提高靈敏度和可用性—一種監(jiān)測(cè)腦血流的新方法

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(jī)在多散斑漫相關(guān)光譜學(xué)中的潛力。

評(píng)估大腦的血液循環(huán)可以提供對(duì)其功能的重要見(jiàn)解。血流激增通常對(duì)應(yīng)于神經(jīng)元活動(dòng)，而血流減少可能表示各種不規(guī)則現(xiàn)象，例如中風(fēng)的潛在前兆。最先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)，如漫射相關(guān)光譜 (DCS)，使科學(xué)家能夠通過(guò)將激光照射到頭皮上并檢查散射光來(lái)無(wú)創(chuàng)地測(cè)量大腦的血流量。

更準(zhǔn)確地說(shuō)，基于 DCS 的設(shè)備通過(guò)確定散射光的統(tǒng)計(jì)屬性來(lái)發(fā)揮作用，從而產(chǎn)生散斑圖案。這是激光從粗糙表面散射時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)排列的發(fā)光點(diǎn)和暗點(diǎn)。鑒于血流以統(tǒng)計(jì)可預(yù)見(jiàn)的方式影響這種模式，DCS 可以用作替代測(cè)量方法。

此外，最近興起的單光子雪崩二極管 (SPAD) 相機(jī)使得同時(shí)捕獲許多獨(dú)立散斑成為可能，這與傳統(tǒng) DCS 儀器中僅捕獲單個(gè)散斑模式相反。

這一發(fā)展承諾多斑點(diǎn) DCS 儀器具有更高的靈敏度。然而，處理超過(guò)常用通信協(xié)議的最大數(shù)據(jù)傳輸速率的現(xiàn)代 SPAD 相機(jī)的極高數(shù)據(jù)速率非常具有挑戰(zhàn)性。這一瓶頸限制了 SPAD 相機(jī)在更高像素分辨率方面的可擴(kuò)展性，阻礙了更好的多光斑 DCS 技術(shù)的發(fā)展。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，由愛(ài)丁堡大學(xué)的 Robert K. Henderson 教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家最近提出了一種新穎的數(shù)據(jù)壓縮方案，其中大多數(shù)涉及 SPAD 數(shù)據(jù)的計(jì)算直接在稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(gè) SPAD 傳感器陣列(由 192 x 128 像素組成并封裝在一個(gè)名為 Quanticam 的相機(jī)模塊中)連接到 FPGA，他們?cè)?FPGA 上實(shí)施了自相關(guān)算法。

它從 SPAD 陣列輸出中實(shí)時(shí)計(jì)算了 12,288 個(gè)自相關(guān)——這是多斑點(diǎn) DCS 中最耗時(shí)的計(jì)算之一。通過(guò)這種方式，該團(tuán)隊(duì)設(shè)法將計(jì)算負(fù)擔(dān)從主機(jī)計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到直接連接到 SPAD 傳感器的硬件上。這減輕了對(duì)多斑點(diǎn) DSC 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)可視化的主機(jī)系統(tǒng)之間的高計(jì)算能力和極快數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。

由于這種創(chuàng)新的數(shù)據(jù)壓縮方案，該團(tuán)隊(duì)可以成功地利用 SPAD 陣列中的大量像素來(lái)開(kāi)發(fā)具有更高靈敏度和可用性的多散斑 DSC 技術(shù)。在討論他們的成就時(shí)，Henderson 評(píng)論說(shuō)：“我們提出的系統(tǒng)在信噪比方面取得了顯著的進(jìn)步，比單散斑 DSC 實(shí)現(xiàn)高 110 倍，比其他狀態(tài)高 3 倍-藝術(shù)多斑點(diǎn) DSC 系統(tǒng)。”

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