【腦客中國(guó)】高家紅：腦磁圖技術(shù)的現(xiàn)狀和展望

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各位老師和同學(xué)，大家晚上好，我是北京大學(xué)高家紅。

首先感謝羅躍嘉教授的邀請(qǐng)。今天在腦客中國(guó)，我的報(bào)告的題目是腦磁測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀和展望。

腦成像技術(shù)與物理學(xué)發(fā)展

腦成像技術(shù)與物理學(xué)發(fā)展是密切相關(guān)的。給大家介紹幾個(gè)在腦磁圖發(fā)展過(guò)程中舉足輕重的，偉大的物理學(xué)家。

第一個(gè)是倫琴（Wilhelm R?ntgen），他發(fā)明了X射線，并于1901年得到了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

到1979年，兩位英國(guó)科學(xué)家把X射線用到成像領(lǐng)域，變成二維和三維的圖像。因這個(gè)成果拿了1979年的諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

那么談?wù)劥殴舱耦I(lǐng)域的幾個(gè)里程碑。1952年斯坦福大學(xué)的Block 和哈佛大學(xué)Purcell發(fā)明了核磁共振的物理原理，在1952年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

后來(lái)美國(guó)科學(xué)家Lauterbur和英國(guó)物理學(xué)家Mansfield發(fā)明了核磁共振成像技術(shù)，在2003年拿了諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。

接下來(lái)日本科學(xué)家Seiji Ogawa發(fā)展了BOLD-fMRI，標(biāo)志著磁共振可以進(jìn)入大腦功能成像領(lǐng)域。

最后是腦電和腦磁，那么腦電可以追溯到1924年，德國(guó)的外科手術(shù)醫(yī)生Hans Berger第一次用電信號(hào)記錄了腦電波。

1973年，Jesephson發(fā)明了超導(dǎo)的SQUID技術(shù)，因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。借助SQUID技術(shù)，David Cohen在1968年首次記錄了腦磁信號(hào)。

不同腦成像技術(shù)的使用場(chǎng)景

在做解剖結(jié)構(gòu)的時(shí)候，CT磁共振是最理想的成像工具。做代謝活動(dòng)，PET，SPECT，都可以用磁共振，這個(gè)技術(shù)是特別敏感的。測(cè)血流活動(dòng)，我們有BOLD-fMRI技術(shù)和近紅外技術(shù)。觀察電磁活動(dòng)是，我們有腦電圖和腦磁圖，總的來(lái)說(shuō)，電磁信號(hào)是最能及時(shí)直接反映神經(jīng)元活動(dòng)的技術(shù)。

腦磁信號(hào)產(chǎn)生的生理基礎(chǔ)

那么腦磁信號(hào)產(chǎn)生的生理基礎(chǔ)是什么呢？

我們知道神經(jīng)元放電有工作電位，也有突觸后的電位，我們觀察到的腦磁信號(hào)是來(lái)自于工作電位還是突觸后電位呢？實(shí)際上我們后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，腦磁信號(hào)是由上萬(wàn)個(gè)并行排布的突觸，在數(shù)十毫秒內(nèi)激活的突觸后電位疊加，方能形成可觀測(cè)的磁場(chǎng)信號(hào)。

我們新皮質(zhì)中存在大量并行排布的錐體細(xì)胞，腦磁信號(hào)主要是貢獻(xiàn)來(lái)自于新皮層中大量平行排布的椎體細(xì)胞突觸后電位，在腦溝回中產(chǎn)生的切相電流。

腦磁測(cè)量技術(shù)的發(fā)展背景

我們知道腦電和腦磁是一個(gè)孿生兄弟，電場(chǎng)的傳播受不同腦組織和顱骨的約束，會(huì)產(chǎn)生扭曲、變形和信號(hào)衰減。

然而磁場(chǎng)的傳播不受腦組織和顱骨的影響，這樣腦磁的信號(hào)比腦電信號(hào)在信號(hào)比上有大大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在溯源的結(jié)果上，腦磁具有其他的優(yōu)越性，或者說(shuō)腦磁的空間分辨率好于腦電。

下面這張圖，左邊這張圖是David Cohen，他在1972年的麻省理工學(xué)院做了第一例腦磁信號(hào)探測(cè)。大家看中間腦磁信號(hào)的這張照片，從照片上可以看出來(lái)，他同時(shí)做了腦磁跟腦電，實(shí)驗(yàn)任務(wù)非常簡(jiǎn)單，他發(fā)現(xiàn)把眼睛閉上會(huì)產(chǎn)生非常大的α波，是在8-12 Hz的這樣一個(gè)波段。當(dāng)把眼睛睜開(kāi)，這個(gè)α波就立刻消失了。他連續(xù)重復(fù)了很多次，閉上眼睛那么α波出現(xiàn)，睜開(kāi)眼睛，α波就消失。這樣的一個(gè)非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)證明了腦磁是可以被觀測(cè)到的。

腦磁信號(hào)的大小與超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)

我們剛才看到腦電是1924年就被觀察到了，之后40多年腦磁才被發(fā)現(xiàn)，中間差了40年。

問(wèn)題出在什么地方呢？

我們知道地球磁場(chǎng)是0.5 fT，地球磁場(chǎng)和腦磁比起來(lái)，腦磁可以說(shuō)微乎其微，腦磁是地球磁場(chǎng)的10億分之1。所以在這么大的地球磁場(chǎng)背景下，測(cè)量操作磁場(chǎng)這個(gè)技術(shù)也就面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

所以一直等到1973年，超導(dǎo)量子干涉儀這個(gè)技術(shù)的誕生才第一次實(shí)現(xiàn)了腦磁檢測(cè)。因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)對(duì)磁場(chǎng)是非常敏感的，所以David Cohen用了SQUID的技術(shù)，才第一次實(shí)現(xiàn)了腦磁探測(cè)。

超導(dǎo)腦磁圖的歷史演變過(guò)程

從1968年、1972年第一次測(cè)量腦磁場(chǎng)，到腦磁圖變成一個(gè)醫(yī)學(xué)或者是科學(xué)儀器，經(jīng)過(guò)很多年的迭代，1983年，四通道的探測(cè)標(biāo)志著腦磁圖誕生。到1986年，發(fā)展為7通道，1989年，24個(gè)通道，到1992年，122個(gè)通道，到1998，已有306個(gè)通道，到現(xiàn)在為止，二十年的時(shí)間，一直是用306個(gè)通道在做。

因此，目前的腦磁圖技術(shù)基本上是固化了，沒(méi)有本質(zhì)性的變化。

腦磁圖的臨床應(yīng)用

目前用超導(dǎo)的SQUID技術(shù)做腦磁圖，它主要應(yīng)用在以下幾方面，一個(gè)是臨床應(yīng)用，功能區(qū)定位。

通過(guò)腦磁圖這個(gè)技術(shù)可以定位語(yǔ)言功能區(qū)，為神經(jīng)外科手術(shù)規(guī)劃提供指導(dǎo)。那么當(dāng)然了，我們現(xiàn)在功能磁共振也可以做同樣的內(nèi)容，腦磁圖在臨床上是應(yīng)用最廣泛的一種。

通過(guò)腦磁圖定位癲癇發(fā)作間期的肌波，為外科治療提供指導(dǎo)。

2019年發(fā)表的一篇文章，澳大利亞科學(xué)家Plummer在Brain發(fā)明了一種方法叫通過(guò)定位棘波早期波形，可以大大提高癲癇病灶定位的準(zhǔn)確度。

腦磁圖近幾年在技術(shù)上，特別是溯源技術(shù)上有很大的改進(jìn)，這個(gè)技術(shù)名字叫eFAST-VESTAL,是我們實(shí)驗(yàn)室和UCSD的黃老師共同改進(jìn)的一項(xiàng)技術(shù)，這是基于稀疏約束的新定位技術(shù)，這個(gè)技術(shù)可以更加有效地應(yīng)用于癲癇的術(shù)前功能區(qū)定位，以及癲癇發(fā)作間期棘波的無(wú)創(chuàng)定位。

下面這張圖是一個(gè)病例，是一位是31歲的右側(cè)顳葉癲癇病人。

我們用金標(biāo)準(zhǔn)SEEG顱內(nèi)電極檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該病人的發(fā)作觸點(diǎn)在C2、A4和B3，我們新技術(shù)對(duì)局部的定位位置與顱內(nèi)電極異常放電觸點(diǎn)高度吻合。我們也比較了前人發(fā)明的很多溯源技術(shù)，發(fā)現(xiàn)eFAST-VESTAL在癲癇的溯源定位上和金標(biāo)準(zhǔn)SSEG更加吻合。

我們利用人工智能檢測(cè)腦磁圖，癲癇棘波也達(dá)到了可喜的結(jié)果。深度學(xué)習(xí)算法EMS-Net可以用于快速檢測(cè)腦磁圖信號(hào)的癲癇異常波。

在沒(méi)有用人工智能這個(gè)方法進(jìn)行檢測(cè)棘波時(shí)的傳統(tǒng)辦法，是醫(yī)生用肉眼檢測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，醫(yī)生采集腦磁圖信號(hào)大約需要1個(gè)小時(shí)，而腦磁圖采集頻率是1000 Hz，相當(dāng)于一秒鐘采集1000個(gè)點(diǎn)，相當(dāng)于有一個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)擁有306個(gè)通道。

所以平時(shí)要找出這些棘波的話，臨床醫(yī)生需要耗時(shí)三個(gè)小時(shí)，而用深度學(xué)習(xí)的算法5秒鐘就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)小時(shí)的測(cè)量棘波，比起我們?nèi)斯と庋劭吹男侍岣吡?000倍，而準(zhǔn)確率也可以高達(dá)99%，完全可以替代人工。

注：上述內(nèi)容在征得高家紅老師同意后，在不改變?cè)獾那闆r下進(jìn)行的部分文字整理。

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