अल्ट्रासाउंड से मस्तिष्क की इमेजिंग

 (alephneuro.com)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 4 시간 전 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • Aleph ऐसा अल्ट्रासाउंड-आधारित ब्रेन इंटरफेस हार्डवेयर विकसित कर रही है जो खोपड़ी खोले बिना मस्तिष्क की रक्त-वाहिका गतिविधि को उच्च रेज़ोल्यूशन में देख सके, और MRI की तरह व्यापक कवरेज तथा सूक्ष्म रेज़ोल्यूशन दोनों को एक साथ हासिल करने का लक्ष्य रखती है
  • यह तरीका न्यूरोवैस्कुलर कपलिंग का उपयोग करता है, जिसमें जिन हिस्सों में न्यूरॉन सक्रिय होते हैं वहाँ अधिक रक्त पहुंचता है; खोपड़ी के पार गई अल्ट्रासाउंड की बिखरी हुई सिग्नलों से रक्त प्रवाह और रक्त आयतन के मानचित्र बनाए जाते हैं
  • प्रकाशित परिणाम जीवित मानव मस्तिष्क की, पूरी खोपड़ी के पार से ली गई अब तक की सबसे विस्तृत वैस्कुलर इमेज हैं, और मानव मस्तिष्क में transcranial 3D ultrasound localization microscopy का पहला उदाहरण हैं
  • 4 मिनट तक microbubble contrast agent का लगातार इंजेक्शन देकर, तुलनीय CT की तुलना में आयतन-आधारित 100 गुना अधिक रेज़ोल्यूशन हासिल किया गया, लेकिन यह super-resolution तकनीक केवल contrast agent वाले संस्करण में ही संभव है
  • अंतिम लक्ष्य contrast-free neurovascular ultrasound imaging है, और लाल रक्त कोशिकाओं की कमजोर scattering signal को पुनर्स्थापित करने के लिए बड़े पैमाने के डेटा और end-to-end मशीन लर्निंग की आवश्यकता होगी

खोपड़ी खोले बिना मस्तिष्क गतिविधि की इमेजिंग

  • केवल मस्तिष्क गतिविधि के आधार पर व्यक्ति जो देख रहा है उसकी छवि पुनर्निर्मित करने वाले शोध ने ब्रेन इंटरफेस की संभावनाएँ दिखाईं, लेकिन मौजूदा उदाहरणों में MRI उपकरण की आवश्यकता होती है, इसलिए उन्हें पहनने योग्य डिवाइस के रूप में उपयोग करना कठिन है
  • वर्तमान ब्रेन इंटरफेस हार्डवेयर दो छोरों में बंटा हुआ है
    • खोपड़ी में छेद करके मस्तिष्क में इलेक्ट्रोड डालने वाली विधि
    • सिर के बाहर से EEG द्वारा मस्तिष्क गतिविधि रिकॉर्ड करने वाली, लेकिन धुंधली इमेज देने वाली विधि
  • Aleph बिना drilling के MRI-स्तर की मस्तिष्क विवरण-क्षमता देने वाला नया हार्डवेयर बना रही है

अल्ट्रासाउंड रक्त प्रवाह के जरिए मस्तिष्क गतिविधि कैसे पढ़ता है

  • यह हार्डवेयर अल्ट्रासाउंड पर आधारित है और रक्त-वाहिका तंत्र तथा न्यूरॉनों के बीच संबंध का उपयोग करता है
  • जब न्यूरॉन फायर करते हैं, तो संबंधित क्षेत्र में अधिक रक्त पहुंचता है
  • खोपड़ी के पार गया अल्ट्रासाउंड लाल रक्त कोशिकाओं से बिखरता है, और इसी सिग्नल से पूरे मस्तिष्क के रक्त प्रवाह और रक्त आयतन मानचित्र बनाए जा सकते हैं

सार्वभौमिक ब्रेन इंटरफेस की दो शर्तें

  • Aleph का मानना है कि एक सार्वभौमिक ब्रेन इंटरफेस के लिए दो शर्तें जरूरी हैं

  • मस्तिष्क के बड़े हिस्से का अवलोकन

    • 1000 इलेक्ट्रोड इस्तेमाल करने पर भी मस्तिष्क का अधिकतम लगभग 0.001% ही पकड़ा जा सकता है
    • यह कर्सर नियंत्रण जैसे सीमित कार्यों के लिए उपयोगी है, लेकिन विचार पूरे मस्तिष्क में वितरित होते हैं

  • उच्च रेज़ोल्यूशन

    • EEG और MEG का दृश्य-क्षेत्र व्यापक होता है, लेकिन मस्तिष्क गतिविधि की इमेज धुंधली होती है
    • यह विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रसार के तरीके से जुड़ी मूलभूत सीमा है, जिसे सेंसरों की संख्या लाखों तक बढ़ाने पर भी हल नहीं किया जा सकता
    • न्यूरोवैस्कुलर अल्ट्रासाउंड, MRI की तरह, दोनों शर्तें पूरी कर सकता है और भौतिक रूप से पूरे मस्तिष्क में 10 लाख स्वतंत्र पिक्सेल को मिलीमीटर से छोटे आकार में रिकॉर्ड कर सकता है

पूरी खोपड़ी के पार पहली 3D वैस्कुलर इमेज

  • Aleph द्वारा जारी परिणाम, पूरी खोपड़ी के पार अल्ट्रासाउंड से ली गई, जीवित मानव मस्तिष्क की सबसे विस्तृत वैस्कुलर इमेज हैं
  • पुनर्निर्मित वैस्कुलर वॉल्यूम में बड़ी रक्त-वाहिकाएँ, pia arteries, और arterioles देखे जा सकते हैं
  • यह मानव मस्तिष्क में खोपड़ी के पार प्राप्त दुनिया की पहली 3D ultrasound localization microscopy इमेज है
  • तुलनीय CT की तुलना में आयतन-आधारित 100 गुना अधिक रेज़ोल्यूशन हासिल किया गया
    • हालांकि, यह आंकड़ा super-resolution तकनीक के उपयोग से प्राप्त हुआ, और यह तकनीक केवल contrast agent-आधारित neurovascular ultrasound में ही संभव है
  • Aleph का मानना है कि transcranial microbubble imaging का उपयोग, अपने मूल लक्ष्य से आगे भी, कई अनुप्रयोगों में हो सकता है, और उसने पूरी pipeline तथा dataset को open source के रूप में जारी किया है
  • स्ट्रोक, अल्ज़ाइमर रोग, और traumatic brain injury ऐसे वैस्कुलर signatures छोड़ते हैं जो CT और MRI के रेज़ोल्यूशन से पकड़ में नहीं आते; Aleph का मानना है कि यह इमेजिंग उस स्तर तक पहुँच सकती है

microbubble के जरिए diffraction limit से आगे की processing pipeline

  • microbubble का उपयोग अल्ट्रासाउंड की diffraction limit से आगे जाने के लिए किया जाता है
  • सामान्य अल्ट्रासाउंड लगभग एक wavelength से कम दूरी पर स्थित दो वस्तुओं को अलग नहीं कर पाता, और उससे सूक्ष्म संरचनाएँ एक ही धुंधले समूह की तरह दिखती हैं
  • एक microbubble लगभग wavelength-चौड़ाई वाले धुंधले बिंदु की तरह दिखता है, लेकिन subpixel fitting से उसके केंद्र का अनुमान wavelength से कहीं अधिक सटीकता से लगाया जा सकता है
  • मुख्य चर bubble concentration है
    • bubbles को इतना विरल रूप से इंजेक्ट किया जाता है कि प्रत्येक bubble का धुंधला बिंदु दूसरे से ओवरलैप न करे
    • रक्त-वाहिकाओं के साथ बहते bubbles की लाखों स्थितियाँ संचित की जाती हैं
    • इन स्थितियों को जोड़कर wavelength से भी अधिक सूक्ष्म एकल इमेज बनाई जाती है
  • bubbles, lipid shell से घिरी sulfur hexafluoride गैस की थैलियाँ हैं, और यह FDA-स्वीकृत contrast agent है
  • Aleph ने 4 मिनट की इमेजिंग के दौरान bubbles का लगातार इंजेक्शन दिया
  • गैस और ऊतक के acoustic impedance में बड़ा अंतर होने से bubble की सतह पर ध्वनि तीव्रता से परावर्तित होती है, जो signal enhancement और super-resolution दोनों में योगदान देती है
  • फ्रेमों के बीच bubble केंद्रों को जोड़ने पर 3D trajectories बनती हैं, और उनकी दिशा तथा गति से जीवित सूक्ष्म रक्त-वाहिका तंत्र में रक्त प्रवाह को ट्रैक किया जा सकता है

contrast-free neurovascular ultrasound की ओर रास्ता

  • Aleph contrast agent-आधारित परिणामों को एक मध्यवर्ती चरण मानती है, और अंतिम लक्ष्य contrast-free neurovascular brain imaging है

  • हार्डवेयर में बदलाव

    • पहले अल्ट्रासाउंड उपकरणों की कीमत 100,000 डॉलर से अधिक होती थी और इलेक्ट्रॉनिक्स से भरी एक cart की जरूरत पड़ती थी
    • Butterfly जैसी कंपनियों की वजह से अब अल्ट्रासाउंड उपकरण कीमत और आकार में स्मार्टफोन के करीब पहुँच गए हैं, और लगातार बेहतर हो रहे हैं

  • डेटा और मशीन लर्निंग

    • contrast-free imaging अधिक कठिन है
    • लाल रक्त कोशिकाएँ microbubbles की तुलना में बहुत कमजोर scattering करती हैं, इसलिए signal कमजोर होता है
    • Aleph का मानना है कि यह signal गायब नहीं हुआ है, बल्कि मौजूदा तरीके उसे पर्याप्त रूप से निकाल नहीं पा रहे
    • मानक अल्ट्रासाउंड probe प्रति घंटे टेराबाइट-स्तर का डेटा प्राप्त करते हैं, लेकिन सामान्य processing pipeline इसे मूल डेटा के केवल 0.1% तक संपीड़ित कर देती है
    • मौजूदा pipeline हाथ से डिज़ाइन किए गए features पर आधारित हैं, और Aleph इसे कंप्यूटर विज़न के शुरुआती दौर जैसा मानती है
    • पर्याप्त बड़े dataset पर प्रशिक्षित end-to-end मशीन लर्निंग मौजूदा तरीकों की तुलना में कहीं अधिक signal पुनर्स्थापित कर सकती है
    • Aleph इस समय अपने अनुसार दुनिया का सबसे बड़ा neurovascular ultrasound dataset एकत्र कर रही है

संबंधित पढ़ाई

1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 4 시간 전
Hacker News की राय

  • गर्भवती महिलाओं में इस्तेमाल होने वाले स्तर की कम-तीव्रता ultrasound भी मस्तिष्क की microstructure में बदलाव ला सकती है[0], और खासकर axon की myelin sheath के बीच के गैप, यानी Nodes of Ranvier, में बदलाव दिखते हैं
    review paper [1] भी देखने लायक है
    [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/

    • हर ध्वनि vibration है, इसलिए जब vibration पदार्थ से होकर गुजरते हुए उसे भौतिक रूप से हिलाती है, तो अंततः किसी न किसी हद तक असर तो होता ही है
      इंसान जो सुन पाते हैं, वह इसलिए कि audible frequency range inner ear के receptors को हिलाती है; और यह असर सिर्फ कान तक local नहीं रहता, इसलिए पूरा मस्तिष्क भी प्रभावित होता है, हालांकि जैविक रूप से वह इसके अनुरूप अनुकूलित है
      पेड़ पर थपथपाने से मानव audible range से नीचे, audible range में, और audible range से ऊपर यानी ultrasound तक कई frequencies की ध्वनियां बनती हैं। आम तौर पर ज्यादा खतरनाक चीज किसी भी frequency का लगातार noise है, और खासकर low frequency पर amplitude बड़ा हो तो यह शरीर को भौतिक रूप से धक्का दे सकता है, इसलिए नुकसानदेह होता है
    • अगर ultrasound मस्तिष्क पर असर डालता है, तो लगता है कि किसी खास pattern से non-destructive brain stimulation भी किया जा सकता है

  • काम शानदार है और proof of concept भी दिलचस्प है, लेकिन hype और छूटी हुई जानकारी काफी है, इसलिए इसे आलोचनात्मक नजर से देखना जरूरी लगता है
    सबसे बड़ी कमी मौजूदा medical imaging technologies से तुलना और validation की है। बिना contrast agent के whole-brain neurovascular imaging असल में MRI से हल हो चुका क्षेत्र है, इसलिए हैरानी है कि MRI scan से तुलना क्यों नहीं की गई
    ultrasound portable और सस्ता है, यह सही है, लेकिन medical workflow में ज्यादातर शहरों में MRI भी काफी व्यापक रूप से उपलब्ध है और लागत भी अपेक्षाकृत reasonable है; low-field brain MRI portability और लागत की समस्या को कुछ हद तक कम कर रहा है
    ऐसा लगता है कि वे इस product को wearable telepathy device के रूप में position कर रहे हैं, जो differentiation के लिहाज से ठीक है, लेकिन इससे “इसके काम करने का principle जानने की जरूरत नहीं” वाली framing भी आ जाती है, और उल्टा skepticism व validation के ऊंचे standards की मांग बढ़ती है

    • “MRI ज्यादातर शहरों में reasonable cost पर व्यापक रूप से उपलब्ध है” वाली बात वास्तविकता से अलग हो सकती है
      तथाकथित developed countries में रहते हुए भी लोगों को एक MRI के लिए कई महीने, कभी-कभी 1 साल से ज्यादा इंतजार करना आम है। यह सिर्फ MRI machines नहीं, पूरे healthcare system की समस्या है, लेकिन अगर equipment एक-दो orders of magnitude सस्ता और चलाने में आसान हो जाए, तो accessibility निश्चित रूप से काफी बेहतर होगी
      baseline से तुलना की जरूरत पर सहमत हूं, और उम्मीद है कि यहां दिख रहे results को validate करने के लिए उन्होंने ऐसा काफी काम किया होगा
    • article के मुताबिक इस ultrasound equipment की कीमत smartphone के आसपास, लगभग 4,000 dollars है
      MRI machine करीब उसके 1,000 गुना महंगी होती है
    • Canada में MRI के लिए सामान्य waiting time 2 महीने है

  • यह high-resolution image lipid shell में बंद sulfur hexafluoride microbubble contrast agent को dilute करके inject करने से बनी है
    वे bubbles कितने dilute हैं, और जो image हम देख रहे हैं वह समय के साथ कई bubbles को stack करके बनाई गई composite है या नहीं, यह जानने की उत्सुकता है
    अंत में bubbles के बिना भी करने का लक्ष्य अच्छा है, लेकिन उस छलांग में “अब बाकी उल्लू बनाइए” जैसा एहसास ज्यादा है। पहली technique पूरी तरह microbubbles पर निर्भर है, लेकिन technology आगे बढ़ रही है जैसी अस्पष्ट बात के अलावा bubbles के बिना यह संभव क्यों होगा, इसका explanation नहीं देती

  • red blood cells की imaging के हिसाब से देखें, तो यहां इस्तेमाल की गई super-resolution technique bubbles के dilute होने पर काफी निर्भर करती है
    low resolution में एक बिंदु या बहुत कम बिंदुओं के समूह के बारे में सोचें, तो साफ न दिखने पर भी उसकी position निकाली जा सकती है। radio astronomy और शायद astrometry में भी यह आम technique है, और compressed sensing भी एक समय बहुत hot field था
    लेकिन red blood cells नरम और अजीब objects होते हैं, और blood flow को काफी densely भरते हैं। ChatGPT के estimate के मुताबिक वे एक-दूसरे से लगभग 20µm दूर होते हैं, और capillaries के अंदर उनकी लंबाई लगभग 7µm होती है, जो plausible लगता है
    red blood cells की कहीं खराब scattering characteristics को छोड़ भी दें, तो भी वे इतने sparse नहीं हैं। असल में sparsity का एक dimension लगभग खोकर पूरी capillary को resolve करना पड़ेगा, इसलिए संभव तो हो सकता है, लेकिन बहुत ज्यादा कठिन होगा। दुर्भाग्य से brain capillaries का spacing लगभग 40µm है, इसलिए results खराब भी हो सकते हैं
    article में इस्तेमाल की गई wavelength या basic resolution, यानी wavelength/2 resolution कितना है, यह नहीं बताया गया

    • पूरी तरह sparsity पर निर्भर technique दिखाने के बाद, इसे बिल्कुल भी sparse न होने वाली blood cells पर भी apply करने की बात करना कुछ हद तक misleading लगता है
      अगर हो जाए तो अच्छा होगा, लेकिन जब तक साफ limitation पार करने का plausible path नहीं दिखाया जाता, मैं इसे उस technology category में रखूंगा
    • मैं इस field में पूरी तरह outsider हूं, लेकिन article में कहा गया था कि उन्हें उम्मीद है कि AI/ML ऐसा model बना सकेगा जो probe द्वारा जुटाए गए massive data में मौजूद, पर manual techniques से इस्तेमाल करने के लिए बहुत weak, red blood cells से होने वाली scattering जैसी information को निकाल पाएगा
      इसके लिए जबरदस्त data चाहिए होगा, और लगता है कि वे अभी बनाए गए device से वही data जुटाना चाहते हैं
    • मुझे पता है कि सामान्य astronomy में भी dithering के साथ इस तरह की method इस्तेमाल होती है

  • imaging technology अपने-आप में शानदार है, लेकिन homepage थोड़ा embarrassing है
    जिस स्तर की mind reading का वे संकेत देते हैं, उसके बारे में काफी convincing logic है कि hemodynamics भर से उसे शुरू से ही reconstruct करना असंभव है। neural circuits के spikes के बजाय जैसे ही आप blood को record करना शुरू करते हैं, dimensionality irreversibly खो जाती है, और VC “telepathy” शब्द देखकर जो कल्पना करते हैं वह उस transformation के बाद भी बचती है या नहीं, यह बिल्कुल स्पष्ट नहीं है
    आपके पास जो है वह किसी neighborhood के food delivery data जैसा है। इससे यह जैसी काफी बातें पता चल सकती हैं कि party कब होगी, लेकिन यह नहीं कि सबसे अच्छे कपड़े किसने पहने थे और dinner पर क्या बातचीत हुई। वह information interface पार करते समय बस survive नहीं करती
    सूचना-आधारित interpretation और mind reading के बीच बहुत बड़ी खाई है

  • भोला-सा सवाल है, लेकिन sound waves का इस्तेमाल देखते हुए सोच रहा हूं कि latency की कोई समस्या नहीं होगी?

  • Meta भी इसी दिशा में काम कर रहा है [0], इसलिए निकट भविष्य को लेकर Orwellian सवाल दिमाग में आना लाज़िमी है
    अगर मैं अपने pet mouse को cinema hall ले जाऊँ और कोई दोस्त Apple iFMRI से फिल्म को दोबारा scan कर दे, तो क्या DRM अब भी valid रहेगा, या चूहे DRM-locked हो जाएँगे?
    क्या computer boot करने के लिए सिर्फ iris काफी होगा, या “सभी brainwave cookies allow करें” भी दबाना पड़ेगा?
    क्या मैं local Flock प्रभारी को email करके मोहल्ले में नया Brain Pole लगवाने को कह सकता हूँ? कई युवा पुरुष dark thoughts के साथ दिखे थे, और Amazon thought camera ने बताया कि parcel खोने की probability बढ़ गई है
    [0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...

    • हाँ, यह SF nightmare जैसा तो है, लेकिन practical नहीं है
      ये imaging techniques सभी काफी complex हैं। Ultrasound में direct contact चाहिए, और यह technique तभी काम करती है जब लंबे समय तक bubbles को IV के जरिए inject किया जाए। fMRI भी कई कारणों से ऐसा portable device बनना मुश्किल है जिसे किसी चीज़ की ओर point किया जा सके
      विचारों से इसका connection भी reality से ज्यादा SF जैसा है। Theory में यह technique कई areas में blood flow changes देख सकती है, लेकिन उसका मतलब क्या होगा? यह अलग करना मुश्किल है कि patient anxious है, या इसलिए tense है क्योंकि उसके brain तक जाने वाले bubbles IV से inject किए जा रहे हैं और सिर पर machine लगाई गई है
    • बेतहाशा आम हो चुकी surveillance technology के बावजूद parcels चोरी होते रहते हैं, और चोर उस surveillance net में “पकड़े” भी जाएँ तो भी कोई enforcement नहीं करता—आज की दुनिया वाकई दिलचस्प है
      सोचता हूँ Orwell इस बारे में क्या सोचते

  • बेवजह डर फैलाने की कोशिश नहीं है, लेकिन सोच रहा हूँ कि ultrasound को इस तरह इस्तेमाल करना safe है या नहीं
    मेरी समझ से यह मूल रूप से high-frequency sound waves हैं, इसलिए ज्यादातर tissues के लिए ठीक हो सकता है, लेकिन यहाँ कहा गया है कि यह red blood cells से scatter होता है, इसलिए पता नहीं क्यों थोड़ा uneasy लगता है

    • Waves हर चीज़ से scatter होती हैं, इसलिए अपने-आप में यह चिंता की बात नहीं है
      Intensity, frequency और target tissue के हिसाब से ultrasound effects हो सकते हैं। किसी ने कहीं और इस topic पर कुछ academic papers भी link किए थे
      Brain पर इस्तेमाल करने में मुझे भी हिचक होगी। कम से कम long-term animal model testing thoroughly होनी चाहिए। Mammals पर 10 साल तक रोज़ apply करके control group से compare कर दिखाना होगा कि कोई negative effect नहीं है

  • पिछले पूरे हफ्ते ऐसा लगा जैसे ultrasound हर चीज़ का हल है

    • ये related घटनाएँ हैं :)
      इस लेख के पीछे वाली team कम-से-कम कुछ महीने पहले तक Midjourney के साथ काम कर रही थी
    • पिछले हफ्ते Midjourney controversy के दौरान बहुत से लोगों ने बड़े जोर से दावा किया था कि ultrasound से ऐसा use impossible है
    • मुझे ज्यादा interesting direction focused ultrasound लगती है, जिसे कई diseases के solution के तौर पर propose किया जा रहा है

  • यह सोचकर दिलचस्प लगा कि किसने सोचा होगा कि blood vessels में SF6 inject करना FDA approval पाने लायक safe है

    • Wikipedia के मुताबिक SF6 “colorless, odorless, non-flammable, non-toxic gas” है
      Ultrasound contrast agent के रूप में इसका इस्तेमाल “tumor vascularity की जांच” के लिए किया जाता रहा है, जो original article में बताए use जैसा ही है। साथ ही, “यह blood में 3–8 मिनट तक दिखाई देता है और lungs के जरिए exhale हो जाता है”
      यह वैसा नहीं है जैसा मैंने पहले सोचा था कि liver में जमा होकर बाहर निकलेगा
    • Microbubble contrast ultrasound (CEUS) clinical use में 20 साल से ज्यादा समय से है
      Bracco के SonoVue/Lumason या GE Healthcare के Optison जैसे contrast agent manufacturers भी बहुत हैं। Safety के लिहाज से यह CT के iodine contrast agents या MRI के gadolinium contrast agents से बेहतर होने की संभावना ज्यादा है, और अब यह काफी established technology है