基本信息
- 项目名称：
- 基于颅内脑电的高精度脑功能映射与神经监护系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 在癫痫病灶切除手术中，如何在治愈癫痫的同时更好的保留病人原有的功能区、尽量降低手术风险，是目前神经外科面临的主要挑战之一。目前临床所使用的电刺激、fMRI、PET-CT等检测方法均存在各自的弊端，并且提供信息不够直观。针对于此，本作品提出了基于颅内脑电High Gamma频段能量活动的个体化功能映射技术，并以此为基础建立了一套基于颅内脑电的高精度脑功能映射与神经监护系统。
- 详细介绍：
- 癫痫作为一种古老的神经系统常见病，严重危害着人类的健康。根据世界卫生组织的报告，全球癫痫患者约5000万人，而我国约有900多万癫痫患者，其中600万病人每年仍有发作，而且每年还会出现40万新发病例。近年来随着我国人口老龄化，脑血管病、痴呆和神经系统退行性疾病的发病率增加，老年人群中癫痫发病率已出现上升的趋势。 从原理上讲，癫痫是由于大脑神经细胞的阵发性过度放电导致的。轻度的癫痫可以通过药物加以控制，然而一旦发展成为顽固性癫痫，药物治疗将很难起效或者引起不可接受的副作用。此时，如果癫痫病灶具有局灶性，即应考虑手术治疗。 进行病灶切除手术前，必须进行病人的脑功能映射，从而确定病灶和必须保留的重要功能区域的位置。目前临床所使用的电刺激、fMRI、PET-CT等脑功能映射方法均存在各自的弊端，并且提供信息不够直观。针对这些不足之处，本作品提出了基于颅内脑电High Gamma(HG) 频段能量活动的个体化功能映射技术，并以此为基础建立了一套基于颅内脑电的高精度脑功能映射与神经监护系统。 整个系统由5部分组成：（1）图像配准（2）电极坐标提取（3）MRI图像分割和重建（4）ECoG信号处理（5）显示控制界面。 相比于如前所述的现有技术，本作品实现了个体化的脑功能映射3D可视化，主要具有三点优势：首先，通过分析执行任务时病人的脑电变化确定功能区，更加快速准确的实现了功能区的映射，避免了对人脑的电流刺激。第二，操作用时远远小于电刺激。完成一类功能映射，从开始测试到分析完结果平均需要5分钟。第三，功能映射结果直观地显示在病人自己的大脑结构上，并且可以任意地进行三维旋转和调整，为临床提供了方便直观的信息。 本作品目前已成为清华大学第二附属医院癫痫中心在制定手术方案时的一个重要参考依据，并在中央电视台《走进科学》栏目的癫痫治疗专题节目中得到了展示。 与此同时，目前市面上的颅内脑电监测系统均是波形监测，无法显示脑功能映射；而能够进行脑功能可视化显示的脑电地形图仪又均基于头皮脑电，且对所有病人的脑电数据均投射到标准脑模型上，不符合人体的特异性。 综上所述，由于其实用性及独创性，本作品应具有较高的商业价值。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.设计发明目的和基本思路： 进行癫痫病灶切除手术前，必须进行脑功能映射，从而确定病灶和必须保留的重要功能区域的位置。目前临床所使用的电刺激、fMRI、PET-CT等重要功能区映射方法均存在各自的弊端。针对于此，本作品提出了基于颅内脑电的个体化脑功能映射技术。 2.创新点： （1）通过分析病人颅内脑电High Gamma频段的能量活动进行个体化脑功能映射，克服了目前临床所使用的电刺激、fMRI、PET-CT等重要功能区检测方法存在的多种弊端。 （2）通过对病人自身的MRI、CT数据进行配准融合再将大脑皮层功能区的脑电活动在病人自身的脑部模型上进行三维显示的系统建构方法，实现了脑功能区与埋藏电极以及开颅暴露脑区的直接对应，从而给予医生定位、切除等方面的直观引导，克服了传统二维标准脑显示方式的劣势。 3.技术关键和主要技术指标： 整个系统由5部分组成：（1）图像配准（2）电极坐标提取（3）MRI图像分割和重建（4）ECoG信号处理（5）显示控制界面： （1）在CT和MRI图像中可视化地选取6-12个生理标志点，运算生成配准矩阵。 （2）利用CT图像重建后的三视图，选取电极位置，并通过配准矩阵绘制在病人脑模型上。 （3）通过对MRI序列重建产生的头部三维图像进行颅骨皮层分割，得到三维皮层模型。 （4）对三维皮层模型、经过配准得到的电极坐标以及各电极HG频段能量的时域序列进行三维空间插值。
科学性、先进性
- 科学性：通过临床测试，得到本系统CT、MRI图像配准的平均误差小于2.6mm，符合临床要求。 通过进行手掌张握运动、舌头转动、文字默读的脑功能映射临床试验，并与手术照片进行比较，可以直观地看出重要功能区和大脑沟回之间的对应关系。 先进性：目前神经外科进行重要功能区映射脑皮层电刺激的主要缺点是（1）检测费时效率低（2）对医生经验要求极高（3）对病人的配合程度要求较高（4）较高的假阴性率。 此外，fMRI、PET-CT等大脑功能检测技术在应用于脑功能映射时也存在明显缺陷。fMRI仅对运动区敏感，无法应对影响脑皮层血液供应的病变，且由于病人运动会产生很大的信号伪差。而PET成像系统在临床实验中与“金标准”的映射结果仅有65％的符合率。相比于这些现有技术，本作品实现了个体化的脑功能映射3D可视化，主要具有三点优势：1、避免了对人脑的电流刺激。2、操作用时远远短于电刺激。3、功能映射结果直观地显示在病人自己的大脑结构上，并且可以任意地进行三维旋转和调整，为临床提供了方便直观的信息。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年4月，作品雏形获第二十八届校级“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛二等奖、挑战新秀奖； 2010年4月，作品雏形参展首届北京市大学生科学研究与创业行动计划项目成果展示与经验交流会； 以本作品为研究工具的论文《Individualized cortical function mapping using high gamma activity》，发表于第三届图像与信号处理和生物医学工程与信息学国际学术会议，并被EI Compendex，ISTP与IEEE Xplore收录。 中国科学院文献情报中心于2011年4月20日完成本作品科技查新报告（编号：2011-024），查新结论为：该查新项目针对癫痫病灶切除手术，研究了采用颅内脑电方法对脑功能区定位，以辅助医生在手术中对病人脑部语言、运动、记忆等重要功能区进行保护，在国内公开的文献中未见有与之相同的报道。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 1）基于颅内自发脑电分析，无需外接电流刺激； 2）完成一种功能测试仅需5分钟，远远短于电刺激测试； 3）将大脑皮层功能区直接映射到病人自己大脑的结构像上，通过3D可视化，为临床手术提供了直观的参照依据。 适用范围和推广前景： 本作品能够普遍适用于癫痫病灶切除手术的术前规划。由于整套系统可以借用现有的功能性电刺激硬件平台实现所有功能，故可以以很低的成本快速推广；又由于其具有如上所述的技术特点和优势，并且相对于电刺激对操作人员的经验要求较低，故具有较好的推广前景。 市场分析和经济效益预测： 1）本作品已成为清华大学第二附属医院癫痫中心制定手术方案时的一项重要依据，并在中央电视台《走进科学》栏目得到了展示。 2）目前市面上的颅内脑电监测系统均是波形监测，无法显示脑功能映射；而能够进行脑功能可视化显示的脑电地形图仪又均基于头皮脑电，且对所有病人的脑电数据均投射到标准脑模型上，不符合人体的特异性。 3）综上，由其实用性及独创性，本作品应具有较高的商业价值。
同类课题研究水平概述
- 1. 基于脑皮层电刺激的脑功能映射 脑皮层电刺激是目前神经外科的“金标准”。它是在患者于清醒状态下，通过埋入的颅内电极对不同脑区施加电脉冲刺激，再通过病人感觉产生，运动诱发，语言中断等表象，了解病灶邻近部位脑皮层功能区的分布情况，并以此制定手术方案和手术入路。 使用此方法有以下问题： （1）电极配对排列组合多，进行完整的电刺激通常要1个多小时； （2）在刺激电流参数的把握上对医生经验要求极高； （3）需要病人配合测试，并且能够准确表达自己的感受，医生也需要根据经验观察、询问病人刺激后的反应做出功能区的判断； （4）操作测试者如果经验不足，常常会造成较高的假阴性率。 2. 基于fMRI的脑功能映射 功能性核磁共振成像（fMRI）是依靠脑血流中的血氧水平进行脑功能定位。虽然它对于癫痫诊疗能提供一定的辅助参考，但在实际神经外科手术的应用中却存在明显的缺陷： （1）在理论上fMRI是依靠脑血流进行功能定位的，因此一旦病变影响脑皮层的血液供应，依靠此类方法就会出现较大的误差。 （2）在技术上对于脑功能的扫描，病人运动会造成很大的信号伪差，在实践中难以做到完全保持头部静止，这导致其扫描脑功能图像的范围与实际电生理刺激所得出的功能定位区域有较大的误差，最大时可达20mm（Yetkin ZF. Functional MR activation correlated with intraoperative cortical mapping. AJNR Am J Neuroradiol 1997, 18: p. 1311–15.），这对于神经外科手术来说，是一个无法接受的误差。 （3）fMRI仅对运动区较敏感，并不适于进行所有区域的脑功能映射。 3. 基于PET的脑功能映射 PET成像系统也可以对脑代谢活跃的区域进行定位，但是在进行语言功能区定位的实验中，与电生理刺激所显示的功能区仅有65％的符合率。（Yousry T. Topography of the cortical motor hand area: prospective study with functional MR imaging and direct motor mapping at surgery. Radiology 1995, 195: p. 23–9）
