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

華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院智能醫(yī)學研究室主任葉哲偉介紹，該團隊與衷華腦機公司合作，在腦機接口方向取得重大進展。研究團隊通過融合micro-CT、9.4T超高場磁共振與混合現(xiàn)實技術，成功構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接口裝置的微米級三維多模態(tài)圖譜，為腦機接口的進一步深入研究及醫(yī)學教育開創(chuàng)了全新范式。

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

開啟人機交互新紀元

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

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

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

突破醫(yī)學影像新邊界

傳統(tǒng)二維影像因難以直觀展示腦機接口電極與腦組織功能分區(qū)、血管和顱骨的復雜空間關系，導致手術風險高、學習曲線陡峭。

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

受制于臨床CT檢查的掃描精度，醫(yī)學影像的分辨率通常在毫米級，醫(yī)學混合現(xiàn)實影像的構建精度也在毫米級。武漢協(xié)和醫(yī)院與衷華腦機研究團隊攜手，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系，這是傳統(tǒng)影像無法實現(xiàn)的。通過混合現(xiàn)實技術可以將微米級腦結構進行了數(shù)百倍的放大呈現(xiàn)，醫(yī)務人員可以在三維空間對腦機接口與腦部結構的位置關系進行全方位立體觀察，并建立三維圖譜。將腦機接口醫(yī)學影像的混合現(xiàn)實呈現(xiàn)從毫米級提升到微米級，極大提高了腦機接口手術的精準性和安全性，也為腦機接口的進一步深入研究及醫(yī)學教育開創(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

研究團隊在大鼠腦部視覺皮層植入多針微電極陣列后，采用術前、術中、術后多階段掃描策略，分別使用micro-CT（12μm分辨率）和9.4T高場強磁共振（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空間坐標系，結合混合現(xiàn)實技術實現(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)能精確判斷腦機接口裝置的植入情況?！眻F隊成員展示的混合界面中，不同顏色標注的腦組織功能區(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裝置與關節(jié)解剖結構的關系一目了然。

這一突破性成果，標志著全球首次在微米級精度上，實現(xiàn)了腦機接口裝置與腦組織關鍵解剖結構的混合現(xiàn)實呈現(xiàn)。

葉哲偉介紹：“這項技術未來可能為脊髓損傷、癲癇病灶定位、深部腦刺激等腦機接口的高精度手術導航奠定基礎，為腦機接口的深度研究架起了高維度可視化橋梁。”

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。