超导纳米线单光子探测器应用于非侵入性脑部血流检测
2021-09-02 16:42:57   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

组织血流测量可以为血管或细胞疾病的诊断、治疗提供关键信息，例如中风、头部创伤和外周动脉疾病等。扩散相关光谱（Diffuse correlation spectroscopy，DCS）是连续非侵入性测量组织深层血流速度变化的一种有价值的方法。

DCS通过近红外光照射血管时运动的红细胞产生的光强度波动和光斑图案来对组织血流情况进行检测。近期，这项技术已成为组织血流测量的重要研究主题，利用合适的光子学组件可以提高测量速度。

由于在近红外光学窗口的光在生物组织内表现为高散射、低吸收的特性，穿透深度最深，因此DCS一般采用该波长范围的光来实现组织深层的探测。传播路径不同的光子经散射后会在组织表面形成光斑，当散射体运动时，会影响光子的传播，进而导致组织表面的光斑发生波动。

在血液这种悬浮液中，一般认为散射体主要是红细胞，红细胞由于受到液体分子的撞击，会做无规则的布朗运动，这种运动会造成散射光相对于入射光发生频移，表现为散射光强随时间不断涨落，从而引起组织表面光斑的波动。DCS通过测量组织表面光斑强度的变化，就可建立起光斑强度变化与红细胞运动状态之间的关系，从而定量计算出相对血流速度等信息。

据麦姆斯咨询报道，近日，马萨诸塞州综合医院（MGH）和麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）的一个研究项目现已解决了现有DCS系统中光电探测器的低信噪比（SNR）问题，并提升了探测波长和灵敏度。这项研究工作发表于《Neurophotonics》。

DCS系统主要由长相干激光器、光电探测器和光子相关器等组成。研究人员表示，理想的临床友好型DCS架构涉及的激光器和探测器之间至少有30 mm的距离（SD间隔），并且光源波长期望在1000 nm以上。但是，目前的光电探测器信噪比和光子效率方面的限制阻碍了开发人员达到上述架构需求。

研究人员对探测器芯片设计和所用波长进行了研究，但硅基单光子雪崩探测器（SPAD）的光子效率低，而InGaAs探测器替代硅基探测器，对于DCS系统来说速度不够快。

该研究项目的解决方案是使用超导纳米线单光子探测器（SNSPD），据说是目前可用的最快的光子计数单光子探测器。研究人员将这种增强的探测能力与1064 nm光源结合，利用DCS系统实现头部脉动血流情况测量。

研究人员在发表的论文中指出：“SNSPD的工作温度低于液氦的沸点，由一层形状紧凑的超导材料薄膜组成，形成一个大像素，由于其具有纳米尺度的横截面，因此具有高检测效率和高单光子灵敏度。”

为了测试新的系统性能，马萨诸塞州综合医院研究人员设计了一个实验平台，其中新型SNSPD-DCS和传统SPAD-DCS均应用于相同的患者，前者使用1064 nm激光器，后者使用850 nm激光器。从患者的头部前额进行测量，并在距激光器5 mm、25 mm和35 mm处收集反向散射光子。

该研究团队表示，实验结果表明，新型SNSPD-DCS的光子增益相当可观，当使用1064 nm时，探测器上可用的返回光子比使用850 nm时多了7至8倍。结合SNSPD固有的更高光子检测效率，实验最终检测到的光子是现有技术的13倍，平均SNR增益为16。

“采用1064 nm光源的SNSPD-DCS提升了SNR，使我们能够在所有受试者中以25 mm SD间隔解析20 Hz的清晰动脉搏动。”该研究团队继续说道，“能够以25 mm或更大的SD间隔获得高频率、低信噪比的脉动血流，对于使用脉动血流非侵入性估计颅内压的应用非常重要。”　

据麦姆斯咨询获悉，去年，中科院深圳先进技术研究院郑炜研究员团队与南京大学张蜡宝教授团队合作，成功研制出首台近红外二区荧光介观成像系统，成果论文"Depth-resolved NIR-II fluorescence mesoscope"发表在Biomedical Optics Express期刊上。该项研究借助南京大学自主研制的高性能超导纳米线单光子探测器，采用特殊的三维扫描和小孔滤光技术，实现了近红外二区的介观成像，在非开颅的条件下，对小鼠整个大脑的血管进行三维高分辨成像，可以观测单根毛细血管的形态、走向以及血液流动情况，为脑血管研究提供新的工具。