基本信息
- 項目名稱：
- 基于顱內(nèi)腦電的高精度腦功能映射與神經(jīng)監(jiān)護系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 在癲癇病灶切除手術(shù)中，如何在治愈癲癇的同時更好的保留病人原有的功能區(qū)、盡量降低手術(shù)風(fēng)險，是目前神經(jīng)外科面臨的主要挑戰(zhàn)之一。目前臨床所使用的電刺激、fMRI、PET-CT等檢測方法均存在各自的弊端，并且提供信息不夠直觀。針對于此，本作品提出了基于顱內(nèi)腦電High Gamma頻段能量活動的個體化功能映射技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)建立了一套基于顱內(nèi)腦電的高精度腦功能映射與神經(jīng)監(jiān)護系統(tǒng)。
- 詳細介紹：
- 癲癇作為一種古老的神經(jīng)系統(tǒng)常見病，嚴重危害著人類的健康。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的報告，全球癲癇患者約5000萬人，而我國約有900多萬癲癇患者，其中600萬病人每年仍有發(fā)作，而且每年還會出現(xiàn)40萬新發(fā)病例。近年來隨著我國人口老齡化，腦血管病、癡呆和神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)病率增加，老年人群中癲癇發(fā)病率已出現(xiàn)上升的趨勢。 從原理上講，癲癇是由于大腦神經(jīng)細胞的陣發(fā)性過度放電導(dǎo)致的。輕度的癲癇可以通過藥物加以控制，然而一旦發(fā)展成為頑固性癲癇，藥物治療將很難起效或者引起不可接受的副作用。此時，如果癲癇病灶具有局灶性，即應(yīng)考慮手術(shù)治療。 進行病灶切除手術(shù)前，必須進行病人的腦功能映射，從而確定病灶和必須保留的重要功能區(qū)域的位置。目前臨床所使用的電刺激、fMRI、PET-CT等腦功能映射方法均存在各自的弊端，并且提供信息不夠直觀。針對這些不足之處，本作品提出了基于顱內(nèi)腦電High Gamma(HG) 頻段能量活動的個體化功能映射技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)建立了一套基于顱內(nèi)腦電的高精度腦功能映射與神經(jīng)監(jiān)護系統(tǒng)。 整個系統(tǒng)由5部分組成：（1）圖像配準（2）電極坐標提?。?）MRI圖像分割和重建（4）ECoG信號處理（5）顯示控制界面。 相比于如前所述的現(xiàn)有技術(shù)，本作品實現(xiàn)了個體化的腦功能映射3D可視化，主要具有三點優(yōu)勢：首先，通過分析執(zhí)行任務(wù)時病人的腦電變化確定功能區(qū)，更加快速準確的實現(xiàn)了功能區(qū)的映射，避免了對人腦的電流刺激。第二，操作用時遠遠小于電刺激。完成一類功能映射，從開始測試到分析完結(jié)果平均需要5分鐘。第三，功能映射結(jié)果直觀地顯示在病人自己的大腦結(jié)構(gòu)上，并且可以任意地進行三維旋轉(zhuǎn)和調(diào)整，為臨床提供了方便直觀的信息。 本作品目前已成為清華大學(xué)第二附屬醫(yī)院癲癇中心在制定手術(shù)方案時的一個重要參考依據(jù)，并在中央電視臺《走進科學(xué)》欄目的癲癇治療專題節(jié)目中得到了展示。 與此同時，目前市面上的顱內(nèi)腦電監(jiān)測系統(tǒng)均是波形監(jiān)測，無法顯示腦功能映射；而能夠進行腦功能可視化顯示的腦電地形圖儀又均基于頭皮腦電，且對所有病人的腦電數(shù)據(jù)均投射到標準腦模型上，不符合人體的特異性。 綜上所述，由于其實用性及獨創(chuàng)性，本作品應(yīng)具有較高的商業(yè)價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1.設(shè)計發(fā)明目的和基本思路： 進行癲癇病灶切除手術(shù)前，必須進行腦功能映射，從而確定病灶和必須保留的重要功能區(qū)域的位置。目前臨床所使用的電刺激、fMRI、PET-CT等重要功能區(qū)映射方法均存在各自的弊端。針對于此，本作品提出了基于顱內(nèi)腦電的個體化腦功能映射技術(shù)。 2.創(chuàng)新點： （1）通過分析病人顱內(nèi)腦電High Gamma頻段的能量活動進行個體化腦功能映射，克服了目前臨床所使用的電刺激、fMRI、PET-CT等重要功能區(qū)檢測方法存在的多種弊端。 （2）通過對病人自身的MRI、CT數(shù)據(jù)進行配準融合再將大腦皮層功能區(qū)的腦電活動在病人自身的腦部模型上進行三維顯示的系統(tǒng)建構(gòu)方法，實現(xiàn)了腦功能區(qū)與埋藏電極以及開顱暴露腦區(qū)的直接對應(yīng)，從而給予醫(yī)生定位、切除等方面的直觀引導(dǎo)，克服了傳統(tǒng)二維標準腦顯示方式的劣勢。 3.技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標： 整個系統(tǒng)由5部分組成：（1）圖像配準（2）電極坐標提取（3）MRI圖像分割和重建（4）ECoG信號處理（5）顯示控制界面： （1）在CT和MRI圖像中可視化地選取6-12個生理標志點，運算生成配準矩陣。 （2）利用CT圖像重建后的三視圖，選取電極位置，并通過配準矩陣繪制在病人腦模型上。 （3）通過對MRI序列重建產(chǎn)生的頭部三維圖像進行顱骨皮層分割，得到三維皮層模型。 （4）對三維皮層模型、經(jīng)過配準得到的電極坐標以及各電極HG頻段能量的時域序列進行三維空間插值。
科學(xué)性、先進性
- 科學(xué)性：通過臨床測試，得到本系統(tǒng)CT、MRI圖像配準的平均誤差小于2.6mm，符合臨床要求。 通過進行手掌張握運動、舌頭轉(zhuǎn)動、文字默讀的腦功能映射臨床試驗，并與手術(shù)照片進行比較，可以直觀地看出重要功能區(qū)和大腦溝回之間的對應(yīng)關(guān)系。 先進性：目前神經(jīng)外科進行重要功能區(qū)映射腦皮層電刺激的主要缺點是（1）檢測費時效率低（2）對醫(yī)生經(jīng)驗要求極高（3）對病人的配合程度要求較高（4）較高的假陰性率。 此外，fMRI、PET-CT等大腦功能檢測技術(shù)在應(yīng)用于腦功能映射時也存在明顯缺陷。fMRI僅對運動區(qū)敏感，無法應(yīng)對影響腦皮層血液供應(yīng)的病變，且由于病人運動會產(chǎn)生很大的信號偽差。而PET成像系統(tǒng)在臨床實驗中與“金標準”的映射結(jié)果僅有65％的符合率。相比于這些現(xiàn)有技術(shù)，本作品實現(xiàn)了個體化的腦功能映射3D可視化，主要具有三點優(yōu)勢：1、避免了對人腦的電流刺激。2、操作用時遠遠短于電刺激。3、功能映射結(jié)果直觀地顯示在病人自己的大腦結(jié)構(gòu)上，并且可以任意地進行三維旋轉(zhuǎn)和調(diào)整，為臨床提供了方便直觀的信息。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年4月，作品雛形獲第二十八屆校級“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎、挑戰(zhàn)新秀獎； 2010年4月，作品雛形參展首屆北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃項目成果展示與經(jīng)驗交流會； 以本作品為研究工具的論文《Individualized cortical function mapping using high gamma activity》，發(fā)表于第三屆圖像與信號處理和生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)國際學(xué)術(shù)會議，并被EI Compendex，ISTP與IEEE Xplore收錄。 中國科學(xué)院文獻情報中心于2011年4月20日完成本作品科技查新報告（編號：2011-024），查新結(jié)論為：該查新項目針對癲癇病灶切除手術(shù)，研究了采用顱內(nèi)腦電方法對腦功能區(qū)定位，以輔助醫(yī)生在手術(shù)中對病人腦部語言、運動、記憶等重要功能區(qū)進行保護，在國內(nèi)公開的文獻中未見有與之相同的報道。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 1）基于顱內(nèi)自發(fā)腦電分析，無需外接電流刺激； 2）完成一種功能測試僅需5分鐘，遠遠短于電刺激測試； 3）將大腦皮層功能區(qū)直接映射到病人自己大腦的結(jié)構(gòu)像上，通過3D可視化，為臨床手術(shù)提供了直觀的參照依據(jù)。 適用范圍和推廣前景： 本作品能夠普遍適用于癲癇病灶切除手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃。由于整套系統(tǒng)可以借用現(xiàn)有的功能性電刺激硬件平臺實現(xiàn)所有功能，故可以以很低的成本快速推廣；又由于其具有如上所述的技術(shù)特點和優(yōu)勢，并且相對于電刺激對操作人員的經(jīng)驗要求較低，故具有較好的推廣前景。 市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測： 1）本作品已成為清華大學(xué)第二附屬醫(yī)院癲癇中心制定手術(shù)方案時的一項重要依據(jù)，并在中央電視臺《走進科學(xué)》欄目得到了展示。 2）目前市面上的顱內(nèi)腦電監(jiān)測系統(tǒng)均是波形監(jiān)測，無法顯示腦功能映射；而能夠進行腦功能可視化顯示的腦電地形圖儀又均基于頭皮腦電，且對所有病人的腦電數(shù)據(jù)均投射到標準腦模型上，不符合人體的特異性。 3）綜上，由其實用性及獨創(chuàng)性，本作品應(yīng)具有較高的商業(yè)價值。
同類課題研究水平概述
- 1. 基于腦皮層電刺激的腦功能映射 腦皮層電刺激是目前神經(jīng)外科的“金標準”。它是在患者于清醒狀態(tài)下，通過埋入的顱內(nèi)電極對不同腦區(qū)施加電脈沖刺激，再通過病人感覺產(chǎn)生，運動誘發(fā)，語言中斷等表象，了解病灶鄰近部位腦皮層功能區(qū)的分布情況，并以此制定手術(shù)方案和手術(shù)入路。 使用此方法有以下問題： （1）電極配對排列組合多，進行完整的電刺激通常要1個多小時； （2）在刺激電流參數(shù)的把握上對醫(yī)生經(jīng)驗要求極高； （3）需要病人配合測試，并且能夠準確表達自己的感受，醫(yī)生也需要根據(jù)經(jīng)驗觀察、詢問病人刺激后的反應(yīng)做出功能區(qū)的判斷； （4）操作測試者如果經(jīng)驗不足，常常會造成較高的假陰性率。 2. 基于fMRI的腦功能映射 功能性核磁共振成像（fMRI）是依靠腦血流中的血氧水平進行腦功能定位。雖然它對于癲癇診療能提供一定的輔助參考，但在實際神經(jīng)外科手術(shù)的應(yīng)用中卻存在明顯的缺陷： （1）在理論上fMRI是依靠腦血流進行功能定位的，因此一旦病變影響腦皮層的血液供應(yīng)，依靠此類方法就會出現(xiàn)較大的誤差。 （2）在技術(shù)上對于腦功能的掃描，病人運動會造成很大的信號偽差，在實踐中難以做到完全保持頭部靜止，這導(dǎo)致其掃描腦功能圖像的范圍與實際電生理刺激所得出的功能定位區(qū)域有較大的誤差，最大時可達20mm（Yetkin ZF. Functional MR activation correlated with intraoperative cortical mapping. AJNR Am J Neuroradiol 1997, 18: p. 1311–15.），這對于神經(jīng)外科手術(shù)來說，是一個無法接受的誤差。 （3）fMRI僅對運動區(qū)較敏感，并不適于進行所有區(qū)域的腦功能映射。 3. 基于PET的腦功能映射 PET成像系統(tǒng)也可以對腦代謝活躍的區(qū)域進行定位，但是在進行語言功能區(qū)定位的實驗中，與電生理刺激所顯示的功能區(qū)僅有65％的符合率。（Yousry T. Topography of the cortical motor hand area: prospective study with functional MR imaging and direct motor mapping at surgery. Radiology 1995, 195: p. 23–9）
