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国际首例!72岁高位截瘫患者意图念喝上无糖可乐

2020

/ 01/18
来源:

新华社

作者:

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↑视频由浙大年夜二院供给

72岁的老张师长教员停止了午休,安详地坐在椅子上,正计算喝点儿甚么。两年前他遭受车祸,四肢完全瘫痪。但此刻老张决定不靠他人赞助,给本身拿一瓶无糖可乐。

老张集中留意力,在大年夜脑中假想伸手取可乐的举措。脑电旌旗灯号经过他大年夜脑皮层里植入的电极传输到身边的解码器。紧接着,一台机械臂开端迁移转变,伸出去对准不远处桌子上的那瓶可乐,机械手调剂五指把瓶身握紧,又一点点收回来,直到可乐瓶中的吸管精确凑在老张的嘴边。

在浙江大年夜学医学院从属第二医院神经外科的病房里,老张与机械臂、机械手的互动练习曾经持续了4个多月,意念操控过程日趋流畅。

1月16日,浙大年夜求是高等研究院“脑机接口”团队宣布,与浙大年夜二院协作完成中国第一例植入式脑机接口临床转化研究,使患者可以完全应用大年夜脑皮层旌旗灯号精准控制外部机械臂与机械手完成三维空间的活动,并且初次证明高龄患者应用植入式脑机接口停止复杂而有效的活动控制是安然可行的。这项最新成果将有助于重度活动功能妨碍患者重建肢体活动,进步生活质量。

电极拔出神经元

意念操控机械手

脑机接口就是在大年夜脑和假肢等外部设备之间建立一条直接传输大年夜脑指令的通道,大年夜脑旌旗灯号经收集后经过过程计算机解读,直接控制外部设备。

这项技巧近年来蓬勃生长,出现了层次深浅不一的各类应用。比如戴上一顶专门设计的“帽子”,收集头皮脑电旌旗灯号,用以指示小车做简单的进步、刹车举措,这也是脑机接口技巧的一种应用。

教导部“脑与脑机融合前沿迷信中间”(双脑中间)副主任、浙大年夜求是高等研究院王跃明传授说,把脑机接口技巧在临床上转化,今朝国际上的重要偏向是将其用于渐冻症、高位截瘫等重度、弗成逆性活动功能妨碍患者的肢体活动功能重建,赞助他们“心(脑)想事成”。

此前,美国匹兹堡大年夜学、加州理工大年夜学研究团队均成功应用脑机接口技巧和机械手,让瘫痪患者自立喝上杯子里的啤酒,吃上巧克力。在这些案例中,研究人员都将电极植入到患者的大年夜脑皮层中。

老张是中国第一名在大年夜脑中植入脑机接口电极的患者。浙大年夜二院神经外科主任张建平易近传授简介,老张的大年夜脑皮层里植入了两个Utah微电极阵列,这是美国FDA唯一赞成用于临床的脑电收集微电极。每个电极大年夜小为4毫米见方,分布着100个电极针脚,每个针脚都对应一个或多个神经元细胞。电极的另外一头连接着计算机,可和时记录大年夜脑收回的神经旌旗灯号。

捉住一个水杯喝水,对正常人来讲再简单不过的一个举措,其实触及大年夜脑控制的复杂过程:手臂活动要精确、稳定,手指给瓶子施加的压力必须不大年夜不小……这些都须要精确流畅的旌旗灯号指示。王跃明表示,在头皮上盖一块电极,也能收集到脑电旌旗灯号,然则如许的旌旗灯号不精确、不清楚。而把电极直接拔出大年夜脑活动神经元细胞外面,获得的旌旗灯号更直接、稳定和丰富。

“电极直接拔出神经元细胞,就像坐在游戏打鱼能赚钱吗场里看足球比赛,能亲眼看到活动员是腾空抽射照样头球攻门。而非植入式收集脑电旌旗灯号,就像没买到票的球迷在游戏打鱼能赚钱吗场外‘听’比赛,只能经过过程场内收回的喝彩声或嘘声懂得个大年夜概。”王跃明说。

所幸车祸没有伤害到老张的大年夜脑,在脊髓毁伤、人体原有神经通路破坏的情况下,脑机接口技巧为大年夜脑旌旗灯号建立了新的传输通路。浙大年夜研究团队应用自立研发的人工智能算法来解码老张收回的脑电旌旗灯号,进而指示机械臂活动。比如老张经过过程活动想象让机械臂阁下移动,左摆过火要及时回补,补到哪个地位是反复停止反应式进修后机械解码器才能精确完成。“这是一小我和机械相互适应、相互磨合的过程。”王跃明说,“当机械臂在进修读懂老张的脑电旌旗灯号时,老张也在进修怎样用好这个新对象。”

为七旬老人定制算法

多项创新弥补国表里空白

浙大年夜较早就展开了脑机接口技巧研究,依托神经迷信、信息工程技巧和医学等多学科交叉协作,其研究程度一向居于全国前列。

浙大年夜研究团队在国际率先完成了脑机接口技巧在植物模型上的应用,包含猴子皮层脑电脑机接口控制外部机械手完成“勾、抓、捏、握”等不合手势,和人脑意念操控大年夜白鼠走迷宫等。

2014年,浙大年夜研究者在国际初次完成人脑意念控制机械手完成“剪刀—石头—布”等较复杂手部举措。2016年,浙大年夜脑机接口团队取得中国人工智能学会“吴文俊人工智能迷信技巧创新奖一等奖”。

而此次在高龄患者脑内植入电极并完成意念操控机械臂完成三维空间活动,浙大年夜团队又取得了一系列新冲破。

挑衅从如安在尽可能增添毁伤的情况下将电极精确无误地植入患者大年夜脑开端。大年夜脑皮层神经元共分为6层,电极要植入到第5层。张建平易近说:“植入的地位太浅了达不到后果,太深了又会毁伤其他神经,难度异常大年夜。这对我们来讲是全新的手术。”研究团队应用步径为0.1毫米的手术机械人,精确地将2个电极送入既定地位,误差控制在0.5毫米以内。

下一个关键成绩是若何顺利完成“意念操控”。既有国际研究中,实验自愿者都是相对年青的中青壮年,他们的脑电旌旗灯号质量远优于72岁的老张,分析起来也加倍轻易。王跃明说,研究团队一开端测验测验直接搬用国外已有的几套线性算法,后果都不太好。

“机械臂抓取可乐瓶实际上是连续串旌旗灯号流畅指示的成果。老张师长教员年编大年夜了,留意力难以长时间集中,旌旗灯号的稳定性比较差。”王跃明说,“一个纤细举措的解读掉误,能够就招致全部抓可乐瓶义务的掉败。在磨合早期我们碰到很大年夜的艰苦。”后来,研究团队引入非线性神经搜集算法,自立研发了针对老龄患者的处理筹划。

研究团队采取墨守成规的练习办法,先让老张在电脑屏幕上操控鼠标来跟踪、点击活动中的球,再演习指示机械臂完成高低阁下等9个偏向的举措,最后才是模仿握手、饮水、进食等举措。就如许一点点切远亲近“人与机械合一”的目标。

造福多类病人

脑机接口应用前景广阔

张建平易近说,本次研究在回想既往病例和文献、充分论证的基本上制订初步筹划,经浙大年夜二院伦理委员会审核赞成。

研究开端后,团队人员在高位截瘫患者中多方挑选实验自愿者。老张师长教员退休前是中黉舍长,游戏打鱼能赚钱吗程度高,对本身生活质量需求也高。经沟通,患者自己和家眷均异常情愿借助脑机接口这一前沿科技让患者无机会重建一些根本的肢体活动功能,赞助其进步生活质量,促进与外界的交换互动。

患者自愿参加本次研究。研究团队在清除手术忌讳等身分后,为患者实施了电极植动手术。

“参加我们的研究后,老张师长教员的生活质量进步了,心境也变好了。”张建平易近说。此前,患者瘫痪卧床长达两年,情感比较低沉。参加研究后,老张每天都有了很多“小目标”。医护人员每天和他在一路,为他在脑机接口练习中取得的每个进步鼓掌。

“我们懂得到老张师长教员爱好打麻将,研究人员特地设计了一套法式榜样,让他意图念控制屏幕上的鼠标玩电脑麻将游戏。老张异常高兴。”张建平易近说。

为了病人的福祉——这是临床转化任务的出发点。专家表示,之所以选择脑电旌旗灯号收集解码难度更大年夜的高龄患者作为实验对象,正是由于老年人是脑机接口将来应用很重要的目标群体。“大年夜部专心脑血管疾病惹起的中风、瘫痪病人都是老年人,在老龄患者上完成脑机接口成功应用关于将来的临床治疗和康复有着异常重要的指导意义。”张建平易近说,随着脑迷信的赓续生长,脑机接口的临床应用将从现有的以活动功能为主的功能重建逐步推行到说话、感到、认知等更多更复杂的功能重建上。

王跃明表示,脑机接口技巧生长前景非常广阔。比如,埃隆·马斯克已宣布旗下科技企业研收回新一代脑机接口旌旗灯号采个人系,可将直径近4到6微米的超薄聚合物探针电极像“缝纫机打线”一样快速且微创地植入大年夜脑皮层中,合营其自立研发的高集成芯片处理器,可以同步收集高达3072个电极的脑电旌旗灯号。若能真正用于人脑,必将大年夜大年夜进步脑电旌旗灯号收集质量和效力。另外,计算机科技的赓续创新也将带来更多兼顾特性、突显特性的新算法,有助于进一步推动脑机交互的高度控制。

初审编辑:

义务编辑:王乐双

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