Dans une nouvelle étude, des chercheurs du Massachusetts General Hospital ont développé un dispositif de spectroscopie à corrélation diffuse (DCS) à nanofil supraconducteur à détecteur de photons uniques (SNSPD) avec un rapport signal sur bruit élevé et une sensibilité élevée pour le flux sanguin. Cette étude marque l'une des toutes premières applications des SNSPD dans un environnement biomédical. La figure montre la configuration pour la mesure du débit sanguin à l'aide de dispositifs DCS basés sur SNSPD et SPAD. Crédit :Ozana et al., doi 10.1117/1.NPh.8.3.035006.
Pour fonctionner correctement, le cerveau a besoin d'un flux sanguin constant dans les artères et les veines cérébrales, qui fournissent de l'oxygène et des nutriments et éliminent également les sous-produits métaboliques. Par conséquent, le débit sanguin cérébral est considéré comme un marqueur vital et sensible de la fonction cérébrovasculaire. Les méthodes optiques offrent une approche non invasive pour mesurer le débit sanguin cérébral. Spectroscopie de corrélation diffuse (DCS), une méthode qui gagne en popularité, implique l'illumination des tissus avec des rayons laser dans le proche infrarouge. La lumière est diffusée par le mouvement des globules rouges et le motif résultant formé est analysé par un détecteur pour déterminer le flux sanguin.
Les conditions de fonctionnement idéales pour une mesure précise sont :1) une grande séparation source-détecteur (SD) (> 30 millimètres), 2) des taux d'acquisition élevés, et 3) des longueurs d'onde plus longues (> 1000 nm). Cependant, Les dispositifs DCS actuels, qui utilisent des détecteurs à photodiode à avalanche à photon unique (SPAD), ne peuvent pas atteindre cet idéal. En raison du rapport signal sur bruit élevé et de la faible efficacité des photons, ils ne peuvent pas permettre une séparation SD supérieure à 25 mm ou une longueur d'onde supérieure à 900 nm.
Pour permettre le fonctionnement des appareils DCS dans des conditions idéales, chercheurs du Massachusetts General Hospital, Faculté de médecine de Harvard, et le MIT Lincoln Laboratory ont récemment proposé l'utilisation de détecteurs supraconducteurs à nanofils à photon unique (SNSPD) dans les dispositifs DCS.
SNSPD, démontré pour la première fois il y a 20 ans, se composent d'un film mince de matériau supraconducteur avec une excellente sensibilité à un seul photon et une excellente efficacité de détection. Couramment utilisé dans les télécommunications, informations quantiques optiques, et les communications spatiales, Les SNSPD sont rarement utilisés en biomédecine. Les SNSPD surpassent les SPAD dans plusieurs paramètres, comme la résolution temporelle, efficacité photonique, et gamme de sensibilité de longueur d'onde.
Démontrer la supériorité opérationnelle du nouveau système SNSPD-DCS, les chercheurs ont effectué des mesures du débit sanguin cérébral sur 11 participants à l'aide des systèmes SNSPD-DCS et SPAD-DCS fournis par Quantum Opus. Le système SNSPD-DCS fonctionnait à une longueur d'onde de 1064 nm avec deux détecteurs SNSPD, alors que le système SPAD-DCS fonctionnait à 850 nm.
Le système DCS basé sur SNSPD a montré une amélioration significative du SNR par rapport au DCS conventionnel basé sur SPAD. Cette amélioration est attribuable à deux facteurs. D'abord, avec éclairage à 1064 nm, les détecteurs SNSPD ont reçu sept à huit fois plus de photons que les détecteurs SPAD à 850 nm. Seconde, SNSPD a une efficacité de détection de photons plus élevée (88 pour cent) que l'efficacité de détection de photons de SPAD de 58 pour cent. Alors que le SPAD-DCS ne pouvait permettre l'acquisition de signaux qu'à 1 Hz avec une séparation SD de 25 mm en raison du faible SNR, l'augmentation de 16 fois du SNR pour le système SNSPD-DCS a permis l'acquisition du signal à 20 Hz à la même séparation SD, permettant une détection claire des impulsions artérielles.
Comme la sensibilité du flux sanguin cérébral augmente considérablement pour les mesures prises à une plus grande séparation SD, les chercheurs ont également effectué des mesures à une séparation SD de 35 mm. Le système SNSPD-DCS a enregistré une augmentation relative de 31,6 % de la sensibilité du flux sanguin. En revanche, le système SPAD-DCS n'a pas pu fonctionner avec une séparation SD de 35 mm en raison de son faible SNR.
Finalement, les performances du système SNSPD-DCS ont été validées par des mesures prises lors d'exercices d'apnée et d'hyperventilation. Théoriquement, le flux sanguin augmente pendant les 30 premières secondes d'apnée et revient lentement à la normale par la suite. Pendant l'hyperventilation, le flux sanguin vers le cuir chevelu augmente et le flux sanguin vers le cerveau diminue. Les mesures SNSPD-DCS ont montré une augmentation de 69 % et une diminution de 18,5 % du débit sanguin cérébral relatif pour l'apnée et l'hyperventilation, respectivement. Ces mesures sont en accord avec celles obtenues à partir des études TEP et IRM.
Le système SNSPD-DCS facilite la collecte de photons plus élevée, des séparations SD plus importantes, et des taux d'acquisition plus élevés, conduisant à une meilleure précision. Compte tenu de ces avantages, ce nouveau système peut permettre une mesure non invasive et plus précise du débit sanguin cérébral - un marqueur important de la fonction cérébrovasculaire - pour des applications cliniques chez l'adulte.
