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不仅能吃油条、喝可乐,还能打麻将

国内首例!全身瘫痪后却又奇迹般能“抓、握、移”

发布时间:2020-01-18来源:杭州日报作者:吴雅兰 柯溢能 方秀芬 卢绍庆0

因车祸而全身瘫痪的张先生,四个月前在杭州进行了一个“神奇”的手术。如今,他可以与主治医生握手,还能拿饮料瓶、吃油条、玩麻将,只不过这些动作不是用他自己的手来做的,而是他用“意念”控制外部机械臂及机械手来完成。

 这正是国内首例植入式脑机接口临床转化研究,由浙大求是高等研究院“脑机接口”团队与浙大附属第二医院神经外科合作完成。

 除了吃喝、社交、娱乐外,这项最新成果将有助于肢体瘫痪患者进行运动功能重建,从而提高生活质量,未来也将对辅助运动功能、失能者功能重建、老年机能增强等更多领域产生积极影响。

 作为浙大“双脑计划”的积极参与者,手术主刀医生、浙大附属第二医院神经外科主任张建民表示,人工智能给患者带来福音,不仅能够为过去“无法可医”的病患带来重生的机会,也能够加快术后病人的康复。

 全身瘫痪后居然能“抓、握、移” 原来大脑与机械“心灵感应”

 在浙大二院16楼神经外科的一间病房里,工作人员把一个放着油条的杯子放在机械手的旁边,张先生用“意念”让机械手对准位置,张开手指,握住杯子,一步一步往回挪。挪的过程并不十分顺畅,有时往左偏一点,有时往右偏一点,张先生得“使劲”想着“往右”或“往左”,调整机械臂的方向。经过约半分钟努力,成功,机械手终于把杯子挪到了他的嘴边,张先生吃到油条了!

 饿了就能吃,渴了就能喝,通过脑机接口,张先生能够自己“做”一些事情。他开心地说,心想事成的感觉太好了。有意思的是,在知道张先生喜欢打麻将后,专家们特地设计了一套程序,让他能够通过控制鼠标玩电脑麻将游戏。“刚来时,张先生心情很低落,我们跟他说话,他都不怎么搭理。现在,能看得出他高兴多了。”护士长说。

 抓、握、移,这些对常人来说再简单不过的动作,背后却是信号发送、传输和解码等一系列复杂的过程。这一“转念”之间的过程,对像张先生这样脊髓神经损伤、运动功能丧失的残障人士而言,本是不可能完成的任务。

 而近年来兴起的脑机接口技术,为这类患者带来了福音。所谓脑机接口,就是在大脑和假肢等外部设备之间建立一条直接传输大脑指令的通道,实现在脊髓及运动神经通路损坏,但大脑皮层功能尚健全的情况下,脑部的信号也能通过计算机解读,直接控制外部设备。

 “首次证明,高龄患者利用植入式脑机接口进行复杂而有效的运动控制是可行的。”浙江大学求是高等研究院教授王跃明说,以往在国际上已经报道的研究植入式脑机接口的志愿者均为中青年,而这次张先生是典型的高龄患者,在体力、注意力、情绪配合等方面都相对较弱。“现在张先生可以完全利用大脑运动皮层信号,精准控制外部机械臂与机械手实现三维空间的运动。”

 这是一个无比高超神奇的手术 机器人辅助完成电极植入

 这个神奇的手术在去年8月实施,研究方案经医院伦理委员会批准,并征得张先生和家属的知情同意后正式开始。

 在尽量减少损伤的情况下,如何将微电极准确无误地植入患者大脑,手术的挑战就从这里开始。张建民说,大脑皮层神经元共分为6层,实验需要将电极植入第5层的位置。电极植入的位置太浅了达不到效果,太深了又会损伤其他神经,难度非常大,“这对我们来说,是全新的手术。”张建民想到了手术机器人。他们利用步进为0.1毫米的手术机器人,准确地将2个微电极阵列送入既定位置,误差控制在0.5毫米以内。这也是全球首例成功利用手术机器人辅助方式完成电极植入的手术。

 “在4毫米×4毫米大小的微电极阵列上有100个电极针脚,每一个针脚都可能检测到1个甚至多个神经元细胞放电。电极的另一头连接着计算机,可以实时记录大脑发出的神经信号。”王跃明说,这次是把微电极阵列直接插入大脑运动皮层里面,是植入式操作,可以检测单个神经元细胞放电情况,获取的信号更直接、稳定和丰富。

 接下来的关键一步就是如何实现“意念操控”。团队介绍说,人的大脑中有上千亿个神经元通过发出微小的电脉冲相互交流,从而对人体的一举一动发号施令,要实现意念控制,就要对电极检测范围内的人脑神经电信号进行实时采集和解码,将不同的电信号特征与机械手臂的动作匹配对应。后来,王跃明与团队成员引入非线性、神经网络算法,提出了针对这一例高龄患者的个性化解决方案。“相对于中青年患者,老年患者的脑电信号质量与稳定性都要差些,我们设计的非线性解码器更能‘读懂’老年人的心思,能够帮助患者更好地在反馈式学习中掌握如何操控机械臂与机械手。”

 当然,要达到“人与机械合一”的目标是非常困难的。团队采用循序渐进的训练方法,先让张先生在电脑屏幕上操控鼠标来跟踪、点击二维运动及三维虚拟现实运动中的球,再练习指挥机械臂完成上下左右等9个方向的动作,最后才是模拟握手、饮水、进食等动作。训练耗费4个多月时间,才有了现在这样令人激动的成果。

 浙大脑机接口技术跻身世界最先进水平 今后推广到更复杂的功能重建

 “脑卒中好发于老年人,许多脑血管病患者虽经救治挽救了生命,但常常遗留偏瘫失语等后遗症。因此这次在老龄志愿者上成功实现脑机接口运动功能重建转化研究,将对未来的临床治疗和康复产生非常重要的指导意义。”张建民表示,高位截瘫、肌萎缩侧索硬化、闭锁综合征等重度运动功能障碍患者,有望应用植入式脑机接口技术并借助外部设备,重建肢体运动、语言等功能,而且随着脑科学的不断发展,这一领域的临床应用将从现有的以运动功能为主的功能重建,逐渐推广到语言、感觉、认知等更多更复杂的功能重建上。

 据介绍,从最初实现电极植入大鼠脑部的“动物导航系统”,到脑机接口应用在人的大脑上,团队整整花了十余年时间。而今天的这项研究也意味着浙江大学的脑机接口技术已经可以跻身世界最先进水平。


《杭州日报》2020年1月17日12版