基本信息
- 項目名稱：
- 基于顱內腦電的高精度腦功能映射與神經監(jiān)護系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 在癲癇病灶切除手術中，如何在治愈癲癇的同時更好的保留病人原有的功能區(qū)、盡量降低手術風險，是目前神經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腦電High Gamma頻段能量活動的個體化功能映射技術，并以此為基礎建立了一套基于顱內腦電的高精度腦功能映射與神經監(jiān)護系統(tǒng)。
- 詳細介紹：
- 癲癇作為一種古老的神經系統(tǒng)常見病，嚴重危害著人類的健康。根據世界衛(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細胞的陣發(fā)性過度放電導致的。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，即應考慮手術治療。進行病灶切除手術前，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腦電High Gamma(HG) 頻段能量活動的個體化功能映射技術，并以此為基礎建立了一套基于顱內腦電的高精度腦功能映射與神經監(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，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果平均需要5分鐘。第三，功能映射結果直觀地顯示在病人自己的大腦結構上，并且可以任意地進行三維旋轉和調整，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第二附屬醫(yī)院癲癇中心在制定手術方案時的一個重要參考依據，并在中央電視臺《走進科學》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，本作品應具有較高的商業(yè)價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1.設計發(fā)明目的和基本思路：癲癇是一種常見的神經系統(tǒng)疾病，進行癲癇病灶切除手術前，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、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。針對于此，本作品提出了基于顱內腦電的個體化腦功能映射技術。 2.創(chuàng)新點：（1）通過分析病人顱內高頻腦電(High Gamma頻段)的能量活動進行腦功能映射，克服了目前臨床所使用的電刺激、fMRI、PET-CT等重要功能區(qū)檢測方法存在的多種問題。（2）通過對病人自身的MRI、CT數(shù)據進行配準融合再將大腦皮層功能區(qū)的腦電活動在其上進行三維顯示的系統(tǒng)建構方法，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，從而給予醫(yī)生定位、切除等方面的直觀引導，克服了傳統(tǒng)二維標準腦顯示方式的劣勢。 3.技術關鍵和主要技術指標：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）顱內高頻腦電信號處理（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圖像序列重建產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、經過配準得到的電極坐標以及各電極高頻能量變化的時間序列進行三維空間插值。
科學性、先進性
- 1.科學性：通過臨床測試，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、舌頭轉動、文字默讀的腦功能映射臨床試驗，并與手術照片進行比較，可以直觀地看出重要功能區(qū)和大腦溝回之間的對應關系。 2. 先進性：目前神經外科進行重要功能區(qū)映射的腦皮層電刺激的主要缺點是（1）檢測費時效率低（2）對醫(yī)生經驗要求高（3）對病人的配合程度要求高（4）較高的假陰性率。此外，fMRI、PET-CT等大腦功能檢測技術在應用于腦功能映射時也存在明顯缺陷。fMRI無法應對影響腦皮層血液供應的病變，且由于病人運動會產生很大的信號偽差（Yetkin 1997）。而PET成像系統(tǒng)在臨床實驗中與電刺激的映射結果僅有65％的符合率（Yousry 1995）。相比于這些現(xiàn)有技術，本作品實現(xiàn)了腦功能映射3D可視化，主要具有三點優(yōu)勢：1、避免了對人腦的電刺激。2、操作用時遠短于電刺激。3、功能映射結果直觀地顯示在病人自己的大腦結構上，并且可以任意地進行三維旋轉和調整，提供了方便直觀的信息。
獲獎情況及鑒定結果
- 1.參展首屆北京大學生科學研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃項目成果展示與經驗交流會； 2.獲省級“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽特等獎； 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處理和生物醫(yī)學工程與信息學國際學術會議，并被EI，ISTP與IEEE收錄。 4.中國科學院文獻情報中心科技查新報告結論為：該查新項目針對癲癇病灶切除手術，研究了采用顱內腦電方法對腦功能區(qū)定位，以輔助醫(yī)生在手術中對病人腦部語言、運動、記憶等重要功能區(qū)進行保護，在國內公開的文獻中未見有與之相同的報道。 5.項目試用情況獲相關試用醫(yī)院認證
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 1. 技術特點和優(yōu)勢：1）基于顱內自發(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構像上，通過3D可視化，為臨床手術提供了直觀的參照依據。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的術前規(guī)劃，保護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)護硬件實現(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特點和優(yōu)勢，并且相對于電刺激對操作人員的經驗要求較低，故具有較好的推廣前景。3. 市場分析和經濟效益預測：目前市面上的顱內腦電監(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)據均投射到標準腦模型上，不符合大腦結構與功能的特異性。 綜上，由其實用性及獨創(chuàng)性，本作品應具有較高的商業(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，通過埋入的顱內電極對不同腦區(qū)施加電脈沖刺激，再通過病人感覺產生，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，并以此制定手術方案和手術入路。 然而使用這種方法有以下幾個問題： （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，同時醫(yī)生也需要根據經驗觀察、詢問病人刺激后的反應做出功能區(qū)的判斷； （4）操作測試者如果經驗不足，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，但在實際神經外科手術的應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，依靠此類方法就會出現(xiàn)較大的誤差。 （2）在技術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 1997），這對于神經外科手術來說，是一個無法接受的誤差。 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 1995）
