Инженеры-биомедики разработали метод сканирования и визуализации кровотока и уровня кислорода в режиме реального времени с разрешением, позволяющим одновременно отслеживать активность как отдельных сосудов, так и всего мозга. Технология описана в журнале Nature Light: Science & Applications.
Исследователи из Университета Дьюка разработали технологию сверхбыстрой функциональной фотоакустической микроскопии (UFF-PAM) для визуализации гемодинамики и оксигенации всего мозга. UFF-PAM создает объемное изображения с частотой 2 Гц в поле зрения 11 × 7,5 × 1,5 мм с высоким пространственным разрешением около 10 мкм.
Фотоакустическая микроскопия, которую использовали ученые, основана на сочетании света и звука. Лазер направляет свет в целевую ткань или клетку. Под действием света клетка нагревается и мгновенно расширяется, создавая ультразвуковую волну, которая фиксируется датчиками.
Исследователи доработали устройство для фотоакустической микроскопии, а также применили машинное обучение для повышения качества поступающих изображений.
Система многоугольного сканирования, созданная учеными, посылает больше лазерных импульсов на большую площадь, а новый механизм сканирования позволяет лазерному сканеру и ультразвуковому датчику работать одновременно. Разработчики отмечают, что эти изменения удвоили скорость их устройства.
На втором этапе ученые создали алгоритм машинного обучения, который повысил разрешение изображений. Исследователи научили ИИ идентифицировать сосудистую сеть в мозге, используя более 400 изображений мозга мышей, собранных в предыдущих экспериментах. Хотя каждый мозг уникален, алгоритм научился определять общие структуры и использовал эти знания для заполнения ранее отсутствующих пикселей.
«Полученные изображения выглядели такими же подробными, как и изображения с высоким разрешением, которые мы обычно получали бы, если бы работали на гораздо меньшей скорости, и нам не нужно было жертвовать полным полем зрения», — говорит Цзюньцзе Яо, один из авторов исследования.
Исследователи отмечают, что при визуализации мозга необходимо одновременно решать две задачи. С одной стороны, инструменты должны быть достаточно быстрыми, чтобы фиксировать краткосрочные события, например, возбуждение нейрона или движение крови по капилляру. И в то же время они должны показывать активность в разных масштабах — во всем мозге или на уровне одной артерии.
Вы можете достичь этих целей по отдельности, но очень сложно делать их все вместе. Это все равно, что выбирать между маленькой быстрой машиной, в которой неудобно сидеть, и большой, просторной машиной, скорость которой не превышает 30 миль в час.
Цзюньцзе Яо, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Университете Дьюка, один из авторов исследования
Исследователи планируют использовать UFF-PAM для изучения заболеваний головного мозга, таких как деменция, болезнь Альцгеймера или даже длительный COVID. Они также планируют доработать устройство для визуализации таких органов, как сердце, печень и плацента, которые также находятся в движении и требуют высокой скорости визуализации.
Читать далее
Сравните, как сняли затмение Луны НАСА и Роскосмос
Так близко Солнце вы еще не видели. Опубликовано видео зонда Solar Orbiter
«Вояджер-1» отправляет странные данные. В НАСА не понимают, в чем дело