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基本信息
- 項(xiàng)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(hù)系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 在癲癇病灶切除手術(shù)中，如何在治愈癲癇的同時(shí)更好的保留病人原有的功能區(qū)、盡量降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，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(cè)方法均存在各自的弊端，并且提供信息不夠直觀。針對(duì)于此，本作品提出了基于顱內(nèi)腦電High Gamma頻段能量活動(dòng)的個(gè)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(hù)系統(tǒng)。
- 詳細(xì)介紹：
- 癲癇作為一種古老的神經(jīng)系統(tǒng)常見病，嚴(yán)重危害著人類的健康。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的報(bào)告，全球癲癇患者約5000萬(wàn)人，而我國(guó)約有900多萬(wàn)癲癇患者，其中600萬(wàn)病人每年仍有發(fā)作，而且每年還會(huì)出現(xiàn)40萬(wàn)新發(fā)病例。近年來(lái)隨著我國(guó)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(shì)。從原理上講，癲癇是由于大腦神經(jīng)細(xì)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(shí)，如果癲癇病灶具有局灶性，即應(yīng)考慮手術(shù)治療。進(jìn)行病灶切除手術(shù)前，必須進(jìn)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(duì)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(dòng)的個(gè)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(hù)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由5部分組成：（1）圖像配準(zhǔn)（2）電極坐標(biāo)提?。?）MRI圖像分割和重建（4）ECoG信號(hào)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(shí)現(xiàn)了個(gè)體化的腦功能映射3D可視化，主要具有三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：首先，通過分析執(zhí)行任務(wù)時(shí)病人的腦電變化確定功能區(qū)，更加快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了功能區(qū)的映射，避免了對(duì)人腦的電流刺激。第二，操作用時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電刺激。完成一類功能映射，從開始測(cè)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(jìn)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(shí)的一個(gè)重要參考依據(jù)，并在中央電視臺(tái)《走進(jìn)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(shí)，目前市面上的顱內(nèi)腦電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均是波形監(jiān)測(cè)，無(wú)法顯示腦功能映射；而能夠進(jìn)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(duì)所有病人的腦電數(shù)據(jù)均投射到標(biāo)準(zhǔn)腦模型上，不符合人體的特異性。綜上所述，由于其實(shí)用性及獨(dú)創(chuàng)性，本作品應(yīng)具有較高的商業(yè)價(jià)值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.設(shè)計(jì)發(fā)明目的和基本思路：癲癇是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，進(jìn)行癲癇病灶切除手術(shù)前，必須進(jìn)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、功能核磁共振(fMRI)、正電子層析成像-斷層掃描(PET-CT)等重要功能區(qū)映射方法均存在各自的問題。針對(duì)于此，本作品提出了基于顱內(nèi)腦電的個(gè)體化腦功能映射技術(shù)。 2.創(chuàng)新點(diǎn)：（1）通過分析病人顱內(nèi)高頻腦電(High Gamma頻段)的能量活動(dòng)進(jìn)行腦功能映射，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(cè)方法存在的多種問題。（2）通過對(duì)病人自身的MRI、CT數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合再將大腦皮層功能區(qū)的腦電活動(dòng)在其上進(jìn)行三維顯示的系統(tǒng)建構(gòu)方法，實(shí)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)腦顯示方式的劣勢(shì)。 3.技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)：整個(gè)系統(tǒng)由5部分組成：（1）圖像配準(zhǔn)（2）電極坐標(biāo)提?。?）MRI圖像分割和重建（4）顱內(nèi)高頻腦電信號(hào)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(gè)生理標(biāo)志點(diǎn)，運(yùn)算生成配準(zhǔn)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(zhǔn)矩陣?yán)L制在病人腦模型上。（3）通過對(duì)MRI圖像序列重建產(chǎn)生的頭部三維圖像進(jìn)行顱骨皮層分割，得到三維皮層模型。（4）對(duì)三維皮層模型、經(jīng)過配準(zhǔn)得到的電極坐標(biāo)以及各電極高頻能量變化的時(shí)間序列進(jìn)行三維空間插值。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.科學(xué)性：通過臨床測(cè)試，本系統(tǒng)CT、MRI圖像配準(zhǔn)的平均誤差小于2.6mm，符合臨床要求。通過進(jìn)行手掌張握運(yùn)動(dòng)、舌頭轉(zhuǎn)動(dòng)、文字默讀的腦功能映射臨床試驗(yàn)，并與手術(shù)照片進(jìn)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(duì)應(yīng)關(guān)系。 2. 先進(jìn)性：目前神經(jīng)外科進(jìn)行重要功能區(qū)映射的腦皮層電刺激的主要缺點(diǎn)是（1）檢測(cè)費(fèi)時(shí)效率低（2）對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)要求高（3）對(duì)病人的配合程度要求高（4）較高的假陰性率。此外，fMRI、PET-CT等大腦功能檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)用于腦功能映射時(shí)也存在明顯缺陷。fMRI無(wú)法應(yīng)對(duì)影響腦皮層血液供應(yīng)的病變，且由于病人運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的信號(hào)偽差（Yetkin 1997）。而PET成像系統(tǒng)在臨床實(shí)驗(yàn)中與電刺激的映射結(jié)果僅有65％的符合率（Yousry 1995）。相比于這些現(xiàn)有技術(shù)，本作品實(shí)現(xiàn)了腦功能映射3D可視化，主要具有三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1、避免了對(duì)人腦的電刺激。2、操作用時(shí)遠(yuǎn)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(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)和調(diào)整，提供了方便直觀的信息。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1.參展首屆北京大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目成果展示與經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)； 2.獲省級(jí)“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)； 3.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(hào)處理和生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，并被EI，ISTP與IEEE收錄。 4.中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心科技查新報(bào)告結(jié)論為：該查新項(xiàng)目針對(duì)癲癇病灶切除手術(shù)，研究了采用顱內(nèi)腦電方法對(duì)腦功能區(qū)定位，以輔助醫(yī)生在手術(shù)中對(duì)病人腦部語(yǔ)言、運(yùn)動(dòng)、記憶等重要功能區(qū)進(jìn)行保護(hù)，在國(guó)內(nèi)公開的文獻(xiàn)中未見有與之相同的報(bào)道。 5.項(xiàng)目試用情況獲相關(guān)試用醫(yī)院認(rèn)證
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無(wú)
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1. 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1）基于顱內(nèi)自發(fā)腦電分析，無(wú)需外接電流刺激；2）完成一種功能測(cè)試僅需5分鐘，遠(yuǎn)短于電刺激測(cè)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)。2. 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，保護(hù)病人大腦的重要功能區(qū)。由于整套系統(tǒng)可以借用臨床腦電監(jiān)護(hù)硬件實(shí)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并且相對(duì)于電刺激對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求較低，故具有較好的推廣前景。3. 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：目前市面上的顱內(nèi)腦電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均是波形監(jiān)測(cè)，無(wú)法顯示腦功能映射；而能夠進(jìn)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(duì)所有病人的腦電數(shù)據(jù)均投射到標(biāo)準(zhǔn)腦模型上，不符合大腦結(jié)構(gòu)與功能的特異性。 綜上，由其實(shí)用性及獨(dú)創(chuàng)性，本作品應(yīng)具有較高的商業(yè)價(jià)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(biāo)準(zhǔn)”。它是在患者于清醒狀態(tài)下，通過埋入的顱內(nèi)電極對(duì)不同腦區(qū)施加電脈沖刺激，再通過病人感覺產(chǎn)生，運(yùn)動(dòng)誘發(fā)，語(yǔ)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。 然而使用這種方法有以下幾個(gè)問題： （1）電極配對(duì)排列組合多，進(jìn)行完整的電刺激通常要1個(gè)多小時(shí)； （2）在刺激電流參數(shù)的把握上對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)要求極高； （3）需要病人配合測(cè)試，并且能夠準(zhǔn)確表達(dá)自己的感受，同時(shí)醫(yī)生也需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(cè)試者如果經(jīng)驗(yàn)不足，常常會(huì)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(jìn)行腦功能定位。雖然它對(duì)于癲癇診療能提供一定的輔助參考，但在實(shí)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(jìn)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(huì)出現(xiàn)較大的誤差。 （2）在技術(shù)上對(duì)于腦功能的掃描，病人運(yùn)動(dòng)會(huì)造成很大的信號(hào)偽差，在實(shí)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(shí)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(shí)可達(dá)20mm（Yetkin 1997），這對(duì)于神經(jīng)外科手術(shù)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)無(wú)法接受的誤差。 3. 基于PET的腦功能映射 PET成像系統(tǒng)也可以對(duì)腦代謝活躍的區(qū)域進(jìn)行定位，但是在進(jìn)行語(yǔ)言功能區(qū)定位的實(shí)驗(yàn)中，與電生理刺激所顯示的功能區(qū)僅有65％的符合率。（Yousry 1995）
