Per funzionare correttamente, il cervello richiede un flusso costante di sangue attraverso le arterie e le vene cerebrali, che forniscono ossigeno e sostanze nutritive e rimuovono anche i sottoprodotti metabolici. Perciò, il flusso sanguigno cerebrale è considerato un marker vitale e sensibile della funzione cerebrovascolare. I metodi ottici offrono un approccio non invasivo per la misurazione del flusso sanguigno cerebrale. Spettroscopia di correlazione diffusa (DCS), un metodo che sta guadagnando popolarità, comporta l'illuminazione dei tessuti con raggi laser nel vicino infrarosso. La luce viene dispersa dal movimento dei globuli rossi e il modello risultante formato viene analizzato da un rilevatore per determinare il flusso sanguigno.

Le condizioni operative ideali per una misurazione accurata sono:1) ampia separazione sorgente-rivelatore (SD) (> 30mm), 2) alti tassi di acquisizione, e 3) lunghezze d'onda maggiori (> 1000nm). Però, gli attuali dispositivi DCS, che utilizzano rivelatori di fotodiodi a valanga a fotone singolo (SPAD), non possono raggiungere questo ideale. A causa dell'elevato rapporto segnale-rumore e della bassa efficienza dei fotoni, non possono consentire una separazione SD maggiore di 25 mm o una lunghezza d'onda maggiore di 900 nm.

Per consentire il funzionamento dei dispositivi DCS in condizioni ideali, ricercatori del Massachusetts General Hospital, Facoltà di Medicina di Harvard, e il MIT Lincoln Laboratory hanno recentemente proposto l'uso di rivelatori a fotone singolo a nanofili superconduttori (SNSPD) nei dispositivi DCS.

SNSPD, dimostrato per la prima volta 20 anni fa, sono costituiti da un sottile film di materiale superconduttore con un'eccellente sensibilità al singolo fotone ed efficienza di rilevamento. Comunemente utilizzato nelle telecomunicazioni, informazioni quantistiche ottiche, e comunicazioni spaziali, Gli SNSPD sono usati raramente in biomedicina. Gli SNSPD superano gli SPAD in più parametri, come la risoluzione temporale, efficienza dei fotoni, e gamma di sensibilità alla lunghezza d'onda.

Per dimostrare la superiorità operativa del nuovo sistema SNSPD-DCS, i ricercatori hanno condotto misurazioni del flusso sanguigno cerebrale su 11 partecipanti utilizzando entrambi i sistemi SNSPD-DCS e SPAD-DCS forniti da Quantum Opus. Il sistema SNSPD-DCS operava a una lunghezza d'onda di 1064 nm con due rivelatori SNSPD, mentre il sistema SPAD-DCS operava a 850 nm.

Il sistema DCS basato su SNSPD ha mostrato un miglioramento significativo dell'SNR rispetto al DCS convenzionale basato su SPAD. Questo miglioramento è dovuto a due fattori. Primo, con illuminazione a 1064 nm, i rivelatori SNSPD hanno ricevuto da sette a otto volte più fotoni dei rivelatori SPAD a 850 nm. Secondo, SNSPD ha un'efficienza di rilevamento dei fotoni più elevata (88%) rispetto all'efficienza di rilevamento dei fotoni di SPAD del 58%. Mentre lo SPAD-DCS poteva solo consentire l'acquisizione del segnale a 1 Hz con una separazione SD di 25 mm a causa del basso SNR, l'aumento di 16 volte del SNR per il sistema SNSPD-DCS ha consentito l'acquisizione del segnale a 20 Hz alla stessa separazione SD consentendo una chiara rilevazione degli impulsi arteriosi.

Poiché la sensibilità al flusso sanguigno cerebrale aumenta sostanzialmente per le misurazioni effettuate a una separazione SD maggiore, i ricercatori hanno anche eseguito misurazioni a una separazione di 35 mm SD. Il sistema SNSPD-DCS ha registrato un aumento relativo del 31,6% della sensibilità al flusso sanguigno. In contrasto, il sistema SPAD-DCS non poteva funzionare con una separazione SD di 35 mm a causa del suo basso SNR.

Finalmente, le prestazioni del sistema SNSPD-DCS sono state convalidate da misurazioni effettuate durante esercizi di apnea e iperventilazione. Teoricamente, il flusso sanguigno aumenta durante i primi 30 secondi di apnea e successivamente ritorna lentamente alla normalità. Durante l'iperventilazione, il flusso sanguigno al cuoio capelluto aumenta e il flusso sanguigno al cervello diminuisce. Le misurazioni SNSPD-DCS hanno mostrato un aumento del 69 percento e una diminuzione del 18,5% del flusso sanguigno cerebrale relativo per il trattenimento del respiro e l'iperventilazione, rispettivamente. Queste misurazioni sono in accordo con quelle ottenute dagli studi PET e MRI.

Il sistema SNSPD-DCS facilita la raccolta di fotoni più elevati, separazioni SD più grandi, e tassi di acquisizione più elevati, portando a una migliore precisione. Dati questi vantaggi, questo nuovo sistema può consentire una misurazione non invasiva e più precisa del flusso sanguigno cerebrale, un importante marker della funzione cerebrovascolare, per applicazioni cliniche per adulti.