2021 年被視為元宇宙元年,,而早在 “元宇宙” 這一概念充斥整個(gè)網(wǎng)絡(luò)之前,,被視為元宇宙終極 “交互” 方式的腦機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)已率先應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,。 腦機(jī)接口,,指直接連接人 / 動(dòng)物大腦與外部設(shè)備,并實(shí)現(xiàn)大腦與設(shè)備信息交互的通道,,可通過外接設(shè)備對(duì)大腦進(jìn)行監(jiān)測,、改善、增強(qiáng)等動(dòng)作,。科幻電影里,,人們經(jīng)由這一通路去往虛擬世界;現(xiàn)實(shí)生活中,,這一技術(shù)正逐漸應(yīng)用于攻克更多傳統(tǒng)方式無法治療的疾病,。 腦機(jī)接口技術(shù)在臨床當(dāng)中的應(yīng)用,最早是對(duì)于癲癇的預(yù)測,。資料顯示,,基于非侵入式腦機(jī)接口的頭皮腦電圖(electroencephalogram,EEG)在臨床中應(yīng)用于癲癇診治已有近 100 年的歷史,,且至今仍為最常用,、最經(jīng)濟(jì)的腦電波檢測手段。 后來,,隨著探索的深入以及軟硬件水平的提高,,腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷拓寬,,包括通過 EEG 和腦深部電刺激(Deep Brain Stimulation,DBS)治療帕金森,、慢性頑固性疼痛,、難治性癲癇等神經(jīng) / 精神類疾病以及運(yùn)動(dòng)障礙。 近幾年,,研究人員對(duì)于大腦感覺運(yùn)動(dòng)皮層,、認(rèn)知皮層腦電信號(hào)的解碼能力趨于成熟,與之相對(duì)應(yīng)的,,基于 EEG 的非侵入式腦機(jī)接口成為臨床應(yīng)用中進(jìn)展較快的方向,,國內(nèi)已有博睿康,、臻泰智能,、海天智能、念通智能,、司羿智能等公司進(jìn)行布局,,涉及運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練、神經(jīng)疾病診療等過程,。 為進(jìn)一步了解腦機(jī)接口技術(shù)在臨床中的應(yīng)用進(jìn)展,,以及 BCI 技術(shù)為臨床醫(yī)學(xué)帶來的改變,生輝與臻泰智能創(chuàng)始人兼 CEO 王浩沖進(jìn)行了對(duì)話,。 圖丨臻泰智能創(chuàng)始人兼 CEO 王浩沖(來源:受訪者提供) “我認(rèn)為,,基于 EEG 的腦機(jī)接口技術(shù)在腦卒中、腦損傷導(dǎo)致的認(rèn)知 / 運(yùn)動(dòng)功能障礙治療場景會(huì)逐步落地,;未來 3-5 年,,將有多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病可以通過腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)行干預(yù)和治療。” 對(duì)此,,王浩沖介紹說,,“今年,臻泰智能針對(duì)腦卒中康復(fù)訓(xùn)練研發(fā)的腦機(jī)接口上下肢主被動(dòng)協(xié)同康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)完成了型式檢驗(yàn)和臨床試驗(yàn),,目前正處于注冊(cè)審評(píng)階段,,預(yù)計(jì)明年上半年上市。” 腦機(jī)接口:為損傷的大腦提供意念表達(dá)通路 腦卒中俗稱中風(fēng),,是一種急性腦血管疾病,,分缺血性和出血性兩種,,為由腦部血管突然破裂或阻塞導(dǎo)致血液無法流入大腦引發(fā)的腦組織損傷,,常見后遺癥包括運(yùn)動(dòng)功能、感覺功能,、言語功能,、吞咽功能等障礙,,嚴(yán)重情況可造成死亡。 今年 9 月,,柳葉刀子刊 Lancet Neurology 上刊登的 2019 年全球疾病負(fù)擔(dān)研究顯示,,腦卒中為全球第二大死亡原因,占總死亡人數(shù)的 11.6%,;另外,,腦卒中也是導(dǎo)致全球傷殘調(diào)整壽命年(disability adjusted life year, DALYs)的第三大病因,占全球總 DALYs 的 5.7%,,僅次于新生兒疾?。?.3%)和缺血性心臟病(7.2%),。 傷殘調(diào)整壽命年: 指從發(fā)病到死亡所損失的全部健康壽命年,,包括因早死所致的壽命損失年和疾病所致傷殘引起的健康壽命損失年兩部分,是計(jì)算因各種疾病造成的早死與殘疾對(duì)健康壽命年損失的綜合指標(biāo),,也是測算疾病負(fù)擔(dān)的主要指標(biāo)之一,。 目前,康復(fù)治療為降低腦卒中后遺癥致殘率的有效途徑之一,,臨床中廣泛使用的康復(fù)訓(xùn)練方案包括針灸理療,、人工輔助、康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人等方式,?!捌渲兴褂玫目祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人多為通過設(shè)備運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)患者肢體被動(dòng)、機(jī)械,、重復(fù)地訓(xùn)練,,對(duì)患者的刺激是單一的。”王浩沖進(jìn)一步解釋說,,“但其實(shí),,康復(fù)訓(xùn)練的本質(zhì)就是為了給患者提供更豐富的刺激,具體到腦卒中的康復(fù)訓(xùn)練中,,是指通過更豐富的刺激增強(qiáng)大腦神經(jīng)的活躍度,,進(jìn)而促進(jìn)旁路神經(jīng)代償或重塑,以恢復(fù)患者受損的神經(jīng)對(duì)上 / 下肢的控制能力,,讓患者最大限度地重拾生活自理能力,。”對(duì)于達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練效果更佳這一目標(biāo),連接大腦與身體外部設(shè)備的腦機(jī)接口技術(shù)提供了可能,?!澳X機(jī)接口技術(shù)可以將患者想要支配肢體運(yùn)動(dòng)的意念解讀出來,并且在外接設(shè)備的配合下,,完成大腦'指揮’肢體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作,,這樣就實(shí)現(xiàn)了患者的'主動(dòng)’訓(xùn)練,,可從本質(zhì)上提升康復(fù)訓(xùn)練效果。”融合三大核心技術(shù),,構(gòu)建主被動(dòng)協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)通過腦機(jī)接口技術(shù)的介入,,原本單一、被動(dòng)的機(jī)械化康復(fù)訓(xùn)練將變?yōu)榻换?、主?dòng)的康復(fù)治療方案,,這是對(duì)整個(gè)康復(fù)過程實(shí)現(xiàn)質(zhì)變的關(guān)鍵一環(huán)?!澳X機(jī)接口技術(shù)在整個(gè)過程中負(fù)責(zé)采集大腦產(chǎn)生的腦電信號(hào),,然后通過算法將腦電所代表的含義解讀出來,并將其代表的含義傳輸至'執(zhí)行端’,?!?/span>圖丨無線多通道腦電采集分析系統(tǒng)(來源:臻泰智能)成立于 2018 年的臻泰智能,,為西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院醫(yī)工交叉研究所孵化項(xiàng)目,,創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)成員也大多畢業(yè)于西安交大,在腦機(jī)接口,、機(jī)器人研發(fā)方面有深厚的技術(shù)積累,。其中,王浩沖在西安交大期間跟隨國家 863 項(xiàng)目首席專家,、AI 醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)組科學(xué)家徐光華教授進(jìn)行腦機(jī)接口技術(shù)及其應(yīng)用的研究,,腦控智能康復(fù)機(jī)器人為其主要參與研究項(xiàng)目;公司聯(lián)合創(chuàng)始人,、CTO 史改革在機(jī)器人設(shè)計(jì),、制造方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn),是一位連續(xù)創(chuàng)業(yè)者,,曾獲 RoboMaster 機(jī)器人大賽全國總冠軍,;臻泰智能研發(fā)負(fù)責(zé)人韓丞丞,為國內(nèi)首批腦機(jī)接口算法博士,,在腦機(jī)接口臨床研究方面有著豐富經(jīng)驗(yàn),。成立第二年,臻泰智能便獲得聯(lián)想創(chuàng)投獨(dú)家投資的 500 萬元人民幣天使輪資金,;今年,,該公司完成奇績創(chuàng)壇 Pre-A 輪融資,成為陸奇博士除 NeuraMatrix 之外在腦機(jī)接口領(lǐng)域的又一布局,。據(jù)介紹,,其研發(fā)的腦機(jī)接口主被動(dòng)協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)融合了腦機(jī)接口、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR/AR)、機(jī)器人控制三大核心技術(shù),,也就是 “BCI+VR + 機(jī)器人” 的腦機(jī)智能康復(fù)整體解決方案,。具體而言,,首先利用 VR/AR 構(gòu)建沉浸式場景,,對(duì)患者進(jìn)行視覺運(yùn)動(dòng)目標(biāo)任務(wù)誘導(dǎo),激發(fā)其運(yùn)動(dòng)想象意圖,;其次,,通過非侵入式腦機(jī)接口采集患者運(yùn)動(dòng)意圖的腦電信號(hào),精準(zhǔn)解碼并輸出指令,;最后,,機(jī)器人接收指令,帶動(dòng)患者進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng),,完成主被動(dòng)協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練,。通過視覺、運(yùn)動(dòng)兩個(gè)大腦皮層區(qū)域的協(xié)同誘發(fā),,在該系統(tǒng)多腦區(qū)融合信號(hào)處理算法辨識(shí)下,,對(duì)運(yùn)動(dòng)意圖解碼準(zhǔn)確率可達(dá)到 90% 以上,響應(yīng)時(shí)間為 1s / 次,。圖丨腦控康復(fù)機(jī)器人工作原理(來源:臻泰智能官網(wǎng))運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療的本質(zhì)是神經(jīng)代償 / 重塑,,而反饋刺激則是運(yùn)動(dòng)康復(fù)完整實(shí)現(xiàn)的前提條件?!癡R/AR 技術(shù)構(gòu)建的沉浸式 3D 訓(xùn)練場景,,可以對(duì)患者進(jìn)行更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)想象刺激,強(qiáng)化其運(yùn)動(dòng)意圖的產(chǎn)生”,,“機(jī)器人可以輔助患者進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng),,通過不同的力度讓患者感受變化,強(qiáng)化患者對(duì)刺激的反饋”……從王浩沖的用詞中可以明顯看出,,患者 “接收刺激” 以及 “對(duì)刺激的反饋” 在神經(jīng)系統(tǒng)損傷患者康復(fù)治療過程的重要性,。據(jù)他透露,與傳統(tǒng)康復(fù)設(shè)備相比,,患者使用 “腦機(jī)接口 + 虛擬現(xiàn)實(shí) + 智能機(jī)器人” 融合而成的系統(tǒng)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,,效果可提升 30% 左右,對(duì)應(yīng)達(dá)到同樣程度治療效果的用時(shí)可減少 1/3,。針對(duì)腦卒中患者不同部位康復(fù)的需求,,臻泰智能也提出了全周期的腦機(jī)智能康復(fù)整體解決方案,包括腦機(jī)接口上下肢康復(fù)機(jī)器人,、腦機(jī)接口手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)等,。其中,腦機(jī)接口上下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)了虛擬仿生騎行的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作,,通過腦機(jī)接口控制的訓(xùn)練車進(jìn)行上下肢協(xié)同訓(xùn)練,,實(shí)現(xiàn)認(rèn)知,、運(yùn)動(dòng)功能的雙重任務(wù)刺激反饋,有效促進(jìn)患者認(rèn)知,、運(yùn)動(dòng)平衡以及四肢協(xié)調(diào)功能的改善,。圖丨陜西省康復(fù)醫(yī)院患者使用腦機(jī)接口上下肢主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人腦機(jī)接口手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng),通過手部鏡像動(dòng)作任務(wù)誘導(dǎo),,融合了視覺運(yùn)動(dòng)的協(xié)同刺激誘發(fā),,可有效激活患者視覺和感覺運(yùn)動(dòng)皮層的多腦區(qū)響應(yīng),通過直接的運(yùn)動(dòng)意念控制設(shè)備進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,,實(shí)現(xiàn)了 “中樞 - 外周 - 中樞” 的閉環(huán)刺激,,對(duì)患者手功能自理能力的提升起到了顯著作用。圖丨腦機(jī)接口手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)(來源:受訪者提供)侵入式腦機(jī)接口產(chǎn)品擬進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)計(jì),,2040 年,,中國腦機(jī)接口純?cè)O(shè)備市場規(guī)模將達(dá)到 560 億人民幣,年均復(fù)合增長率在 21%,。眾所周知,,非侵入式和侵入式為腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展的兩大方向,二者各有利弊,。非侵入式對(duì)使用者無創(chuàng)傷,,但因設(shè)備與神經(jīng)元之間存在大腦皮層等障礙,腦電信號(hào)獲取量小且精度差,,只能實(shí)現(xiàn)對(duì)粗大動(dòng)作的調(diào)控,。更精細(xì)、大量的腦電信號(hào)獲取,,則需要電極與神經(jīng)元更近距離的接觸,,侵入式腦機(jī)接口技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢。目前,,臻泰智能已亮相的產(chǎn)品均為基于非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng),,但其實(shí),相比非侵入式腦機(jī)接口的康復(fù)訓(xùn)練,,侵入式可對(duì)重度病癥患者進(jìn)行治療,,如對(duì)脊髓損傷、成癮性疾病,、高位截癱等神經(jīng)系統(tǒng)疾病,。王浩沖表示,“可以通過侵入式腦機(jī)接口技術(shù)在患者的大腦運(yùn)動(dòng)皮層直接植入電極,,這樣就可以精確到單個(gè)神經(jīng)元,,對(duì)患者想做的精細(xì)動(dòng)作進(jìn)行解碼,再配合外骨骼機(jī)器人即可直接幫助患者重新站立?!?/span>為了對(duì)更多難治性疾病進(jìn)行有效的治療,,臻泰智能在侵入式腦機(jī)接口方向亦有所布局。他提到,,目前正在籌備進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn),,預(yù)計(jì)未來也將推出侵入式腦機(jī)接口產(chǎn)品。最后,,王浩沖表示,,“現(xiàn)在,,腦機(jī)接口技術(shù)在康復(fù)治療場景中正在落地,,未來,它所連接的終極元宇宙也將逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),。”https:///10.1038/s41467-021-27317-1
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