最近的發(fā)現(xiàn)釋放了高像素分辨率單光子雪崩二極管相機在多散斑漫相關光譜學中的潛力。
評估大腦的血液循環(huán)可以提供對其功能的重要見解。血流激增通常對應于神經元活動，而血流減少可能表示各種不規(guī)則現(xiàn)象，例如中風的潛在前兆。最先進的光學技術，如漫射相關光譜 (DCS)，使科學家能夠通過將激光照射到頭皮上并檢查散射光來無創(chuàng)地測量大腦的血流量。
更準確地說，基于 DCS 的設備通過確定散射光的統(tǒng)計屬性來發(fā)揮作用，從而產生散斑圖案。這是激光從粗糙表面散射時產生的隨機排列的發(fā)光點和暗點。鑒于血流以統(tǒng)計可預見的方式影響這種模式，DCS 可以用作替代測量方法。
此外，最近興起的單光子雪崩二極管 (SPAD) 相機使得同時捕獲許多獨立散斑成為可能，這與傳統(tǒng) DCS 儀器中僅捕獲單個散斑模式相反。
這一發(fā)展承諾多斑點 DCS 儀器具有更高的靈敏度。然而，處理超過常用通信協(xié)議的最大數據傳輸速率的現(xiàn)代 SPAD 相機的極高數據速率非常具有挑戰(zhàn)性。這一瓶頸限制了 SPAD 相機在更高像素分辨率方面的可擴展性，阻礙了更好的多光斑 DCS 技術的發(fā)展。
為了解決這個問題，由愛丁堡大學的 Robert K. Henderson 教授領導的一組科學家最近提出了一種新穎的數據壓縮方案，其中大多數涉及 SPAD 數據的計算直接在稱為現(xiàn)場可編程門的商用可編程電路上執(zhí)行陣列(FPGA)。他們的工作由 Meta Platforms Inc. 贊助，并發(fā)表在Journal of Biomedical Optics (JBO) 上。
研究人員將一個 SPAD 傳感器陣列(由 192 x 128 像素組成并封裝在一個名為 Quanticam 的相機模塊中)連接到 FPGA，他們在 FPGA 上實施了自相關算法。
它從 SPAD 陣列輸出中實時計算了 12,288 個自相關——這是多斑點 DCS 中最耗時的計算之一。通過這種方式，該團隊設法將計算負擔從主機計算系統(tǒng)轉移到直接連接到 SPAD 傳感器的硬件上。這減輕了對多斑點 DSC 系統(tǒng)和數據可視化的主機系統(tǒng)之間的高計算能力和極快數據傳輸速率的需求。
由于這種創(chuàng)新的數據壓縮方案，該團隊可以成功地利用 SPAD 陣列中的大量像素來開發(fā)具有更高靈敏度和可用性的多散斑 DSC 技術。在討論他們的成就時，Henderson 評論說：“我們提出的系統(tǒng)在信噪比方面取得了顯著的進步，比單散斑 DSC 實現(xiàn)高 110 倍，比其他狀態(tài)高 3 倍-藝術多斑點 DSC 系統(tǒng)。”
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