Chụp ảnh não bằng siêu âm
(alephneuro.com)- Aleph đang phát triển phần cứng giao diện não dựa trên siêu âm có thể quan sát hoạt động mạch máu trong não với độ phân giải cao mà không cần mở hộp sọ, đồng thời hướng tới cả phạm vi quan sát rộng lẫn độ chi tiết như MRI
- Phương pháp này tận dụng liên kết thần kinh–mạch máu, trong đó máu được cung cấp nhiều hơn tới các vùng neuron hoạt hóa, để tạo bản đồ lưu lượng và thể tích máu từ các tín hiệu tán xạ siêu âm đi xuyên qua hộp sọ
- Kết quả được công bố là hình ảnh mạch máu chi tiết nhất từng có của não người sống được chụp xuyên qua hộp sọ còn nguyên vẹn, đồng thời là trường hợp đầu tiên của hiển vi định vị siêu âm 3D xuyên sọ trên não người
- Bằng cách truyền liên tục chất tương phản vi bọt trong 4 phút, họ đạt độ phân giải cao hơn 100 lần tính theo thể tích so với CT tương đương, nhưng kỹ thuật siêu phân giải này chỉ khả thi trong phiên bản có dùng chất tương phản
- Mục tiêu cuối cùng là chụp ảnh siêu âm thần kinh–mạch máu không cần chất tương phản; để khôi phục tín hiệu tán xạ yếu từ hồng cầu sẽ cần dữ liệu quy mô lớn và machine learning end-to-end
Chụp ảnh hoạt động não mà không cần mở hộp sọ
- Các nghiên cứu tái tạo lại hình ảnh mà một người đang nhìn chỉ từ hoạt động não đã cho thấy tiềm năng của giao diện não, nhưng các ví dụ trước đây cần thiết bị MRI, nên khó dùng như thiết bị đeo
- Hiện nay phần cứng giao diện não chia thành hai thái cực
- Cách khoan lỗ trên hộp sọ và cấy điện cực vào não
- Cách ghi hoạt động não từ bên ngoài đầu bằng EEG, nhưng hình ảnh thu được mờ
- Aleph đang tạo ra phần cứng mới cung cấp mức độ chi tiết của não tương đương MRI mà không cần khoan
Cách siêu âm đọc hoạt động não qua lưu lượng máu
- Phần cứng này dựa trên siêu âm và tận dụng mối liên kết giữa hệ mạch và neuron
- Khi neuron phát xung, nhiều máu hơn sẽ được cung cấp tới khu vực đó
- Siêu âm đi qua hộp sọ sẽ bị tán xạ bởi hồng cầu, và từ tín hiệu này có thể tạo bản đồ lưu lượng và thể tích máu cho toàn bộ não
Hai điều kiện của giao diện não phổ dụng
- Aleph cho rằng giao diện não phổ dụng cần hai điều kiện
-
Quan sát vùng não rộng
- Ngay cả khi dùng 1.000 điện cực cũng chỉ thu được tối đa khoảng 0,001% não
- Mức này hữu ích cho các tác vụ hẹp như điều khiển con trỏ, nhưng suy nghĩ được phân tán trên toàn bộ não
-
Độ phân giải cao
- EEG và MEG có trường nhìn rộng nhưng hình ảnh hoạt động não bị mờ
- Đây là giới hạn căn bản do cách điện trường và từ trường lan truyền, nên ngay cả khi tăng cảm biến lên hàng triệu cũng không giải quyết được
- Siêu âm thần kinh–mạch máu có thể đáp ứng đồng thời cả hai điều kiện như MRI, và về mặt vật lý có thể ghi lại 1 triệu pixel độc lập trên toàn bộ não với kích thước dưới milimét
Hình ảnh mạch máu 3D đầu tiên xuyên qua hộp sọ còn nguyên vẹn
- Kết quả Aleph công bố là hình ảnh mạch máu chi tiết nhất của não người sống từng được chụp bằng siêu âm qua hộp sọ còn nguyên vẹn
- Trong thể tích mạch máu được tái dựng có thể thấy các mạch lớn, động mạch màng mềm, và tiểu động mạch
- Đây là hình ảnh hiển vi định vị siêu âm 3D đầu tiên trên thế giới thu được xuyên qua hộp sọ ở não người
- Họ đạt độ phân giải cao hơn CT tương đương 100 lần tính theo thể tích
- Tuy nhiên, con số này là kết quả khi dùng kỹ thuật siêu phân giải, và kỹ thuật này chỉ khả thi với siêu âm thần kinh–mạch máu dựa trên chất tương phản
- Aleph cho rằng chụp ảnh vi bọt xuyên sọ không chỉ là mục tiêu tự thân mà còn có nhiều ứng dụng khác, nên đã công bố toàn bộ pipeline và bộ dữ liệu dưới dạng mã nguồn mở
- Đột quỵ, bệnh Alzheimer và chấn thương sọ não để lại các dấu hiệu mạch máu ở quy mô mà CT và MRI không thể nắm bắt về độ phân giải, và Aleph tin rằng phương pháp chụp ảnh ở độ phân giải này sẽ chạm tới được vùng đó
Pipeline xử lý dùng vi bọt để vượt qua giới hạn nhiễu xạ
- Vi bọt được dùng để vượt qua giới hạn nhiễu xạ của siêu âm
- Siêu âm thông thường không thể tách hai vật thể ở gần nhau hơn khoảng một bước sóng, và các cấu trúc nhỏ hơn sẽ trông như một khối duy nhất
- Một vi bọt đơn lẻ trông như một điểm mờ có bề rộng cỡ bước sóng, nhưng bằng cách fitting ở mức subpixel có thể ước lượng tâm của nó chính xác hơn rất nhiều so với bước sóng
- Biến số cốt lõi là nồng độ bọt
- Bọt được đưa vào đủ thưa để các điểm mờ của từng bọt không chồng lên nhau
- Tích lũy hàng triệu vị trí của các bọt chảy dọc theo mạch máu
- Xếp chồng các vị trí này để tạo một ảnh đơn có độ chi tiết cao hơn bước sóng
- Các bọt là những túi lưu huỳnh hexafluoride được bao quanh bởi vỏ lipid, và là chất tương phản đã được FDA phê duyệt
- Aleph truyền liên tục các bọt trong suốt 4 phút chụp
- Khí có trở kháng âm khác biệt lớn so với mô nên âm thanh phản xạ mạnh ở bề mặt bọt, góp phần vừa tăng cường tín hiệu vừa tạo siêu phân giải
- Khi nối tâm của các bọt giữa các khung hình, có thể tạo quỹ đạo 3D, và dùng hướng cùng tốc độ của chúng để theo dõi lưu lượng máu trong hệ vi mạch sống
Con đường hướng tới siêu âm thần kinh–mạch máu không cần chất tương phản
- Aleph xem các kết quả dựa trên chất tương phản là bước trung gian, còn đích cuối là chụp ảnh não thần kinh–mạch máu không cần chất tương phản
-
Thay đổi phần cứng
- Trước đây thiết bị siêu âm có giá hơn 100.000 USD và cần một xe đẩy đầy thiết bị điện tử
- Nhờ các công ty như Butterfly, hiện thiết bị siêu âm đã tiến gần tới mức giá và kích thước tương tự smartphone và vẫn đang tiếp tục cải thiện
-
Dữ liệu và machine learning
- Chụp ảnh không dùng chất tương phản khó hơn nhiều
- Hồng cầu tán xạ yếu hơn vi bọt rất nhiều nên tín hiệu rất yếu
- Aleph cho rằng tín hiệu đó không biến mất, mà chỉ là các phương pháp hiện tại chưa khai thác đủ
- Đầu dò siêu âm tiêu chuẩn nhận lượng dữ liệu ở mức terabyte mỗi giờ, nhưng các pipeline xử lý thông thường nén xuống còn 0,1% so với bản gốc
- Các pipeline hiện có dựa trên những đặc trưng được thiết kế thủ công, và Aleph xem điều này giống với thị giác máy tính thời kỳ đầu
- Họ tin rằng machine learning end-to-end được huấn luyện trên bộ dữ liệu đủ lớn có thể khôi phục nhiều tín hiệu hơn rất nhiều so với các phương pháp hiện tại
- Aleph hiện đang thu thập thứ họ cho là bộ dữ liệu siêu âm thần kinh–mạch máu lớn nhất thế giới
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Ngay cả siêu âm cường độ thấp ở mức dùng cho phụ nữ mang thai cũng có thể gây ra thay đổi vi cấu trúc trong não[0], đặc biệt là ở nút Ranvier, các khe giữa bao myelin của sợi trục
Bài tổng quan [1] cũng đáng tham khảo
[0] Ellisman MH, Palmer DE, André MP (1987), "Diagnostic levels of ultrasound may disrupt myelination," Experimental Neurology 98:78–92
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3308504/
[1] Quarato, C.M.I., Lacedonia, D., Salvemini, M., Tuccari, G., Mastrodonato, G., Villani, R., Fiore, L.A., Scioscia, G., Mirijello, A., Saponara, A. and Sperandeo, M., 2023. A review on biological effects of ultrasounds: key messages for clinicians. Diagnostics, 13(5), p.855
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10001275/
Con người nghe được là vì dải tần số nghe được làm các thụ thể ở tai trong chuyển động; hiệu ứng này không chỉ khu trú ở tai, nên toàn bộ não cũng bị ảnh hưởng, nhưng về mặt sinh học thì cơ thể đã thích nghi với điều đó
Khi gõ vào cây, âm thanh ở nhiều tần số được tạo ra: dưới ngưỡng nghe của người, trong dải nghe được, và cả siêu âm ở trên dải nghe được. Nhìn chung thứ nguy hiểm hơn là tiếng ồn kéo dài ở bất kỳ tần số nào, đặc biệt nếu là tần số thấp với biên độ lớn thì nó có thể đẩy cơ thể về mặt vật lý và gây hại
Đây là một công trình ấn tượng và bằng chứng khái niệm cũng thú vị, nhưng có khá nhiều phần bị thổi phồng và thiếu thông tin, nên có lẽ cần nhìn nhận một cách phê phán
Thiếu sót lớn nhất là so sánh và kiểm chứng với các công nghệ hình ảnh y tế hiện có. Chụp hình mạch máu thần kinh toàn não không dùng chất tương phản về cơ bản là lĩnh vực MRI đã giải quyết được, nên tôi thắc mắc vì sao họ không so sánh với chụp MRI
Đúng là siêu âm có thể mang theo và rẻ, nhưng trong quy trình y tế, ở hầu hết các thành phố MRI cũng khá phổ biến và chi phí tương đối hợp lý; MRI não từ trường thấp cũng đang phần nào giảm vấn đề về tính di động và chi phí
Có vẻ họ đang định vị sản phẩm này như một thiết bị thần giao cách cảm dạng đeo, điều này phù hợp để tạo khác biệt, nhưng cũng kéo theo cách đóng khung kiểu “không cần biết nguyên lý hoạt động”, khiến người ta càng hoài nghi hơn và đòi hỏi chuẩn kiểm chứng cao hơn
Ngay cả khi sống ở những nước gọi là phát triển, việc người dân phải chờ nhiều tháng, thậm chí hơn một năm để được chụp MRI một lần là chuyện phổ biến. Đây là vấn đề của toàn bộ hệ thống y tế chứ không chỉ riêng thiết bị MRI, nhưng nếu thiết bị rẻ hơn khoảng một đến hai bậc độ lớn và vận hành cũng dễ hơn, khả năng tiếp cận chắc chắn sẽ được cải thiện đáng kể
Tôi đồng ý rằng cần so sánh với giá trị chuẩn, và hy vọng họ đã làm nhiều việc như vậy để kiểm chứng các kết quả được thấy ở đây
Thiết bị MRI đắt hơn khoảng 1.000 lần
Hình ảnh độ phân giải cao này được tạo bằng cách tiêm loãng chất tương phản vi bọt sulfur hexafluoride bọc trong vỏ lipid
Tôi tò mò những bọt đó loãng đến mức nào, và liệu hình ảnh chúng ta thấy có phải là ảnh tổng hợp bằng cách chồng nhiều bọt theo thời gian hay không
Mục tiêu cuối cùng là làm được cả khi không có bọt thì tốt, nhưng bước nhảy đó mang cảm giác như “giờ hãy vẽ nốt phần còn lại của con cú”. Kỹ thuật đầu tiên phụ thuộc hoàn toàn vào vi bọt, nhưng ngoài lời nói chung chung rằng công nghệ đang phát triển, họ không giải thích vì sao có thể làm được khi không có bọt
Nhìn vào hình ảnh hồng cầu, kỹ thuật siêu phân giải dùng ở đây phụ thuộc rất nhiều vào việc bọt đủ thưa
Nếu nghĩ về một điểm đơn lẻ hoặc một tập điểm rất hiếm ở độ phân giải thấp, dù không nhìn rõ vẫn có thể khớp được vị trí của nó. Đây là kỹ thuật phổ biến trong thiên văn vô tuyến và có lẽ cả trong đo đạc thiên thể; compressed sensing cũng từng là một lĩnh vực rất nóng
Nhưng hồng cầu là những vật thể mềm và kỳ lạ, đồng thời lấp đầy dòng máu khá dày đặc. Theo ước tính của ChatGPT, chúng cách nhau khoảng 20µm, và trong mao mạch thì dài khoảng 7µm; nghe có vẻ hợp lý
Ngay cả chưa tính đến đặc tính tán xạ tệ hơn rất nhiều của hồng cầu, chúng cũng không hề thưa lắm. Về thực chất là gần như mất đi một chiều của tính thưa và phải phân giải toàn bộ mao mạch, nên có thể là khả thi nhưng khó hơn nhiều. Đáng tiếc là khoảng cách giữa các mao mạch não khoảng 40µm, nên kết quả có thể trở nên rất tệ
Bài viết không nêu bước sóng được dùng hay độ phân giải cơ bản, tức độ phân giải bước sóng/2 là bao nhiêu
Nếu thực hiện được thì tốt, nhưng tôi sẽ xếp nó vào nhóm công nghệ chưa đưa ra được lộ trình thuyết phục để vượt qua một giới hạn rõ ràng
Để làm vậy sẽ cần lượng dữ liệu khổng lồ, và có vẻ họ định dùng chính thiết bị vừa chế tạo để thu thập dữ liệu đó
Bản thân công nghệ hình ảnh thì rất hay, nhưng trang chủ hơi ngượng
Có một lập luận khá thuyết phục rằng mức độ đọc suy nghĩ mà họ ám chỉ vốn dĩ không thể tái dựng chỉ bằng huyết động học. Khoảnh khắc bạn bắt đầu ghi nhận máu thay vì các spike của mạch thần kinh, số chiều thông tin đã bị mất không thể đảo ngược, và hoàn toàn không rõ thứ mà các VC tưởng tượng khi thấy từ “telepathy” có còn sót lại sau phép biến đổi đó hay không
Thứ họ có gần giống dữ liệu giao đồ ăn trong khu phố. Bạn có thể biết khá nhiều thứ như khi nào có tiệc, nhưng không thể biết ai mặc bộ đồ đẹp nhất và họ đã nói gì trong bữa tối. Thông tin đó đơn giản là không sống sót khi đi qua giao diện
Có một hẻm vực khổng lồ giữa diễn giải dựa trên thông tin và đọc suy nghĩ
Một câu hỏi ngây thơ: xét đến việc dùng sóng âm, liệu có vấn đề về độ trễ không?
Meta cũng đang làm theo hướng này [0], nên khó tránh khỏi việc nảy ra những câu hỏi kiểu Orwell về tương lai gần
Nếu tôi mang một con chuột cảnh vào rạp chiếu phim và bạn tôi dùng Apple iFMRI để quét lại bộ phim, DRM vẫn còn hiệu lực, hay lũ chuột sẽ bị khóa DRM?
Liệu chỉ mống mắt có đủ để khởi động máy tính không, hay tôi phải bấm “chấp nhận tất cả cookie sóng não”?
Liệu tôi có thể email cho người phụ trách Flock ở địa phương để yêu cầu lắp một Brain Pole mới trong khu phố không? Tôi đã thấy vài nam thanh niên có suy nghĩ đen tối, và camera suy nghĩ của Amazon cho biết xác suất thất lạc bưu kiện tăng lên
[0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...
Tất cả các kỹ thuật chụp ảnh kiểu này đều khá phức tạp. Siêu âm cần tiếp xúc trực tiếp, và kỹ thuật này chỉ hoạt động khi phải truyền tĩnh mạch các vi bọt trong thời gian dài. fMRI cũng vì nhiều lý do mà khó trở thành một thiết bị cầm tay có thể chĩa vào thứ gì đó
Mối liên hệ với suy nghĩ cũng gần với khoa học viễn tưởng hơn là thực tế. Về lý thuyết, kỹ thuật này có thể thấy thay đổi lưu lượng máu ở nhiều vùng, nhưng điều đó có nghĩa là gì? Khó phân biệt bệnh nhân đang lo lắng, hay chỉ căng thẳng vì bị truyền IV vi bọt sẽ đi lên não và bị gắn máy lên đầu
Không biết Orwell sẽ nghĩ gì
Tôi không muốn gieo rắc nỗi sợ vô cớ, nhưng tự hỏi dùng siêu âm theo cách này có an toàn không
Theo tôi hiểu thì về cơ bản đó là sóng âm tần số cao nên có thể ổn với hầu hết mô, nhưng ở đây nói là bị tán xạ bởi hồng cầu, nên không hiểu sao lại thấy bất an
Tùy cường độ, tần số và mô đích, có thể có tác động của siêu âm. Ở chỗ khác cũng có người đã liên kết vài bài báo học thuật về chủ đề này
Dùng cho não thì tôi cũng do dự. Ít nhất cần có thử nghiệm mô hình động vật dài hạn thật kỹ. Phải áp dụng hằng ngày trên động vật có vú trong 10 năm rồi so với nhóm đối chứng để chứng minh không có tác động tiêu cực
Suốt tuần trước có cảm giác siêu âm sẽ giải quyết mọi thứ
Nhóm đứng sau bài này, ít nhất là tính đến vài tháng trước, đang làm việc cùng Midjourney
Thật thú vị khi nghĩ rằng có người cho rằng việc tiêm SF6 vào mạch máu đủ an toàn để được FDA phê duyệt
Khi dùng làm chất cản âm siêu âm, nó “đã được dùng để khảo sát tính mạch máu của khối u”, tương tự cách dùng trong bài gốc. Ngoài ra, “có thể thấy trong máu trong 3–8 phút và được thở ra qua phổi”
Không phải kiểu tích tụ ở gan rồi được thải ra như tôi nghĩ lúc đầu
Cũng có nhiều nhà sản xuất chất cản âm như SonoVue/Lumason của Bracco hay Optison của GE Healthcare. Chỉ xét về độ an toàn, rất có thể nó tốt hơn chất cản quang iod của CT hoặc chất tương phản gadolinium của MRI, và hiện nay đây là một công nghệ khá established