Memindai Otak dengan Ultrasound

• Aleph mengembangkan perangkat keras antarmuka otak berbasis ultrasound untuk melihat aktivitas pembuluh darah otak dalam resolusi tinggi tanpa membuka tengkorak, dengan target cakupan luas sekaligus resolusi detail seperti MRI
• Metode ini memanfaatkan kopling neurovaskular, yaitu darah lebih banyak dialirkan ke area tempat neuron aktif, lalu membuat peta aliran darah dan volume darah dari sinyal hamburan ultrasound yang menembus tengkorak
• Hasil yang dipublikasikan merupakan citra pembuluh darah paling detail dari otak manusia hidup yang diambil menembus tengkorak utuh, sekaligus contoh pertama mikroskopi lokalisasi ultrasound 3D transkranial pada otak manusia
• Dengan menyuntikkan agen kontras mikrogelembung secara kontinu selama 4 menit, resolusi volumetriknya mencapai 100 kali lebih tinggi dibanding CT yang sebanding, tetapi teknik super-resolusi ini hanya dimungkinkan pada versi dengan agen kontras
• Tujuan akhirnya adalah pencitraan ultrasound neurovaskular tanpa kontras, dan untuk memulihkan sinyal hamburan sel darah merah yang lemah dibutuhkan data skala besar serta machine learning end-to-end

---

Pencitraan Aktivitas Otak Tanpa Membuka Tengkorak

• Riset yang merekonstruksi gambar yang sedang dilihat seseorang hanya dari aktivitas otak telah menunjukkan potensi antarmuka otak, tetapi contoh yang ada membutuhkan perangkat MRI, sehingga sulit digunakan sebagai perangkat wearable
• Perangkat keras antarmuka otak saat ini terbagi menjadi dua ekstrem
  • Metode yang melubangi tengkorak dan memasukkan elektroda ke otak
  • Metode yang merekam aktivitas otak dari luar kepala dengan EEG, tetapi citranya buram
• Aleph sedang membuat perangkat keras baru yang menyediakan detail otak setingkat MRI tanpa pengeboran

Cara Ultrasound Membaca Aktivitas Otak Lewat Aliran Darah

• Perangkat keras ini berbasis ultrasound dan memanfaatkan hubungan antara sistem pembuluh darah dan neuron
• Saat neuron menyala, lebih banyak darah dialirkan ke area tersebut
• Ultrasound yang menembus tengkorak dihamburkan oleh sel darah merah, dan dari sinyal ini dapat dibuat peta aliran darah dan volume darah di seluruh otak

Dua Syarat Antarmuka Otak Serbaguna

• Aleph menilai antarmuka otak serbaguna membutuhkan dua syarat

• Mengamati Area Otak yang Luas

  • Bahkan dengan 1.000 elektroda, yang tertangkap paling banyak hanya sekitar 0,001% dari otak
  • Cakupan seperti ini berguna untuk tugas sempit seperti mengendalikan kursor, tetapi pikiran tersebar di seluruh otak

• Resolusi Tinggi

  • EEG dan MEG memiliki bidang pandang luas, tetapi citra aktivitas otaknya buram
  • Ini adalah batas fundamental yang berasal dari cara medan listrik dan medan magnet merambat, sehingga tidak teratasi meskipun jumlah sensor ditingkatkan menjadi jutaan
  • Ultrasound neurovaskular dapat memenuhi kedua syarat seperti MRI, dan secara fisik dapat merekam 1 juta piksel independen di seluruh otak dengan ukuran submilimeter

Citra Pembuluh Darah 3D Pertama yang Menembus Tengkorak Utuh

• Hasil yang dipublikasikan Aleph adalah citra pembuluh darah paling detail dari otak manusia hidup yang diambil dengan ultrasound melalui tengkorak utuh
• Pada volume pembuluh darah yang direkonstruksi, pembuluh besar, arteri pia, dan arteriol dapat terlihat
• Ini adalah citra mikroskopi lokalisasi ultrasound 3D pertama di dunia yang diperoleh dari otak manusia melalui tengkorak
• Resolusinya mencapai 100 kali lebih tinggi secara volumetrik dibanding CT yang sebanding
  • Namun, angka ini adalah hasil penggunaan teknik super-resolusi, dan teknik ini hanya dimungkinkan pada ultrasound neurovaskular berbasis agen kontras
• Aleph menilai pencitraan mikrogelembung transkranial akan memiliki berbagai aplikasi di luar tujuan internalnya, dan membuka seluruh pipeline serta dataset sebagai open source
• Stroke, penyakit Alzheimer, dan cedera otak traumatis meninggalkan signature vaskular pada skala yang tidak dapat ditangkap CT dan MRI karena keterbatasan resolusi, dan Aleph menilai pencitraan pada resolusi ini akan dapat menjangkau area tersebut

Pipeline Pemrosesan yang Melampaui Batas Difraksi dengan Mikrogelembung

• Mikrogelembung digunakan untuk melampaui batas difraksi ultrasound
• Ultrasound biasa tidak dapat memisahkan dua objek yang jaraknya lebih dekat dari sekitar satu panjang gelombang, dan struktur yang lebih halus terlihat seperti satu gumpalan
• Satu mikrogelembung tampak sebagai titik buram selebar kira-kira satu panjang gelombang, tetapi dengan fitting subpiksel, pusatnya dapat diperkirakan jauh lebih presisi daripada panjang gelombang
• Variabel kuncinya adalah konsentrasi gelembung
  • Gelembung disuntikkan cukup jarang agar titik buram dari tiap gelembung tidak saling tumpang tindih
  • Posisi gelembung yang mengalir di sepanjang pembuluh darah diakumulasikan hingga jutaan titik
  • Posisi-posisi ini ditumpuk untuk membuat satu citra yang lebih halus daripada panjang gelombang
• Gelembung tersebut adalah kantong sulfur heksafluorida yang diselubungi cangkang lipid, dan merupakan agen kontras yang disetujui FDA
• Aleph menyuntikkan gelembung secara kontinu selama pemindaian 4 menit
• Gas memiliki impedansi akustik yang sangat berbeda dari jaringan, sehingga suara dipantulkan kuat di permukaan gelembung, berkontribusi baik pada penguatan sinyal maupun implementasi super-resolusi
• Dengan menghubungkan pusat gelembung antar-frame, terbentuk lintasan 3D, dan arah serta kecepatannya dapat digunakan untuk melacak aliran darah pada mikrovaskulatur hidup

Jalan Menuju Ultrasound Neurovaskular Tanpa Kontras

• Aleph memandang hasil berbasis agen kontras sebagai tahap antara, dengan tujuan akhir pencitraan otak neurovaskular tanpa kontras

• Perubahan Perangkat Keras

  • Dahulu perangkat ultrasound berharga lebih dari 100 ribu dolar dan membutuhkan cart penuh perangkat elektronik
  • Berkat perusahaan seperti Butterfly, perangkat ultrasound saat ini sudah mendekati harga dan ukuran smartphone, dan terus membaik

• Data dan Machine Learning

  • Pencitraan tanpa kontras lebih sulit
  • Sel darah merah menghamburkan jauh lebih lemah daripada mikrogelembung, sehingga sinyalnya lemah
  • Aleph menilai sinyal itu bukan hilang, melainkan metode saat ini belum cukup mampu menariknya keluar
  • Probe ultrasound standar menerima data dalam skala terabyte per jam, tetapi pipeline pemrosesan umum mengompresnya menjadi 0,1% dari data mentah
  • Pipeline yang ada berbasis fitur yang dirancang manual, dan Aleph memandangnya mirip dengan computer vision tahap awal
  • Machine learning end-to-end yang dilatih dengan dataset yang cukup besar dinilai dapat memulihkan jauh lebih banyak sinyal dibanding metode saat ini
  • Aleph saat ini sedang mengumpulkan dataset ultrasound neurovaskular yang mereka anggap sebagai yang terbesar di dunia

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Bahkan ultrasonografi berintensitas rendah pada level yang digunakan untuk ibu hamil dapat menyebabkan perubahan mikrostruktur di otak[0], dan perubahan itu disebut muncul terutama pada nodus Ranvier, yaitu celah di antara selubung mielin akson
  Makalah ulasan [1] juga layak dirujuk
  [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/

  • Semua suara adalah getaran, jadi selama getaran melewati materi dan menggerakkannya secara fisik, pada akhirnya pasti ada pengaruhnya sampai tingkat tertentu
    Manusia bisa mendengar karena rentang frekuensi audibel menggerakkan reseptor di telinga bagian dalam, dan efek ini tidak hanya terlokalisasi di telinga, sehingga seluruh otak juga terdampak, tetapi secara biologis tubuh telah beradaptasi terhadapnya
    Jika Anda mengetuk kayu, akan muncul suara pada berbagai frekuensi: di bawah rentang dengar manusia, dalam rentang dengar, dan juga ultrasonik di atas rentang dengar. Secara umum, yang lebih berbahaya adalah kebisingan terus-menerus pada frekuensi apa pun, terutama jika frekuensinya rendah dan amplitudonya besar, karena dapat mendorong tubuh secara fisik dan merugikan
  • Jika ultrasonografi memengaruhi otak, mungkin saja ia bisa digunakan untuk stimulasi otak non-destruktif dengan pola tertentu

• Ini pekerjaan yang keren dan pembuktian konsepnya juga menarik, tetapi tampaknya ada cukup banyak klaim berlebihan dan informasi yang hilang, jadi perlu dilihat secara kritis
  Hal yang paling kurang adalah perbandingan dan validasi terhadap teknologi pencitraan medis yang sudah ada. Pencitraan neurovaskular seluruh otak tanpa zat kontras pada dasarnya sudah menjadi ranah yang ditangani MRI, jadi saya penasaran mengapa mereka tidak membandingkannya dengan pemindaian MRI
  Benar bahwa ultrasonografi portabel dan murah, tetapi dalam alur kerja medis, di sebagian besar kota MRI juga cukup banyak tersedia dan biayanya relatif masuk akal, sementara MRI otak medan rendah sudah sampai batas tertentu mengurangi masalah portabilitas dan biaya
  Sepertinya produk ini diposisikan sebagai perangkat telepati yang bisa dikenakan, dan meski itu cocok untuk diferensiasi, framing seperti “tidak perlu tahu cara kerjanya” juga muncul, sehingga justru menimbulkan skeptisisme dan menuntut standar validasi yang lebih tinggi

  • Pernyataan bahwa “MRI banyak tersedia dengan biaya masuk akal di sebagian besar kota” mungkin berbeda dari kenyataan
    Bahkan jika tinggal di negara yang disebut maju, warga sering harus menunggu berbulan-bulan, bahkan lebih dari setahun, hanya untuk sekali MRI. Ini memang bukan hanya masalah perangkat MRI, melainkan seluruh sistem layanan kesehatan, tetapi jika perangkatnya satu atau dua orde besaran lebih murah dan pengoperasiannya juga lebih mudah, aksesibilitas jelas akan jauh meningkat
    Saya setuju bahwa perlu perbandingan dengan nilai acuan, dan berharap mereka sudah banyak melakukan pekerjaan semacam itu untuk memvalidasi hasil yang terlihat di sini
  • Menurut artikel, harga perangkat ultrasonografi ini sekitar setara smartphone, kira-kira 4.000 dolar
    Perangkat MRI kira-kira 1.000 kali lebih mahal dari itu
  • Di Kanada, waktu tunggu umum untuk MRI adalah 2 bulan

• Citra resolusi tinggi ini dibuat dengan menyuntikkan secara jarang agen kontras mikrogelembung sulfur heksafluorida yang diselubungi lipid
  Saya penasaran seberapa jarang gelembung-gelembung itu, dan apakah gambar yang kita lihat merupakan komposit yang menumpuk banyak gelembung dari waktu ke waktu
  Target mereka untuk akhirnya melakukannya tanpa gelembung memang bagus, tetapi lompatan itu terasa sangat seperti “sekarang gambarlah sisa burung hantunya”. Teknik pertama sepenuhnya bergantung pada mikrogelembung, tetapi selain pernyataan samar bahwa teknologinya sedang berkembang, mereka tidak menjelaskan mengapa ini bisa dilakukan tanpa gelembung

• Jika dilihat dari pencitraan sel darah merah, teknik super-resolusi yang digunakan di sini sangat bergantung pada gelembung yang jarang
  Bayangkan satu titik, atau kumpulan titik yang sangat jarang, pada resolusi rendah; meski tidak terlihat jelas, posisinya bisa diperkirakan. Ini teknik umum dalam astronomi radio dan mungkin juga astrometri, dan compressed sensing juga pernah menjadi bidang yang sangat panas
  Namun sel darah merah adalah objek lunak dan aneh, serta mengisi aliran darah dengan cukup rapat. Menurut perkiraan ChatGPT, jaraknya satu sama lain sekitar 20µm, dan di dalam kapiler panjangnya sekitar 7µm, yang terdengar masuk akal
  Bahkan dengan mengabaikan karakteristik hamburan sel darah merah yang jauh lebih buruk, mereka tidak terlalu jarang. Pada dasarnya kita hampir kehilangan satu dimensi sparsitas dan harus meresolusikan seluruh kapiler, jadi mungkin saja bisa, tetapi jauh lebih sulit. Sayangnya, jarak antar-kapiler otak sekitar 40µm, sehingga hasilnya bisa saja kacau
  Artikel tidak menyebutkan panjang gelombang yang digunakan atau resolusi dasarnya, yaitu berapa resolusi panjang gelombang/2

  • Setelah menunjukkan teknik yang sepenuhnya bergantung pada sparsitas, mengatakan bahwa teknik itu juga akan diterapkan pada sel darah yang sama sekali tidak jarang terasa agak menyesatkan
    Saya akan senang jika terwujud, tetapi untuk saat ini saya akan menaruhnya dalam kategori teknologi yang belum menunjukkan jalur masuk akal untuk melampaui batasan yang jelas
  • Saya benar-benar awam di bidang ini, tetapi artikel mengatakan mereka berharap AI/ML bisa membuat model yang mengekstrak informasi yang ada dalam data masif yang dikumpulkan probe—seperti hamburan akibat sel darah merah—namun terlalu lemah untuk digunakan dengan teknik manual
    Untuk itu dibutuhkan data dalam jumlah sangat besar, dan tampaknya perangkat yang mereka buat sekarang dimaksudkan untuk mulai mengumpulkan data tersebut
  • Saya tahu bahwa cara seperti ini juga digunakan dalam astronomi umum bersama dithering

• Teknologi pencitraannya sendiri keren, tetapi homepage-nya agak memalukan
  Ada argumen yang cukup meyakinkan bahwa membaca pikiran pada level yang mereka isyaratkan pada dasarnya mustahil direkonstruksi hanya dari hemodinamika. Begitu Anda mulai merekam darah, bukan spike pada sirkuit saraf, dimensinya hilang secara tak terbalikkan, dan sama sekali tidak jelas apakah hal yang dibayangkan VC ketika melihat kata “telepathy” masih tersisa setelah transformasi itu
  Yang mereka miliki lebih mirip data pesan-antar makanan di sebuah lingkungan. Anda bisa mengetahui cukup banyak hal, misalnya kapan pesta diadakan, tetapi tidak bisa tahu siapa yang memakai pakaian paling keren dan apa yang dibicarakan saat makan malam. Informasi itu tidak bertahan saat melewati antarmuka
  Ada jurang yang sangat besar antara interpretasi berbasis informasi dan membaca pikiran

• Pertanyaan polos: mengingat ini memakai gelombang suara, saya penasaran apakah tidak ada masalah latensi

• Meta juga sedang menggarap bidang ini [0], jadi sulit untuk tidak memikirkan pertanyaan-pertanyaan bergaya Orwell tentang masa depan dekat
  Kalau kita membawa tikus peliharaan ke bioskop lalu seorang teman memindai ulang filmnya dengan Apple iFMRI, apakah DRM-nya tetap berlaku, atau tikus-tikusnya yang akan terkunci DRM?
  Apakah iris mata saja cukup untuk mem-boot komputer, atau kita harus menekan “izinkan semua cookie gelombang otak”?
  Bisakah kita mengirim email ke petugas Flock setempat untuk meminta pemasangan Brain Pole baru di lingkungan kita. Terlihat beberapa pria muda dengan pikiran gelap, dan kamera pikiran Amazon memberi tahu bahwa probabilitas paket hilang meningkat
  [0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...

  • Memang seperti mimpi buruk fiksi ilmiah, tapi tidak praktis
    Semua teknik pencitraan seperti ini cukup rumit. Ultrasonografi memerlukan kontak langsung, dan teknik ini hanya bekerja jika gelembung disuntikkan lewat vena dalam waktu lama. fMRI juga, karena berbagai alasan, sulit menjadi perangkat portabel yang bisa diarahkan ke sesuatu
    Keterkaitannya dengan pikiran juga lebih dekat ke fiksi ilmiah daripada realitas. Secara teori teknik ini bisa melihat perubahan aliran darah di berbagai area, tapi apa artinya itu? Sulit membedakan apakah pasien cemas, atau tegang karena gelembung yang akan menuju otaknya disuntikkan lewat IV dan sebuah mesin ditempelkan di kepalanya
  • Dunia sekarang ini memang menarik: meski ada teknologi pengawasan yang sudah luar biasa meluas, paket tetap saja dicuri, dan sekalipun pencurinya “tertangkap” oleh jaringan pengawasan itu, tidak ada yang menindak
    Penasaran apa yang akan dipikirkan Orwell

• Bukan bermaksud menebar ketakutan tanpa alasan, tapi saya penasaran apakah aman memakai ultrasonografi dengan cara seperti ini
  Sepemahaman saya, pada dasarnya itu gelombang suara frekuensi tinggi sehingga mungkin tidak masalah bagi sebagian besar jaringan, tetapi di sini disebutkan terhambur oleh sel darah merah, entah kenapa itu terasa mengkhawatirkan

  • Gelombang terhambur oleh segala sesuatu, jadi hal itu sendiri bukan bagian yang perlu dikhawatirkan
    Tergantung intensitas, frekuensi, dan jaringan target, efek ultrasonografi memang bisa ada. Di tempat lain ada juga orang yang menautkan beberapa makalah akademik tentang topik ini
    Saya sendiri juga ragu memakainya pada otak. Setidaknya harus ada uji model hewan jangka panjang yang menyeluruh. Terapkan setiap hari pada mamalia selama 10 tahun lalu bandingkan dengan kelompok kontrol untuk menunjukkan tidak ada dampak negatif

• Sepanjang pekan lalu rasanya ultrasonografi menyelesaikan segalanya

  • Kejadian-kejadian itu saling berkaitan :)
    Tim di balik tulisan ini, setidaknya beberapa bulan lalu, sedang bekerja bersama Midjourney
  • Saat kontroversi Midjourney pekan lalu, banyak orang dengan sangat tegas menyimpulkan bahwa pemanfaatan seperti ini tidak mungkin dilakukan dengan ultrasonografi
  • Menurut saya arah yang lebih menarik adalah ultrasonografi terfokus, yang diusulkan sebagai solusi untuk berbagai penyakit

• Menarik juga membayangkan siapa yang mengira menyuntikkan SF6 ke pembuluh darah cukup aman sampai bisa mendapat persetujuan FDA

  • Menurut Wikipedia, SF6 adalah “gas tak berwarna, tak berbau, tidak mudah terbakar, dan tidak beracun”
    Saat digunakan sebagai agen kontras ultrasonografi, gas ini “telah digunakan untuk memeriksa vaskularitas tumor”, mirip dengan penggunaan dalam artikel aslinya. Selain itu, “terlihat di dalam darah selama 3–8 menit, lalu diembuskan keluar melalui paru-paru”
    Jadi bukan mekanisme berkumpul di hati lalu dikeluarkan seperti yang awalnya saya bayangkan
  • Ultrasonografi kontras gelembung mikro (CEUS) sudah digunakan secara klinis selama lebih dari 20 tahun
    Ada banyak produsen agen kontras, seperti SonoVue/Lumason dari Bracco atau Optison dari GE Healthcare. Dari sisi keamanan saja, kemungkinan besar ini lebih baik daripada kontras iodin pada CT atau kontras gadolinium pada MRI, dan sekarang sudah menjadi teknologi yang cukup mapan