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提高靈敏度和可用性—一種監(jiān)測腦血流的新方法

導(dǎo)讀 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

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(yīng)于神經(jīng)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(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(zhǔn)確地說,基于 DCS 的設(shè)備通過確定散射光的統(tǒng)計屬性來發(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產(chǎn)生的隨機(jī)排列的發(fā)光點和暗點。鑒于血流以統(tǒng)計可預(yù)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(jī)使得同時捕獲許多獨(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(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。

為了解決這個問題,由愛丁堡大學(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(jī)模塊中)連接到 FPGA,他們在 FPGA 上實施了自相關(guān)算法。

它從 SPAD 陣列輸出中實時計算了 12,288 個自相關(guān)——這是多斑點 DCS 中最耗時的計算之一。通過這種方式,該團(tuán)隊設(shè)法將計算負(fù)擔(dān)從主機(jī)計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到直接連接到 SPAD 傳感器的硬件上。這減輕了對多斑點 DSC 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)可視化的主機(jī)系統(tǒng)之間的高計算能力和極快數(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(shù)。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(jìn)步,比單散斑 DSC 實現(xiàn)高 110 倍,比其他狀態(tài)高 3 倍-藝術(shù)多斑點 DSC 系統(tǒng)。”

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