超导单光子探测器在脑部成像中的应用

脑成像技术借助前沿科技，使得科学家得以“洞察活体大脑内部”。这种先进的的成像技术在多个方面为神经学科专家提供了支持：脑成像技术有助于揭示大脑特定区域与相应功能之间的联系、精确定位受疾病影响的脑区、以及开发新的治疗脑部疾病的方法。脑成像领域综合运用多种技术手段，对神经系统的结构和功能进行可视化研究，它作为医学与神经科学交叉融合的新兴学科，近年来已取得了显著的进展。

技术挑战

通过多年的研究与应用，已有多种方法可以实现脑部成像，常见的有计算机X线断层摄影(CT扫描)、磁共振成像（MRI）、血管造影术等，这些方法各有优势。作为近年来突出发展的光学显微镜技术，因其非侵入性和操作简便，成为研究活体大脑的重要工具。例如，共聚焦显微镜常被用作研究工具，用于探究活体小鼠的大脑功能。然而，生物组织中的光散射和吸收会限制成像深度，导致无法对脑部更深层次的成像。以可见光为例，在生物组织探测中，光强度降低到其原始值的一半（衰减长度）的传播距离约为300um，这就表明，光强度越强，能够探测的组织深度就越深。多光子显微镜目前在该项研究中的表现最为优异，在多光子显微镜中，使用两个或多个光子来激发荧光标记物，能够观测到更多的光信号。不过这样的研究需要使用昂贵和复杂的脉冲激光系统，大大限制了它们的应用。

解决方案

一种用于更深的组织成像策略，即利用衰减长度更长的特定波长进行成像。图1展示了光在生物组织中的有效衰减长度，其中可以找到两个最佳波长区域：一个大约在1300nm，另一个大约在1700nm。这些范围位于光谱中的短波红外（SWIR）区域。

图1：可见光和短波红外线下脑组织衰减长度曲线一系列这个展示了水的吸收和散射（米氏理论）的贡献

在短波红外（SWIR）成像中，只有使用高效的探测器才能确保成功。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）在这一波长范围内表现出色，其检测效率超过80%（在1550-1700nm范围内），同时具备高时间分辨率（＜25ps）和低暗计数率（＜100cps），因此成为SWIR共聚焦成像的理想选择。

实验与结果

康奈尔大学徐教授的团队与Single Quantum公司合作，最近使用1310nm激光激发和商用量子点（QDs）作为发射剂，在大约1700nm低衰减窗口进行了活体共聚焦显微镜成像。这种新配置使他们能够实现与多光子显微镜相当的成像深度，同时利用了易于获取的连续波激光的优势。

图2：在短波红外（SWIR）范围内对大脑进行成像。使用SNSPDs作为探测器的完整小鼠大脑共聚焦图像。比例尺：50微米。

图2展示了使用SNSPD探测器获取的图像。值得注意的是，在超过1600um的深度下，仍能实现成像，此时信噪比为1。

总之，将SNSPD与在SWIR下工作的共聚焦显微镜耦合使用，可以实现比单光子共聚焦荧光显微镜以前所能实现的深度深2至4倍的生物结构成像。

西安立鼎光电是荷兰Single Quantum公司中国区的合作伙伴，负责该公司超导纳米线单光子探测器（SNSPD）系统在中国的市场推广和技术服务。感兴趣的伙伴可与我司联系，获取更多产品信息。

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成立于2016年4月，是一家专业从事短波红外成像系统及光电测试装备的研发生产、系统集成、销售服务为一体的国家级高新技术企业。公司专注于为客户提供从器部组件到全套光电系统产品的完整解决方案。近年来，公司研制的短波红外成像系统在激光光斑检测、半导体检测、激光通信、光谱成像、激光切割、生物医疗、天文观测、安防等领域得到了广泛的应用。多年来，根据用户需求研制的多款光电测试装备为用户产品的性能指标保证发挥了重要作用。

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