全球首例微米級腦機(jī)接口三維圖譜在武漢亮相

“精度達(dá)到頭發(fā)絲的二十分之一，為腦疾病治療、人機(jī)交互等臨床應(yīng)用提供全新解決方案。”3月26日，全球首例微米級腦機(jī)接口多模態(tài)三維圖譜在武漢發(fā)布。與傳統(tǒng)毫米級醫(yī)學(xué)影像相比，新技術(shù)將分辨率提升1000倍至微米級。這項突破讓醫(yī)生做腦部手術(shù)時，能像用手機(jī)導(dǎo)航一樣看清每條神經(jīng)的位置。

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院智能醫(yī)學(xué)研究室主任葉哲偉介紹，該團(tuán)隊與衷華腦機(jī)公司合作，在腦機(jī)接口方向取得重大進(jìn)展。研究團(tuán)隊通過融合micro-CT、9.4T超高場磁共振與混合現(xiàn)實技術(shù)，成功構(gòu)建全球首個集成顱骨、腦組織功能分區(qū)、腦血管及侵入式腦機(jī)接口裝置的微米級三維多模態(tài)圖譜，為腦機(jī)接口的進(jìn)一步深入研究及醫(yī)學(xué)教育開創(chuàng)了全新范式。

研究人員精準(zhǔn)呈現(xiàn)腦機(jī)接口與小鼠大腦各功能區(qū)的空間位置關(guān)系。受訪單位供圖

開啟人機(jī)交互新紀(jì)元

專家介紹，腦機(jī)接口是一種能夠在大腦與外部設(shè)備之間建立直接連接的技術(shù)，可以實現(xiàn)人與外部設(shè)備的信息交互。腦機(jī)接口技術(shù)作為一種革命性的人機(jī)交互技術(shù)，其作用機(jī)制是繞過外周神經(jīng)和肌肉，直接在大腦與外部設(shè)備之間建立通信與控制通道，通過捕捉大腦信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)信息的傳輸和控制，被譽(yù)為“元宇宙終極交互形態(tài)”。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，侵入式腦機(jī)接口可以直接讀取大腦信號，幫助癱瘓患者控制外部設(shè)備。

作為神經(jīng)科學(xué)、信息技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)工程交叉的前沿領(lǐng)域，腦機(jī)接口技術(shù)被列為國家重點發(fā)展的未來產(chǎn)業(yè)，將為人類認(rèn)知科學(xué)研究、腦疾病精準(zhǔn)診療開辟新路徑，并可能重塑人機(jī)交互的未來形態(tài)，已成為全球科技創(chuàng)新的重要發(fā)展方向。

據(jù)了解，該技術(shù)還在認(rèn)知增強(qiáng)、虛擬現(xiàn)實交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，是探索人類大腦奧秘、增強(qiáng)人類能力的關(guān)鍵技術(shù)路徑，其戰(zhàn)略意義堪比人工智能。

突破醫(yī)學(xué)影像新邊界

傳統(tǒng)二維影像因難以直觀展示腦機(jī)接口電極與腦組織功能分區(qū)、血管和顱骨的復(fù)雜空間關(guān)系，導(dǎo)致手術(shù)風(fēng)險高、學(xué)習(xí)曲線陡峭。

葉哲偉介紹，混合現(xiàn)實技術(shù)作為一種能夠讓用戶在真實世界與虛擬影像進(jìn)行實時交互的先進(jìn)可視化方案，可以幫助外科醫(yī)生在腦機(jī)接口植入的術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中輔助及手術(shù)結(jié)果進(jìn)行直觀呈現(xiàn)。

受制于臨床CT檢查的掃描精度，醫(yī)學(xué)影像的分辨率通常在毫米級，醫(yī)學(xué)混合現(xiàn)實影像的構(gòu)建精度也在毫米級。武漢協(xié)和醫(yī)院與衷華腦機(jī)研究團(tuán)隊攜手，通過融合micro-CT、9.4T超高場磁共振，實現(xiàn)了大鼠腦機(jī)接口植入模型的微米級多模態(tài)混合現(xiàn)實成像。

葉哲偉介紹，“醫(yī)生戴上MR眼鏡后，能擁有透視眼‘穿透’顱骨和腦組織，動態(tài)觀察電極與大腦皮層和腦部血管的微米級三維空間位置關(guān)系，這是傳統(tǒng)影像無法實現(xiàn)的。通過混合現(xiàn)實技術(shù)可以將微米級腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)百倍的放大呈現(xiàn)，醫(yī)務(wù)人員可以在三維空間對腦機(jī)接口與腦部結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系進(jìn)行全方位立體觀察，并建立三維圖譜。將腦機(jī)接口醫(yī)學(xué)影像的混合現(xiàn)實呈現(xiàn)從毫米級提升到微米級，極大提高了腦機(jī)接口手術(shù)的精準(zhǔn)性和安全性，也為腦機(jī)接口的進(jìn)一步深入研究及醫(yī)學(xué)教育開創(chuàng)了全新范式?！?/p>

成果封面文章圖。受訪單位供圖

微米級精度開創(chuàng)全球先河

研究團(tuán)隊在大鼠腦部視覺皮層植入多針微電極陣列后，采用術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后多階段掃描策略，分別使用micro-CT（12μm分辨率）和9.4T高場強(qiáng)磁共振（T2和TOF序列）實現(xiàn)了不同組織的微米級成像，并且利用3D Slicer軟件將不同模態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一至Waxholm空間坐標(biāo)系，結(jié)合混合現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)直觀的交互式呈現(xiàn)。

“以往我們只能依靠腦立體定位儀推測腦機(jī)接口裝置的植入位置，現(xiàn)在通過這個系統(tǒng)能精確判斷腦機(jī)接口裝置的植入情況?！眻F(tuán)隊成員展示的混合界面中，不同顏色標(biāo)注的腦組織功能區(qū)與紅色血管組織交織，手指輕觸即可單獨隱藏顱骨或突出顯示特定腦區(qū)，BCI裝置與關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系一目了然。

這一突破性成果，標(biāo)志著全球首次在微米級精度上，實現(xiàn)了腦機(jī)接口裝置與腦組織關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)的混合現(xiàn)實呈現(xiàn)。

葉哲偉介紹：“這項技術(shù)未來可能為脊髓損傷、癲癇病灶定位、深部腦刺激等腦機(jī)接口的高精度手術(shù)導(dǎo)航奠定基礎(chǔ)，為腦機(jī)接口的深度研究架起了高維度可視化橋梁?！?/p>

據(jù)了解，這一研究成果近日作為封面文章發(fā)表于英文SCI期刊Current Medical Science。