Para funcionar correctamente, el cerebro requiere un flujo constante de sangre a través de las arterias y venas cerebrales, que entregan oxígeno y nutrientes y también eliminan los subproductos metabólicos. Por lo tanto, El flujo sanguíneo cerebral se considera un marcador vital y sensible de la función cerebrovascular. Los métodos ópticos ofrecen un enfoque no invasivo para medir el flujo sanguíneo cerebral. Espectroscopia de correlación difusa (DCS), un método ganando popularidad, implica la iluminación de tejidos con rayos láser de infrarrojo cercano. La luz se dispersa por el movimiento de los glóbulos rojos y el patrón resultante formado es analizado por un detector para determinar el flujo sanguíneo.

Las condiciones de funcionamiento ideales para una medición precisa son:1) gran separación fuente-detector (SD) (> 30 mm), 2) altas tasas de adquisición, y 3) longitudes de onda más largas (> 1000 nm). Sin embargo, Los dispositivos DCS actuales, que utilizan detectores de fotodiodo de avalancha de fotón único (SPAD), no pueden alcanzar ese ideal. Debido a la alta relación señal-ruido y la baja eficiencia de fotones, no pueden permitir una separación SD superior a 25 mm o una longitud de onda superior a 900 nm.

Para permitir el funcionamiento de dispositivos DCS en condiciones ideales, investigadores del Hospital General de Massachusetts, Escuela Médica de Harvard, y el Laboratorio Lincoln del MIT propusieron recientemente el uso de detectores de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD) en dispositivos DCS.

SNSPD, demostrado por primera vez hace 20 años, consisten en una película delgada de material superconductor con excelente sensibilidad de fotón único y eficiencia de detección. De uso común en telecomunicaciones, información cuántica óptica, y comunicaciones espaciales, Los SNSPD rara vez se utilizan en biomedicina. Los SNSPD superan a los SPAD en múltiples parámetros, como la resolución de tiempo, eficiencia de fotones, y rango de sensibilidad de longitud de onda.

Para demostrar la superioridad operativa del nuevo sistema SNSPD-DCS, Los investigadores realizaron mediciones del flujo sanguíneo cerebral en 11 participantes utilizando los sistemas SNSPD-DCS y SPAD-DCS proporcionados por Quantum Opus. El sistema SNSPD-DCS funcionó a una longitud de onda de 1064 nm con dos detectores SNSPD, mientras que el sistema SPAD-DCS operaba a 850 nm.

El sistema DCS basado en SNSPD mostró una mejora significativa en la SNR en comparación con el DCS convencional basado en SPAD. Esta mejora se atribuyó a dos factores. Primero, con iluminación a 1064 nm, los detectores SNSPD recibieron de siete a ocho veces más fotones que los detectores SPAD a 850 nm. Segundo, SNSPD tiene una eficiencia de detección de fotones más alta (88 por ciento) que la eficiencia de detección de fotones de SPAD del 58 por ciento. Si bien el SPAD-DCS solo podía permitir la adquisición de señales a 1 Hz con una separación SD de 25 mm debido a una SNR baja, el aumento de 16 veces en la SNR para el sistema SNSPD-DCS permitió la adquisición de señales a 20 Hz con la misma separación SD, lo que permitió una detección clara de los pulsos arteriales.

A medida que la sensibilidad del flujo sanguíneo cerebral aumenta sustancialmente para las mediciones tomadas con una separación SD mayor, los investigadores también realizaron mediciones a una separación de 35 mm SD. El sistema SNSPD-DCS registró un aumento relativo del 31,6 por ciento en la sensibilidad al flujo sanguíneo. A diferencia de, el sistema SPAD-DCS no se pudo operar con una separación SD de 35 mm debido a su baja SNR.

Finalmente, El rendimiento del sistema SNSPD-DCS se validó mediante mediciones realizadas durante ejercicios de retención de la respiración e hiperventilación. Teóricamente el flujo sanguíneo aumenta durante los primeros 30 segundos de aguantar la respiración y vuelve lentamente a la normalidad a partir de entonces. Durante la hiperventilación, aumenta el flujo de sangre al cuero cabelludo y disminuye el flujo de sangre al cerebro. Las mediciones de SNSPD-DCS mostraron un aumento del 69 por ciento y una disminución del 18,5 por ciento en el flujo sanguíneo cerebral relativo para contener la respiración e hiperventilación. respectivamente. Estas medidas están de acuerdo con las obtenidas de los estudios PET y MRI.

El sistema SNSPD-DCS facilita una mayor colección de fotones, separaciones SD más grandes, y tasas de adquisición más altas, conduciendo a una mejor precisión. Dadas estas ventajas, Este nuevo sistema puede permitir una medición no invasiva y más precisa del flujo sanguíneo cerebral, un marcador importante de la función cerebrovascular, para aplicaciones clínicas en adultos.