p Para funcionar corretamente, o cérebro requer um fluxo constante de sangue através das artérias e veias cerebrais, que fornecem oxigênio e nutrientes e também removem subprodutos metabólicos. Portanto, o fluxo sanguíneo cerebral é considerado um marcador vital e sensível da função cerebrovascular. Os métodos ópticos oferecem uma abordagem não invasiva para medir o fluxo sanguíneo cerebral. Espectroscopia de correlação difusa (DCS), um método que está ganhando popularidade, envolve a iluminação de tecidos com raios laser infravermelhos. A luz é espalhada pelo movimento dos glóbulos vermelhos e o padrão resultante formado é analisado por um detector para determinar o fluxo sanguíneo. p As condições operacionais ideais para medições precisas são:1) separação grande fonte-detector (SD) (> 30 mm), 2) altas taxas de aquisição, e 3) comprimentos de onda mais longos (> 1000 nm). Contudo, os dispositivos DCS atuais - que usam detectores de fotodiodo de avalanche de fóton único (SPAD) - não podem atingir esse ideal. Devido à alta relação sinal-ruído e baixa eficiência de fótons, eles não podem permitir uma separação SD maior que 25 mm ou comprimento de onda maior que 900 nm.

p Para permitir a operação de dispositivos DCS em condições ideais, pesquisadores do Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, e o MIT Lincoln Laboratory propôs recentemente o uso de detectores supercondutores de fóton único nanofio (SNSPDs) em dispositivos DCS.

p SNSPDs, demonstrado pela primeira vez há 20 anos, consistem em um filme fino de material supercondutor com excelente sensibilidade de fóton único e eficiência de detecção. Comumente usado em telecomunicações, informações quânticas ópticas, e comunicações espaciais, SNSPDs raramente são usados ​​em biomedicina. SNSPDs superam SPADs em vários parâmetros, como resolução de tempo, eficiência de fótons, e faixa de sensibilidade do comprimento de onda.

p Para demonstrar a superioridade operacional do novo sistema SNSPD-DCS, os pesquisadores realizaram medições do fluxo sanguíneo cerebral em 11 participantes usando os sistemas SNSPD-DCS e SPAD-DCS fornecidos pela Quantum Opus. O sistema SNSPD-DCS operou em um comprimento de onda de 1064 nm com dois detectores SNSPD, enquanto o sistema SPAD-DCS operou em 850 nm.

p O sistema DCS baseado em SNSPD mostrou uma melhora significativa no SNR em comparação com o DCS baseado em SPAD convencional. Essa melhora pode ser atribuída a dois fatores. Primeiro, com iluminação em 1064 nm, os detectores SNSPD receberam sete a oito vezes mais fótons do que os detectores SPAD em 850 nm. Segundo, O SNSPD tem uma eficiência de detecção de fótons mais alta (88 por cento) do que a eficiência de detecção de fótons do SPAD de 58 por cento. Embora o SPAD-DCS só pudesse permitir a aquisição de sinal a 1 Hz com separação SD de 25 mm devido ao SNR baixo, o aumento de 16 vezes no SNR para o sistema SNSPD-DCS permitiu a aquisição de sinal em 20 Hz na mesma separação SD, permitindo a detecção clara de pulsos arteriais.

p Como a sensibilidade do fluxo sanguíneo cerebral aumenta substancialmente para medições feitas em uma separação SD maior, os pesquisadores também realizaram medições com separação SD de 35 mm. O sistema SNSPD-DCS registrou um aumento relativo de 31,6% na sensibilidade do fluxo sanguíneo. Em contraste, o sistema SPAD-DCS não pôde ser operado com separação SD de 35 mm devido ao seu baixo SNR.

p Finalmente, o desempenho do sistema SNSPD-DCS foi validado por medidas realizadas durante os exercícios de apneia e hiperventilação. Teoricamente, o fluxo sanguíneo aumenta durante os primeiros 30 segundos de apneia e retorna lentamente ao normal depois disso. Durante a hiperventilação, o fluxo sanguíneo para o couro cabeludo aumenta e o fluxo sanguíneo para o cérebro diminui. As medições SNSPD-DCS mostraram um aumento de 69 por cento e uma diminuição de 18,5 por cento no fluxo sanguíneo cerebral relativo para apneia e hiperventilação, respectivamente. Essas medidas estão de acordo com as obtidas em estudos de PET e ressonância magnética.

p O sistema SNSPD-DCS facilita maior coleta de fótons, separações SD maiores, e taxas de aquisição mais altas, levando a uma melhor precisão. Dadas essas vantagens, este novo sistema pode permitir uma medição não invasiva e mais precisa do fluxo sanguíneo cerebral - um importante marcador da função cerebrovascular - para aplicações clínicas em adultos.