用AI提高癫痫诊断效率?「诺尔医疗」在SEEG技术上有了新思路

脑疾病治疗的进化史。

如果把大脑中的“意识”想成神经元放电所形成的一些特定信息,原来人类在理解和认知大脑的状态时,是没有任何手段去精确获取这些深部脑电信息的。

后来,“非侵入式”的方式渐渐成了人们获得这些脑电信息治疗癫痫等脑部疾病的常用手段,常见的非侵入式技术包括脑电图、脑磁图、功能性磁共振成像、功能性近红外成像、正电子发射断层成像等。

这种非侵入式技术虽然在某种程度上解决了对大脑神经组织的物理损伤,但同时也带来了另外一个困局,即无法单刀直入地获得最精准的脑电信息,不利于癫痫等脑部疾病的诊断和治疗。

如果把人脑部的神经活动想象成一场10万人的足球赛,体育场里的观众就是神经元。在比赛过程中,非侵入式技术就好比一个人站在足球场外,只能低效地根据场内的声音得出一些模糊的信息。当我们要判断体育场内呼喊的人群中哪些是英国球迷,哪些是法国球迷,最直接的手段就是站在球迷附近,判读这一区域的人们说的是英语还是法语。

同理,要判断脑部某一处的神经元放电形成的信息时,就需要通过立体定向脑电图技术(以下简称“SEEG”)电极等手段直接植入到大脑中收集信号,判断出这部分神经元信号所具有的特征。

之前常见的“非侵入式”方式,不仅收集信息的准确性更低,且所需的脑电诊疗设备及其专业人员大多集中在大城市的三甲医院。

以癫痫为例,病患脑部放电波形众多、变换复杂,分型繁多,还需要专业人员去识别假阳性异常放电,对专业知识要求极高,而市面上的脑电图技师人才数量不足,导致脑电读图团队负荷过高。其他市县级医院设备及人员资源严重匮乏,整个市场的供给端资源严重不足。

而在需求端,受功能神经疾病困扰的病患群体巨大,抑郁症、癫痫、帕金森等患者的人数每年都在增长中。

以癫痫为例,截至2021年,全球约有5500万癫痫患者,其中,中国的癫痫患者占了全球的五分之一,病患人数每年还有30-40万的增长,其中约10万人属于药物难治性癫痫病患。加上癫痫等脑部疾病患者大多需长程用药,有庞大的预警需求和定期检查需求。

其中硬膜下皮层电极(ECoG)虽然也属于“侵入式”技术,但由于需要进行开颅手术,并发症风险相对较高,且一般要在开颅取出电极后立马对致痫区进行手术切除,需要做非常详尽的术前规划。

由于上述技术都存在着一定的弊端,SEEG成为近年来在国际上主流的一种癫痫病灶定位技术。

由于属于“侵入式”技术,定位方法也从之前的二维层面到了三维层面,从之前“非侵入式”的长、宽,变成了“侵入式”的长、宽、高,实现了对大脑的全方位立体覆盖,与皮层电极相比,在不用进行开颅手术的前提下,能够以微创方式准确地定位病灶,提高癫痫的治疗效果。

SEEG技术中所要使用的立体定向电极可以直接放置在颅内特殊靶向部位,如额叶深部、大脑内侧面、扣带回、颞叶内侧等常规皮层电极无法达到的部位,术前能够设置电极的路径,从而能规避触碰到颅内的动脉、静脉,大大降低手术风险。

每一根立体定向电极有十几个触点,每一个触点都代表着一路脑电图的通道。由于癫痫本身的发作有非常高度的个性化特征,这种个性化特征带来的就是个性化的诊疗方式,针对每个患者个体化的手术路径,电极的每个触点可以对应不同的解剖部位,定位精确。

且对比起常规硬膜下皮层电极需要在全麻下进行大骨瓣开颅手术,使用立体定向电极的手术创伤非常小,仅需局部麻醉后在颅骨上钻不超过3mm的小孔去完成操作,术后当天就能下地行走。

SEEG的立体定向电极监测范围很广,可以监测双侧、多个脑叶,有助于散在脑区的鉴别诊断,除查证癫痫病灶外,电极还可以进行大脑功能定位和诱发试验等。

此外,SEEG的立体定向电极还具备热凝损毁功能,对于小范围的病灶可以利用电极的热凝功能进行损毁,从而避免开颅手术。

但是,随着SEEG技术的不断普及和发展,其短板也越来越明显,SEEG技术给医学层面的运用带去了一个很大的负担。

由于在癫痫这一块,患者不发作时整个大脑处于正常状态,根本看不出人或者其脑电的任何异常,所以为监测到那百分之一的大脑异常放电,就避免不了对癫痫患者做长程记录,也就避免不了造成数据的冗余。

一般情况下,在做监测时,电极需要放在癫痫患者大脑中15-20天,大概对应是20000到25000分钟的脑电时长,这些记录所生成的脑电数据以及高清视频等数据的总量大约在3-5T,有效数据掺和在无效数据中,比例高达1: 99,如何高效地去分析和处理这些巨量数据呢?

在这样的大背景下,2017年,诺尔医疗成立了,高效分析、处理监测过程中产生的巨量数据就是诺尔正在做的事情。从成立到现在,诺尔医疗一直专注于打造基于SEEG电极的癫痫脑电AI辅助决策系统。

诺尔医疗看到了随着多学科诊疗模式(简称“MDT”)等新模式的出现,以及新设备的使用所导致的海量数据的生成,与癫痫诊断过程中仍大量依赖脑电图师来纯人工读图的低效模式所形成的巨大冲突。

在依赖纯人工读图诊断时,难治性癫痫SEEG术后诊断需耗时25-30天,SEEG术后监测需15天左右,期间费用1200元1天,结束后,等待SEEG诊断结论的输出需要7-10天。

而诺尔的癫痫脑电分析引擎通过SEEG癫痫波以及高频小波(HFO)核心算法实现了对脑电波异常的自动识别与标注,将这些异常自动标注出来后再转交给相关的脑电图师去做第二层判断,即对这些异常脑电做分析,这样的辅助提升了整个流程的效率

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智能脑电分析引擎(neuroot 1.0)

其中,难治性癫痫SEEG术后诊断耗时从之前的一个月缩短至5-7天,术后AI监测也由原来的15天左右缩短到3-5天,而得到辅助的诊断决策则仅需1-2天。

整个过程从纯人工模式下的两个月缩短到只需半个月。诺尔医疗除大大提升了临床诊断效率外,借此还为患者省去了一部分的费用。

为了提高SEEG诊断、治疗的效率,截至目前,诺尔医疗已推出的产品分为诊断类产品管线和治疗类产品管线,以完善其Neuroot系统

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智能脑电云平台

其中,诊断类产品管线包括融合了诺尔1.0版癫痫AI算法的一代3.0T磁共振电极,以及融合了2.0版pHFO高频算法的二代Macro-Micro射频消融;治疗类产品管线有结合了3D多模态融合算法的三代激光消融产品。

其中,诺尔的Macro-Micro电极接头采用了铂铱合金材质,使得通道阻抗低,生物兼容性更强,可与通用射频消融设备兼容,能实现在磁共振兼容下采集脑电。植入Micro电极后的术中、术后的AI辅助决策软件可以在较高频段获得更高的信噪比,利用癫痫波和pHFO高频小波自动识别算法,辅助脑电图师提升判读效率,提高癫痫致痫区辨识精准性。

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磁共振兼容功能

诺尔还在临床附加服务上联合UCLA、浙大人工实验室,建立了专门的脑电算法处理实验室,满足临床数据的分析要求。

由于SEEG是一个高度专业又跨学科的细分领域,诺尔的团队也是一个交叉学科团队,团队主要成员研究方向不同,创新融合了脑科学、癫痫、人工智能等多学科

2020年底,诺尔医疗在pre-A轮中获得3000万元融资,由澳银资本、元生创投联合投资。而就在2021年底,诺尔也已顺利推动A轮融资,即将完成交易交割,连续融资获得的资金,将主要用于NeuroEchos诺尔软硬件系统的继续研发工作和市场化。

未来,诺尔医疗还计划在如SEEG电极等医疗器械端继续创新医疗器械,减少SEEG诊疗手术的环节,提升采集的信噪比。

据透露,目前诺尔医疗已完成预研一代、研发一代、生产一代的布局,首代电极产品也已顺利完成90例临床入组,已进入FDA\CE\NMPA的注册申报阶段

此外,SEEG技术不仅可以应用在癫痫的诊断和治疗上,对此,诺尔医疗创始人兼CEO杨欢告诉创业邦:“只是由于癫痫的发病个体化的特性,所以被率先应用在了治疗癫痫上。在近两年,全球很多高因子论文的发表上出现了很多重量级文章,SEEG技术由于其量化大脑模型的底层性,目前除针对功能神经疾病的研究和治疗以外,已经扩展到对于大脑的底层逻辑的研究上。”

去年3月,Nature子刊《Nature Neuroscience》上发表了一篇研究,加州大学旧金山分校的华裔教授Edward Chang利用人工智能算法将脑电信号翻译成句子,准确率达到97%,远超去年Facebook报道的76%。这也就预示着当我们知道了人类的意识底层的解码和编码的逻辑后,就可以应用在医学上脑疾病的诊断和治疗,甚至恢复。

由于SEEG对大脑治疗方式的底层性,除应用在癫痫领域外,关于难治性抑郁症、自闭症、阿尔兹海默症、帕金森等神经疾病,也能起到一定的作用。

已知癫痫是颅内的神经元的异常放电,那么躁郁症和抑郁症则是人类在接受外部信息的刺激后,大脑的反馈机制出了问题,当个体在没有获得外部信息刺激时仍然异常兴奋,或者在获取外部信息的刺激后,长时间、持续性的无法产生兴奋的反馈,这种过度兴奋状态体现出来的就是躁郁症,过度抑郁状态所体现出来的就是抑郁症。

所以对于抑郁症的干预,更多的是让神经元“吃兴奋剂”,让大脑能够兴奋起来,对于癫痫,就是给它“吃抑制剂”,压制大脑的兴奋。

通俗来说,这些疾病都属于大脑的神经元在它的该有的稳态模型上失稳了,而在利用SEEG技术后可以找到具体是哪些功能区域出现异常,采取措施让相关功能恢复稳态或是避免异常区域对正常功能产生不利影响。

如今的SEEG技术还存在大量的可以用算法去迭代的潜力,在进入国内短短几年时间发展就如此迅猛,科学界也在同一时间段发出了能够用于治疗更多类型的脑部疾病的信号,未来,SEEG技术还有非常大的发展空间,诺尔医疗也将持续打造基于SEEG电极的癫痫脑电AI辅助决策系统,继续推动脑疾病的诊断和治疗。

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