深夜的醫院走廊，一名癲癇患者腦電波突然劇烈波動。此時，佩戴在手腕上的光子芯片已提前3秒發出警報——這并非科幻場景，而是清華大學團隊在《Engineering》發表的突破性成果。他們開發的光子腦電處理器，借助衍射光子計算單元（DPU），能在0.03秒內完成23通道腦電信號分析，癲癇識別準確率高達98.96%，比傳統電子芯片快千倍，功耗僅為其1/15。

“光速大腦”破解算力困局
全球約5000萬癲癇患者中，1/3面臨藥物失效風險。傳統腦電監測依賴笨重的醫療設備，且需專業醫生耗時分析。團隊負責人打了個比方：“現有電子芯片處理多通道腦電數據，就像用算盤計算衛星軌道。”

研究團隊另辟蹊徑：將腦電信號轉化為二維頻譜圖，輸入由多層衍射光學元件構成的“光子神經網絡”。每個衍射層相當于數百萬個神經元同步工作，利用光的干涉原理完成矩陣運算。實驗顯示，這種光子芯片處理單通道腦電信號僅需37毫秒，比頂級GPU快15倍，功耗不足0.3瓦，相當于藍牙耳機的1/10。

“光刻”神經網絡精準預警
關鍵技術突破在于金屬線衍射計算單元——在硅基芯片上刻蝕數千個納米級凹槽，通過調節凹槽寬度改變光波相位，實現神經網絡權重參數的物理固化。測試中，芯片對兒童醫院波士頓分院的23名患者腦電數據識別準確率達98.96%，對顱內植入電極信號識別率為94.49%。

更巧妙的是光學偏置模塊設計。就像給天平加上校準砝碼，該模塊通過耦合不同波長激光，自動平衡癲癇發作（占數據不到5%）與正常信號的識別閾值，將少數類樣本識別率提升12%。

臨床驗證暴露“光影邊界”
盡管性能突出，技術仍有局限。測試發現，當患者頭部劇烈晃動導致信號噪聲超過45%時，準確率會下降至83.7%。此外，現有芯片僅支持16個特征維度輸入，對復雜癲癇亞型的識別有待優化。

“這不是技術天花板，而是工程化挑戰。”論文通訊作者透露，團隊正研發氮化鎵密封層和相變材料金屬線，目標在2026年前將特征維度擴展至256個，并實現30GHz超高速調制。

這項突破意味著，未來癲癇患者或可佩戴僅硬幣大小的監測設備，實時預警發作風險。正如論文所述：“當光子計算遇見腦科學，精準醫療正在突破物理定律的束縛。”

（論文詳見《Engineering》2024年1月刊；技術原理示意圖：金屬線衍射計算單元與光學偏置模塊）

來源: Engineering