑血流量被认为是脑血管功能的重要而敏感的标志。光学方法提供了一种无创测量脑血流的方法。扩散相关光谱(DCS)是一种越来越受欢迎的方法，它涉及用近红外激光照射组织。红光被红细胞的运动散射，然后由检测器分析形成的图案，以确定血流量。

精确测量的理想操作条件是:1)大源探测器(SD)分离(>30 mm)， 2)高采集速率，3)更长的波长(>1000 nm)。然而，目前的DCS设备(使用单光子雪崩光电二极管(SPAD)探测器)无法达到这一理想状态。由于高信噪比和低光子效率，它们不能允许SD分离大于25 mm或波长大于900 nm。

为了使DCS设备能够在理想的条件下运行，来自马萨诸塞州总医院、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出了超导纳米线单光子探测器(SNSPDs)在DCS器件中的应用．

snspd在20年前首次被证明，由超导材料薄膜组成，具有出色的单光子灵敏度和探测效率。snspd通常应用于电信、光学量子信息、空间通信等领域，但在生物医学领域应用较少。snspd在时间分辨率、光子效率和波长灵敏度范围等多个参数上优于SPADs。

为了证明新的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测量。SNSPD- dcs系统的工作波长为1064 nm，有两个SNSPD探测器，而SPAD-DCS系统的工作波长为850 nm。

与传统的基于spad的DCS相比，基于snspd的DCS系统的信噪比有了明显的提高。这种改善可归因于两个因素。首先，在1064 nm的照明下，SNSPD探测器接收到的光子比850 nm的SPAD探测器多7到8倍。其次，SNSPD的光子检测效率(88%)高于SPAD的58%。由于信噪比低，SPAD-DCS只能在25 mm SD分离下采集1hz的信号，而SNSPD-DCS系统的信噪比提高了16倍，可以在相同SD分离下采集20hz的信号，从而可以清晰地检测到动脉脉冲。

由于在较大SD间隔下测量的脑血流敏感性显著增加，研究人员还在35mm SD间隔下进行了测量。SNSPD-DCS系统记录了31.6%的血流敏感性相对增加。相比之下，SPAD-DCS系统由于信噪比低，无法在35mm SD分离下运行。

最后，通过在屏气和过度通气练习中进行测量，验证了SNSPD-DCS系统的性能。理论上，在憋气的前30秒，血液流量会增加，然后慢慢恢复正常。在过度换气时，流向头皮的血液增加，流向大脑的血液减少。SNSPD-DCS测量显示屏气和过度通气时相对脑血流量分别增加69%和减少18.5%。这些测量值与PET和MRI研究得到的结果一致。

SNSPD-DCS系统有利于更高的光子收集，更大的SD分离和更高的采集速率，从而获得更好的精度。考虑到这些优点，这种新系统可能允许对脑血流量进行无创和更精确的测量，这是脑血管功能的重要标志，用于成人临床应用。