国内首例!72岁高位截瘫患者用意念喝可乐、打麻将

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“握住,很棒,向本身的嘴巴移动,再往回一些,好差不多,停!”跟着张师长吸溜一口可乐,浙大二院神经外科病房内响起了一片掌声。



如斯简洁的一个动作,人人为何要为他喝彩?


喝一口可乐

汗青性的冲破



“太不轻易了!对四肢完全瘫痪的人来说,这是弗成能完成的义务。今天,经由脑机接口,他做到了!”浙大二院神经外科主任张建民感动地说。


浙大校长吴朝晖、浙大医药学部主任段树民视察脑机接口项目,并与张师长用意念掌握的机械手握手


在2012年动物实验、2014年人脑初步实验的根蒂上,日前,浙大二院张建民传授团队浙江大学求是高档研究院郑筱祥传授、王跃明传授团队“植入式脑机接口临床转化应用研究”上取得了主要的阶段性功效


该团队在国内首次经由对一位高位截瘫自愿者脑内植入Utah阵列电极,从而意念掌握机械手臂的三维活动完成进食、饮水和握手等一系列上肢主要功能活动。该研究的成功标记着我国脑机接口手艺在临床转化应用研究中已跻身国际进步队列。






在科幻片子里,人类对脑机接口付与了雄厚的想象和极大的等候。经由意念掌握阿凡达,让原本双腿瘫痪的本身,在另一个世界里实现自由奔驰;穿上身心合一的盔甲,变身超等英雄“钢铁侠”,在六合间纵横飞跃、拯救世界……此刻,从浙大二院神经外科病房内发生的这一幕,我们光鲜感触到,阿凡达、钢铁侠的妄想已越来越近。





4个月练习

72岁高位截瘫患者“动”了起来





接管此次脑机接口临床转化研究的自愿者张师长,是一位72岁高龄的退休教师、某中学校长。本应在退休后安享晚年的他,却在两年前因一场不测车祸,导致颈髓重度伤害,成了一名高位截瘫患者。




然而,他大脑功能尚健全,意识清楚。四肢无法运动的近况,给他的生活带去了无尽的阴晦与疼痛。但他并未是以消沉,而是始终怀着一份心愿,进展借助现代医学新手艺,匡助像他如许的人群,在活动功能上有所改变,提高生活质量。


据认识,今朝全球脑中风,脑及脊髓伤害导致肢体活动瘫痪后遗症的病人接近1亿,中国就有两三万万,且呈上升趋势。


半年前,张师长的家人从新闻报道等渠道认识到,浙江大学脑机接口团队在行使植入式脑机接口手艺匡助患者重建活动功能方面卓有成绩,便自动关联到了张建民传授团队,并于2019年6月29日入住浙大二院病房。


2019年8月,在做好充裕预备后,研究方案经病院伦理委员会核准,并征得张师长和眷属的知情赞成及签字后正式启动。8月底精准定位下顺利完成了国内首例开颅,将Utah阵列电极植入到掌握右侧上肢活动的活动神经皮层的手术。由此,张师长起头了用意念与机械臂“对话”的生活。


用意念吃到油条


天天,张师长竣事午休后,就会起头一天的练习。从起头的电脑屏幕上操控鼠标活动到后期掌握机械臂三维活动。名堂络续翻新,难度络续增加,结果络续提高。我们在近期的练习中看到,工作人员把一个盛着油条的杯子,放在机械手的旁边,张师长用“意念”让机械手瞄准位置,张开手指,握住杯子,一步一步往嘴边挪。挪的过程不算顺畅,有时往左偏一点,有时往右偏一点,张师长得“使劲”想着“往右”或“往左”,调整机械臂的偏向。经由近半分钟的起劲,机械手终于把杯子挪到嘴边,张师长吃到了油条。


抓、握、移,这些对常人来说再简洁不外的动作,背后倒是旌旗发送传输解码等一系列复杂的过程。是以,这种“转念”对像张师长如许脊髓神经伤害、活动功能损失的残障人士而言,若是没有“脑机接口”,是弗成能完成的义务。



手术机械人植入、个性化算法

更能读懂老年人的心思



在国际上已被报道的植入式脑机接口患者,均为中青年人。他们在体力、注重力、情绪合营等方面,也相对更稳健,而老年人则相对较弱。面临72岁高龄的张师长,国际上尚无先例可循,团队所要索求的显然更多,测试难度也更大。




  第一道关卡  


若何在尽量削减伤害的情形下,将微电极正确无误地植入患者大脑地点功能区,是此次研究的第一道关卡




张建民说,大脑活动皮层神经元共分为6层,实验需要将电极植入到第5层的位置。这个过程中,电极植入不克有毫厘之差。植入位置太浅或太深,都达不到结果,还会伤害其他神经,“这对我们来说,是全新的手术,难度非常大”。


传统人工植下手术,正确水平没法达到最佳状况。张建民团队行使步进为0.1毫米的手术机械人,正确地将两个微电极阵列送入既定位置,误差仅在0.5毫米以内这也是全球首例成功行使手术机械人辅助体式完成的电极植下手术。


张建民传授团队为张师长手术


术后复查确认电极植入位置无误




  要害一步  


接下来的要害一步,就是若何实现“意念操控”。脑机接口,不光依靠材料科学、较量机科学等机械相关手艺,更需要被试者的高度合营与规范化练习。




“在4毫米×4毫米巨细的微电极阵列上有100个电极针脚,每一个针脚都或者检测到1个甚至多个神经元细胞放电。电极的另一头保持着较量机,能够实时记录大脑发出的神经旌旗。”浙江大学王跃明传授说。



不外,神经旌旗收集的成绩,却与个别互相关注。


在国际上已被报道的植入式脑机接口患者,均为中青年人。他们在体力、注重力、情绪合营等方面,也相对更稳健,而老年人则相对较弱。面临72岁高龄的张师长,国际上尚无先例可循,团队所要索求的显然更多,测试难度也更大。


若何把收集的神经旌旗,正确地转化成机械臂的动作指令,既依靠于机械算法的设计,也会受到试验者个别脑电旌旗特征的影响。



今朝,全球尚无统一尺度化的旌旗采集、解码等剖析手段。一起头,团队采用国外的几套线性算法,但结果都不太好。后来,团队引入非线性、神经收集算法,设计了一套针对这位高龄患者的个性化解决方案。


“相对于中青年患者,老年患者的脑电旌旗质量与不乱性都要差些,我们设计的非线性解码器更能‘读懂’老年人的心思,匡助患者更好地进修操控机械臂、机械手。”张建民说。


张师长在进行练习


当然,想要达到“人机合一”的方针,并非易事。


团队采用循序渐进的练习方式,先让张师长在电脑屏幕上操控鼠标来跟踪、点击二维活动及三维虚拟实际活动中的球,再演习批示机械臂完成上下摆布等9个偏向的动作,最后才是模拟握手、饮水、进食等动作。练习花消4个多月,才有了如今如许令人感动的功效。


张师长也是以成为今朝全球局限内,成功行使植入式脑机接口手艺,实现肢体活动功能重建的最高龄患者。


将来已来

脑机接口的临床应用进展无限


尽管此类植入在国际上都处于试验阶段,结果也是非永远性的,但对张师长而言,脑机接口已改变他的生活,更让这类人群看到了提高生活质量的进展。


此刻,张师长经由脑机接口,饿了就能吃,渴了就能喝,可以本身“做”一些事情了。工作人员得知张师长喜欢打麻将,还特意设计一套法式,让他能经由掌握鼠标,玩电脑麻将游戏。“刚进病房的时候,张师长表情很降低。我们跟他说话,他都不怎么吭声。如今,他高兴多了。”护理长说。



“任何根蒂医学研究的最终目的,都是要应用莅临床,为病人解决实际问题,这就是所谓的‘转化医学’”,张建民说。脑卒中后偏瘫、颈髓伤害后的高位截瘫、肌萎缩侧索硬化及闭锁综合征等活动功能严重障碍患者,有望应用脑机接口手艺,并借助外部设备,重建肢体活动、说话等功能。


跟着脑科学的络续成长,这一范畴的临床应用,将从现有的以活动功能为主的功能重建,逐渐推广到说话、感受、认知等更多更复杂的功能重建上。“人人知道,脑卒中好发于老年人,很多脑血管病患者虽经我们救治,挽回了生命,但经常遗留偏瘫、失语等后遗症。是以此次在老龄自愿者身长进行的脑机接面试验,必将对于将来的临床治疗和康复有着非常主要的指导意义。”张建民说。


王跃明说,脑机接口范畴的研究需要神经科学、信息科学、机械工程和医学等多个学科的慎密合作,而浙江大学综合性大学的特征,为学科交叉供应了肥饶的泥土,“这也是浙江大学、浙大二院打造‘医学岑岭’,助力我省生命健康科创高地扶植的一大亮点”。



1月16日上午,浙江大学在紫金港校区召开新闻发布会,对外公布和展示了这项主要科研功效。中国科学院院士、浙江大学医药学部主任段树民,浙大二院神经外科主任张建民,浙江大学求是高档研究院传授王跃明,浙江大学求是高档研究院传授郑筱祥及浙大二院、浙江大学脑机接口团队出席了发布会。


脑机接口

所谓脑机接口,就是在大脑和假肢等外部设备之间竖立一条直接传输大脑指令的通道,实现固然存在脊髓及活动神经通路损坏,但大脑皮层功能尚健全的情形下,脑部的旌旗也能经由较量机解读,直接掌握外部设备。

研究回首

2012年,团队就在山公脑中植入微电极阵列,运用较量机信息手艺成功提取并破译了山公大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经旌旗,使山公经由自身“意念”能直接掌握外部机械手臂。2014年,团队又在人脑内植入皮层脑电电极,实现“意念”掌握机械手完成高难度的“石头、铰剪、布”手指活动,缔造了其时的国内第一。

基于ECoG的植入式脑机接口,2014年

项目配景

该研究受到国度重点研发规划“基于脑机接口的脑血管病自动康复手艺研究及应用(2017YFC1308500)”、国度重点研发规划“脑机融合的脑信息认知要害手艺研究(2018YFA0701400)”、国度天然科学基金重大科研仪器研制“脑神经收集复杂系统的实时解析与调控仪器研制(31627802)”、浙江省之江实验室项目“面向活动脑机接口的脑信息解析与互适应要害手艺研究”项目帮助。



浙江大学双脑中心交叉研究团队:医学、工学、较量机科学、生物医学工程等分歧学科构成的交叉研究团队





记者 柯静  综合自“浙大二院”



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