华科在线意念控制机械手浙大二院张建

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术精于准-第20期

神外前沿讯，我国植入式脑机接口研究有了突破性进展。年1月16日上午，浙江大学在紫金港校区召开“浙江大学脑机接口重大科研成果”新闻发布会，对外宣布和展示了这项重要科研成果。

此前不久，浙大二院张建民团队通过开颅手术对一位高位截瘫志愿者脑内植入Utah阵列电极，从而意念控制机械手臂的三维运动完成进食、饮水和握手等一系列上肢重要功能运动。

这是全球首例成功利用手术机器人辅助方式完成的脑机接口电极植入手术；而且72岁的张先生也因此成为目前全球范围内成功利用该技术实现肢体运动功能重建的最高龄志愿者。

浙江大学脑机接口科研项目的成功标志着我国脑机接口技术在临床转化应用研究中已跻身国际先进行列。该项目得到国家重点研发计划“基于脑机接口的脑血管病主动康复技术研究及应用（YFC）”、国家重点研发计划“脑机融合的脑信息认知关键技术研究（YFA）”、国家自然科学基金重大科研仪器研制“脑神经网络复杂系统的实时解析与调控仪器研制（）”、浙江省之江实验室项目“面向运动脑机接口的脑信息解析与互适应关键技术研究”项目资助。

中国科学院院士、浙江大学医药学部主任段树民，浙大二院神经外科主任张建民，浙江大学求是高等研究院教授王跃明，浙江大学求是高等研究院教授郑筱祥及浙大二院、浙江大学脑机接口团队出席了当天新闻发布会。

“任何基础医学研究的最终目的，都是要应用到临床，为病人解决实际问题，这就是所谓的‘转化医学’。”张建民教授在浙江大学脑机接口重大成果发布会介绍，脑卒中后偏瘫、颈髓损伤后的高位截瘫、肌萎缩侧索硬化及闭锁综合征等运动功能严重障碍患者，有望应用脑机接口技术，并借助外部设备，重建肢体运动、语言等功能。

随着脑科学的不断发展，这一领域的临床应用，将从现有的以运动功能为主的功能重建，逐渐推广到语言、感觉、认知等更多更复杂的功能重建上。“大家知道，脑卒中好发于老年人，许多脑血管病患者虽经我们救治，挽回了生命，但常常遗留偏瘫、失语等后遗症。因此这次在老龄志愿者身上进行的脑机接口试验，必将对于未来的临床治疗和康复有着非常重要的指导意义。”张建民说。

植入式脑机接口完整视频（直接点击可打开收看视频，时长4分05秒）

随着张先生吸溜一口可乐，浙大二院神经外科病房内响起了一片掌声。

对于四肢完全瘫痪的人来说，这是不可能完成的任务，浙大二院神经外科主任张建民表示，通过脑机接口，张先生今天做到了。

浙大校长吴朝晖、浙大医药学部主任段树民与张先生用意念控制的机械手握手

脑机接口（Brain-ComputerInterface，BCI）是在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与计算机或其他电子设备之间建立的不依赖于常规大脑信息输出通路（外周神经和肌肉组织）的一种全新通讯和控制技术。通过这种技术，不需要语言或动作，人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备。这可以有效增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境的能力，以提高患者的生活质量。

接受此次脑机接口临床转化研究的志愿者张先生，是一位72岁高龄的退休教师、某中学校长。本应在退休后安享晚年的他，却在两年前因一场意外车祸，导致颈髓重度损伤，成了一名高位截瘫患者。

然而，他大脑功能尚健全，意识清楚。四肢无法活动的现状，给他的生活带去了无尽的阴暗与痛苦。但他并未因此消沉，而是始终怀着一份心愿，希望借助现代医学新技术，帮助像他这样的人群，在运动功能上有所改变，提高生活质量。

半年前，张先生的家人从新闻报道等渠道了解到，浙江大学脑机接口团队在利用植入式脑机接口技术帮助患者重建运动功能方面卓有成效，便主动联系到了张建民教授团队，并于年6月29日入住浙大二院病房。

年8月，在做好充分准备后，医院伦理委员会批准，并征得张先生和家属的知情同意及签字后正式启动；8月底，精准定位下顺利完成了国内首例开颅，将Utah阵列电极植入到控制右侧上肢运动的运动神经皮层的手术。

第一道关卡：亚毫米级的精准植入

张建民教授团队正在讨论精准植入实施方案

“在4毫米×4毫米大小的微电极阵列上有个电极针脚，每一个针脚都可能检测到1个甚至多个神经元细胞放电。电极的另一头连接着计算机，可以实时记录大脑发出的神经信号。”浙江大学王跃明教授说。

但如何在尽量减少损伤的情况下，将微电极准确无误地植入患者大脑所在功能区，是此次研究的第一道关卡。

大脑运动皮层神经元共分为6层，实验需要将电极植入到第5层的位置。这个过程中，电极植入不能有毫厘之差。植入位置太浅或太深，都达不到效果，还会损伤其他神经，传统人工植入手术，精确完全无法达到最佳状态。

“这对我们来说，是全新的手术，难度非常大”，张建民说。

此时，张建民团队想到了机器人技术，利用科室现有的Sino神经外科手术机器人，在准确定位到目标大脑功能区后，以0.1mm的步进精度，将两枚阵列电极精准送入既定位置，误差仅在0.5毫米以内。

超高精度神经外科手术机器人辅助电极植入

张建民教授团队为张先生手术

术后CT-MRI融合重建证实电极植入位点准确，局部无明显脑组织损伤及出血

关键一步：练习如何实现“意念操控”。

脑机接口，不仅依赖材料科学、计算机科学、手术机器人等机器相关技术，更需要被试者的高度配合与规范化训练。

已经精准植入到张先生大脑目标功能区内的两枚阵列电极，可实时记录大脑发出的神经信号，从而控制与之相连的计算机或其它设备。

不过，神经信号收集的成效，却与个体息息相关。

在国际上已被报道的植入式脑机接口患者，均为中青年人。他们在体力、注意力、情绪配合等方面，也相对更稳健，而老年人则相对较弱。面对72岁高龄的张先生，国际上尚无先例可循，团队所要探索的显然更多，测试难度也更大。

如何把收集的神经信号，准确地转化成机械臂的动作指令，既依赖于机器算法的设计，也会受到试验者个体脑电信号特征的影响。

目前，全球尚无统一标准化的信号采集、解码等分析手段。一开始，团队采用国外的几套线性算法，但效果都不太好。后来，团队引入非线性、神经网络算法，设计了一套针对这位高龄患者的个性化解决方案。

“相对于中青年患者，老年患者的脑电信号质量与稳定性都要差些，我们设计的非线性解码器，更能‘读懂’老年人的心思，帮助患者更好地学习操控机械臂、机械手。”张建民说。

张先生在进行训练意念操控

当然，面对自己新“长“出来的机械手臂，想要达到“人机合一”的目标，并非易事。经过4个多月的不断训练，张先生逐渐掌握了握手、饮水、进食等动作。

尽管此类植入在国际上都处于试验阶段，效果也是非永久性的，但对张先生而言，脑机接口已改变他的生活，更让这类人群看到了提高生活质量的希望。

72岁的张先生也因此成为目前全球范围内，成功利用植入式脑机接口技术，实现肢体运动功能重建的最高龄患者。

而今，张先生通过脑机接口，饿了就能吃，渴了就能喝，能够自己“做”一些事情了。工作人员得知张先生喜欢打麻将，还特地设计一套程序，让他能通过控制鼠标，玩电脑麻将游戏。“刚进病房的时候，张先生心情很低落。我们跟他说话，他都不怎么吭声。现在，他开心多了，”护士长说。

浙大二院张建民团队简介

张建民教授、主任医师、博士生导师，浙大求是特聘医生。现任浙江大医院神经外科主任兼脑科中心主任和脑血管介入中心主任，脑胶质瘤中心主任及癫痫中心副主任，浙江大学脑医学研究所所长；兼任浙江省医师协会神经外科分会会长，浙江省卒中学会会长，浙江省神经外科技术指导中心专家委员会主任。中华医学会神经外科分会常委兼秘书长，中国医师协会神经外科分会常委兼脑血管专委会主委等。长期从事神经外科临床工作，曾留学德国，主修显微神经外科基础和临床，对神经外科疑难复杂病变的处理具有丰富的临床经验和较深造诣，连续三年获中国名医百强榜--脑血管外科TOP10医生。主持国家重大研发计划项目、课题及国家自然科学基金等国家级课题5项，省部级课题4项；共发表SCI论文余篇；参与编著专著及教材5部；获浙江省科技进步一等奖、中华医学科技奖二等奖及吴文俊人工智能创新一等奖等。获国家专利5项。擅长显微神经外科手术：如垂体瘤单鼻孔经蝶手术切除、动脉瘤夹闭术、血管畸形切除术、颅底及脑干病变的手术、听神经瘤显微切除术、三叉神经痛和面肌抽搐的微血管减压术、脊髓肿瘤的显微手术切除及颅脑先天性疾病的手术治疗等。对颅脑外伤的抢救治疗及康复治疗也有独到的经验。

朱君明，主任医师、博士。浙江大医院神经外科，毕业院校：上海医科大学。担任中国医师协会神经调控专业委员会常委、浙江省医学会神经外科分会青年委员、杭州市医疗事故鉴定委员会委员、世界抗癫痫联盟会员、中国抗癫痫联盟会员、中国神经科学学会会员和中国神经外科学会会员。中华急诊杂志、JournalofNeurosurgicalSciences审稿专家。从事神经外科临床20余年，对功能神经外科，特别是难治性癫痫的外科治疗及运动障碍基本的外科治疗具有独到的见解。先后两次在美国宾州ThomasJefferson大学癫痫中心进行科研和临床研修。承担国家级课题3项，省级课题3项，在国内外医学杂志上发表20余多篇医学论文，参编现代神经外科学、现代癫痫病学等专业书籍6本。

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