Integrovaná platforma GPU pohání zobrazování a analýzu krevních buněk v reálném čase

Krevní testy patří mezi nejběžnější nástroje v medicíně. Vědci pracují na tom, aby zobrazování krevních buněk bylo rychlejší a intuitivnější, aby lékaři mohli dělat rychlá a přesná diagnostická rozhodnutí.

Jedna slibná technika, nazývaná kvantitativní fázová mikroskopie (QPM), využívá optickou holografii k měření tvaru, tloušťky a velikosti jednotlivých buněk bez jakýchkoli barviv nebo kontrastních látek, což poskytuje kvantitativní 3D informace pro pomoc při diagnostických rozhodnutích. U nemocí, které způsobují změny v morfologie buněkjako např srpkovitá anémie (SCD), tato metoda umožňuje vysoce výkonný diagnostický nástroj, který lze použít v místě péče.

Vysokokapacitní tok obrazu systémů QPM červených krvinek (RBC) při vysoké snímkové frekvenci, pořízení snímků více než 100 000 buněk za méně než 3 minuty. Po rekonstrukci mohou výzkumníci provádět statistickou analýzu velkého počtu buněk, což umožňuje kvantifikaci například závažnosti SCD pacienta.

Pro analýzu fázových obrazů však musí být data QPM digitálně rekonstruována. Zpracování velkého množství dat shromážděných vysokovýkonným QPM může na běžném CPU trvat několik hodin, zatímco rychlé, v reálném čase zpracování se obvykle opírá o drahé, vysoce výkonné GPU, což ztěžuje rovnováhu mezi dobou diagnostiky a náklady v klinických aplikacích.

Výzkumný tým z laboratoře BIOS na Duke University vyvinul nový kanál v reálném čase pro rekonstrukci a analýzu vysoce výkonných dat QPM červených krvinek rychlostí 1200 buněk za sekundu. Jejich výzkum je zveřejněno v Biofotonický objev. Tento algoritmus je implementován na NVIDIA Jetson Orin Nano, vestavěné platformě GPU, která stojí pouze 249 $.

Procesní potrubí je integrováno s vysoce výkonným systémem QPM, který získává a rekonstruuje zobrazovací data tekoucích vzorků RBC v reálném čase. Dokáže automaticky segmentovat jednotlivé snímky buněk, provádět digitální přeostřování a vypočítat morfologické parametry každé buňky, jako je objem a projekční plocha, bez nutnosti ručního zásahu během sběru dat.

Výzkumníci testovali systém pomocí polystyrenových kuliček a vzorků zdravých červených krvinek. Metoda automatizovaného zpracování v reálném čase vykazovala vysoce přesné výsledky s průměrnou chybou menší než 5 procent, což je ve srovnání s tradičními metodami zpracování příznivé.

„QPM má dlouho potenciál poskytovat podrobné informace o biologických buňkách. Technika však dosud nenašla široké klinické využití, často kvůli ceně nebo složitosti zpracování zobrazovacích dat. Zde jsme ukázali nejen vysoká propustnost prostředky pro profilování tisíců buněk najednou, ale také pro rychlé zpracování a analýzu informací. To může být chybějící krok potřebný k tomu, aby se QPM dostalo na kliniku,“ poznamenává profesor Adam Wax, vedoucí výzkumné skupiny BIOS a spoluautor studie.

Autoři naznačují, že uváděný procesní kanál založený na Jetsonu by mohl být přínosem pro vývoj přenosné a levné platformy QPM tím, že vyrovná čas diagnostiky a výpočetní náklady. Metoda s pomocí AI umožňuje provádět automatický krevní screening v reálném čase a detekovat krevní onemocnění, jako je SCD, v rané fázi.