医院应用脑机接口技术检出意识障碍患者的大脑隐匿意识
慢性意识障碍俗称植物人,在检测手段缺乏的年代只能判定病人有或无意识,误诊率高达40%。近年来借助功能脑成像及神经电生理等方法,发现慢性意识障碍患者意识存在不同水平。有部分已恢复较高的意识水平,其中有15%的患者具有接近正常的意识称为隐匿性意识。针对不同意识水平的DOC患者,临床上除通过神经调控方法调制神经环路及脑网络活动,以提高意识水平。然而,对于经治疗意识已恢复较好甚至正常,由于语言和运动功能严重受损无法完成意识输出的患者,如何检测并成功导出意识,是临床难题之一,近年来使用脑机接口等人机交互方式成为解决的可行性方案。
很多大脑严重受损的意识障碍患者,是与外界几乎完全没有交流,他们对于周围环境和自身是否有所感知,病情处于什么阶段,医生也很难判断。而通过脑机接口技术获取并分析患者的脑电信号,可以掌握患者的意识状态,实现意识障碍诊断与评定、预后判断,甚至与意识障碍患者实现交流。
首都医科大学附属北京医院神经外科意识障碍病区,主要面向意识障碍患者,开展意识障碍的意识评估、诊断与预后预测;运采用手术、药物、神经调控及脑机接口等综合治疗手段,致力于加速与提高DOC患者的意识恢复,最大限度的神经功能改善。通过检测与神经调控,分析与解码脑网络活动特征,探索意识与意识障碍的病理生理学机制,推动重大脑疾病的临床诊疗。
其中有一典型案例是病房一46岁女性,自发性脑出血术后昏迷4月。根据临床检查评定为无意识的植物状态患者。经功能MR、EEG及事件相关电位等神经电生理检测,脑功能保持尚可,提示可能存在意识活动,但无法确定。由于患者是否保留意识,对后续诊疗策略制定具有决定性意义。以现有临床检查手段无法给出明确结论。使用EEG及事件相关电位技术评定脑功能较好,后使用SSVEP脑机接口技术,通过屏幕提供答案选择,指令患者注意相应结果。经使用该技术检查,可以稳定的记录病人对问题的回答,且准确率及稳定性可信。据此,判定患者为具有较高意识水平的运动认知分离状态患者(CMD),而非临床诊断的植物状态,该结果不但明确的判定了患者有意识,而且为患者的后续诊疗提供了可靠的科学依据,事实证明,据此结果进行相应诊疗方案的调整,病人意识得到快速提高。
案例中病患使用脑机接口设备“实现交流”此病例是脑机接口在慢性意识障碍患者中的一个较为典型的例证。对于临床普遍存在的意识及认知障碍患者,如何界定意识是临床一直极具调整的难题。通过功能脑成像技术可以实现脑功能检测,但是由于MR等检查无法做到连续、床旁使用等,限制了其在临床的实际应用,相对来说脑机接口中最常用的脑电技术具有明显的临床应用优势。未来,临床将普遍应用脑机接口技术实现DOC患者的意识检出及干预疗效评定,更重要的是脑机接口技术可以发展为一些辅助交流及运动的功能性外部设备,辅助患者完成肢体运动以及意识传出,将会帮助这类患者检测并导出意识,改善生活质量。帮助病人重返家庭和社会,而且,在产业应用上也具有良好的转化及应用前景。
天津大学等人工耳蜗儿童听觉康复客观评估技术
天津大学神经工程团队联合国家儿童医学中心、首都医科医院听力学团队提出的基于脑电技术客观评估人工耳蜗植入儿童听觉康复水平的方法,该项技术能够克服目前临床评估方法的局限性为客观的评估听力康复进程、人工耳蜗调试和听觉言语康复训练提供更准确的参考依据,已经在近百名3-7岁的人工耳蜗儿童康复评估中获得应用。研究工作获得了国家自然科学基金、京津冀基础研究合作专项支持。相关研究成果发表于国际听力领域最具权威及影响力的专业学术期刊之一《HearingResearch》。
据卫生部调查显示,我国约有11.5万名7岁以下儿童存在重度至极度耳聋,每年约3万新生儿存在听力障碍。儿童早期听损已严重影响其言语及认知发育,且对家庭经济造成了极大负担。目前,对失聪最为有效的治疗方案就是植入人工耳蜗。近二十多年来,人工耳蜗技术得到了迅速的发展和广泛的临床应用,已成为当前运用最为成功的和广泛的神经工程成果之一。
准确了解人工耳蜗儿童开机后的恢复效果对于人工耳蜗调机至关重要,关系到了人工耳蜗儿童的言语能力发展。然而,现有问卷调查、行为能力评估等临床评估方法易受诸多因素影响,尤其是对低龄语前聋儿童,存在着明显的主观局限性[48]。为有效评估人工耳蜗儿童的听觉感知、识别能力的康复水平,特别是开发适合于汉语辨识能力评估的方法,研究工作设计了适合于低龄儿童的实验范式,根据声音处理难易程度嵌入了纯音、音节和汉语声调。可以面向低龄人工耳蜗儿童在时间尺度上分析皮层听觉诱发电位(Corticalauditory
evokedpotential,CAEP)和失匹配负波(Mismatchnegatiwviwtyw,),也可以在空间尺度上应用源定位(Sourcelocalization)分析人工耳蜗植入后听觉皮层的可塑性。该技术适用于低龄人工耳蜗儿童术后听觉康复评估,与目前临床评估手段相比,具有以下应用优势:(1)该项技术无需儿童注意力调制,发现听觉系统在3-6个月之间经历了快速发育的关键时期,且在语言学习中,6-12个月是语言声调识别的关键;(2)客观评估体系中CAEP适合于评估早期听觉系统重建;(3)MMN适合评估高级听觉功能,例如听觉的识别能力。(4)源定位可作为探索听觉皮层可塑性的有效工具,能够为听觉康复评估提供额外的信息。结果发现纯音刺激主要激活了右侧颞叶,结论与既往fMRI研究一致[49]。
目前,团队与首都医院、医院医院深度合作,已证明脑电技术在人工耳蜗儿童听觉康复客观评估的有效性,且由于其方便、成本低廉等特点,在临床上更具应用价值。在未来研究工作推进过程中,团队将在现有成果基础上开展长周期康复评估,有望得到一种全新的人工耳蜗康复效果评估体系并进行规模性临床应用。根据人工耳蜗儿童的脑电特征,优化调控人工耳蜗参数,形成闭环的反馈调控模式,并进行临床验证,以求提高康复效果,进一步推进脑机接口技术在听觉康复评估中的应用。
昆明理工大学基于脑机交互的神经反馈促进创伤后应激障碍康复技术
昆明理工大学脑认知与脑机智能融合创新团队联合昆明医院精神科、医院精神科和深圳大学脑科学与脑疾病研究中心提出了基于脑机交互的神经反馈促进创伤后应激障碍(posttraumaticstressdisorder,PTSD)康复方法,为脑机接口在干预特定精神疾病(如应激相关障碍、焦虑障碍、强迫障碍等)促进其康复方面的应用打下了基础,该技术克服了传统单模式(EEG、fMRI和fNIRS等)NF方法受各自局限,导致干预PTSD的效果和接受度有限,有助于为PTSD患者提供一种个体化、便捷、高效的干预平台或系统以(辅助)提高PTSD的干预效率。该技术首先在高焦虑特质人群中进行了测试应用,取得了良好的效果,目前针对PTSD患者开展测试应用。
PTSD是个体直接经历或亲眼目睹一个或者多个诸如:严重的威胁生命的疾
病、突发的灾难、与发育不匹配的性经历等创伤事件之后出现的一种精神心理障碍。PTSD总的患病率人口为1.0%-2.6%,WHO在年的数据统计表示,全球所有人群中60%的女性和50%的男性,在一生中至少都会经历一次创伤事件,这其中20%的女性和8%的男性会逐步发展出PTSD。所有这些PTSD患者中,会有30%的人可能没有资源而得不到治疗,PTSD就会变成伴随他们终生的状况。
传统和现有的干预治疗PTSD方法包括心理治疗、药物治疗以及无创和有创两类物理治疗的方法,但由于专业化较强、治疗周期长、缺乏便捷性以及缺乏客观的量化评估体系等原因极大地限制了这些方法在临床中的普遍应用。
在有效的临床样本中进行该技术的移植和整合,围绕多模态信号融合监测PTSD病灶区结构和功能异常问题,有助于相关干预方案的评价与制定,总的来说,对理解PTSD的神经病理和推动其物理干预方法的发展有积极影响,具有临床价值。该技术系统的创新和特色是:1)基于变革性的脑机交互与EEG-fNIRS多模态融合神经反馈调控PTSD是一种新的干预方法,可提供疗效水平新证据;2)是一种便携式、可家用的基于BCI的EEG-fNIRS神经反馈干预系统。
强脑科技孤独症儿童可穿戴脑电波康复系统
孤独症谱系障碍(autismspectrumdisorders,ASD)是一类以广泛的社交困难,明显的言语交流障碍、刻板重复行为或狭窄的兴趣为核心症状的儿童精神发育疾病。当前,孤独症的发病率在全球呈急剧上升趋势,据世界卫生组织推算,当前中国的孤独症发病率不低于1%,并且由于人口基数大,中国是拥有孤独症个体人数最多的国家。“孤独症”儿童数量的激增,给家庭和社会带来了巨大的精神压力和经济负担。
中国康复研究中心国家孤独症康复研究中心与强脑科技(BrainCo)联合研发的孤独症儿童可穿戴脑电波康复系统——“开星果社交力与注意力康复系统”,是国内首个脑机接口特殊儿童康复项目。该产品硬件和软件两部分组成,
硬件是强脑科技自主研发的针对儿童设计的便携式头环脑电采集设备,软件是强脑科技根据国际上比较通用的美国丹佛疗法开发的整套干预课程。该产品以镜像神经元μ波神经反馈训练为基础,检测了正常人群的脑电数据和孤独症儿童脑电数据,提取了社交场景中脑电数据特征,用于有效表征社交障碍缺陷,建立了基于理解性沟通、表达性沟通、社交技能、模仿技能、认知等维度的基于mu波神经反馈训练算法模型。
神经心理学相关研究表明镜像神经元功能障碍参与多个神经认知过程,特别是在涉及注意加工、映射、处理社交线索多个过程中起着重要作用,这些相关的脑区可能存在着相应的调控环路。研究表明神经反馈训练作为一种非侵入式方法,已经被证明可以改善孤独症儿童的神经调节以及新陈代谢功能,和药物以及其他干预治疗相比或,目前并没有已知的明显副作用。
该系统针对儿童设计的便携式头环脑电采集设备克服了传统神经反馈训练设备穿戴麻烦,操作过程复杂,需要专业人员辅助,医院场景使用等缺点,将神经反馈训练技术应用到课堂干预和居家训练中的孤独症干预训练产品。通过神经反馈训练帮助孤独症儿童提升社交动机和社交反应力,提高孩子对人的