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定制脑电图改善癌症手术和癫痫治疗

加州大学圣地亚哥分校制造的新传感器安装在大脑表面,允许外科医生创建更高分辨率的大脑地图

这是加州大学圣地亚哥分校正在开发的由密集传感器组成的柔性垫子。

加州大学圣地亚哥分校正在开发一种由密集传感器组成的柔性垫子。在一些癌症和癫痫手术期间,这些传感器网格被暂时直接放置在大脑表面。

想象一下描述一棵生长在草地上的橡树的照片。现在想象一下,当你的一块颅骨被暂时移除,一组传感器正直接放置在你的大脑表面时,你正在描述同样的图像。这些传感器正在记录这些电信号从你的大脑中发出的位置。他们的目标是制作一种定制的大脑地图,帮助手术团队尽可能多地切除脑瘤,同时将切除肿瘤的物理行为可能造成的损害降到最低。

你可能会问:难道我们还不知道人脑各部分的功能吗?我们不是已经有了将特定大脑功能与大脑特定区域联系起来的地图吗?

是的,现代医学有地图;但是人类的大脑并不完全相同。此外,人类的大脑经常会自我重组,以应对由肿瘤生长等因素造成的损伤。这种适应性使大脑具有弹性,但也使计划切除肿瘤变得更加困难。这就是传感器的作用所在。当传感器运行时,当病人说话和移动时,手术小组可以识别出在这些动作执行时大脑中实际被激活的特定区域。这些信息可以帮助团队绘制出在即将进行的手术中要避免的区域的地图。

加州大学圣地亚哥分校的一个由工程师、外科医生、神经科学家和医疗设备开发人员组成的团队正在合作,以在脑肿瘤切除手术前创建更好的定制地图。该团队特别关注于改善直接放置在大脑表面而不刺穿大脑表面的柔性传感器垫的性能。

这些新的传感器网格也被用于改善癫痫治疗。对于一些癫痫患者,治疗包括手术,暂时切除部分颅骨,以便直接对大脑表面进行温和的电刺激。加州大学圣地亚哥分校开发的传感器网格允许外科团队在进行电刺激时记录大脑信号。在这一领域的额外工作可能导致更好的癫痫治疗,并可能有助于揭示癫痫的根本原因。

工程师和医生合作

Shadi Dayeh

Shadi Dayeh是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院电气和计算机工程系的教授。

加州大学圣地亚哥分校工程师和医生之间的合作始于六年多前,当时电气工程教授沙迪·达耶(Shadi Dayeh)会见了加州大学圣地亚哥分校健康中心(UC San Diego Health)神经科学和放射学教授埃里克·哈格伦(Eric Halgren)。这两个人在一个混合器中连接起来,该混合器组织向加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的工程师介绍可能通过工程解决的现有医学挑战和机遇。

快进至2021年,当时他倾听哈尔格伦的表明时,火花的火花在UC San Diego Jacobs工程学院和UC San Diego Health之间的动态合作中发展成了动态合作。该团队创建了在手术期间直接从脑表面读取信号的传感器垫的改进版本。

在回顾他们正在进行的合作时,Halgren强调了拥有一个能够将项目从构思到临床应用的工程合作伙伴是多么不寻常和受欢迎。

事实上,Shadi Dayeh和他的团队以多种方式改进了这些传感器系统,他们的工作已经在手术室中得到了应用。例如,该团队增加了传感器网格的大小,也增加了网格内单个传感器的密度。

虽然在其他地方开发的前几代传感器在治疗病人方面很有用,但“它们对大脑活动的采样不足,”Dayeh说,他指出,你不能仅仅把更多现有的传感器放在一起,或缩小现有的传感器技术。“我们已经转向材料科学的进步,使我们可以制造小的接触,可以堆叠非常接近彼此。在记录这些大脑信号时,它们表现出低噪音或更高的保真度。”

无论是肿瘤切除还是癫痫治疗,更紧密的传感器网格可以让外科医生构建更高分辨率、定制的大脑地图。

除了更高的传感器密度,Dayeh和他的团队创建的网格比其他传感器网格更柔软。这种灵活性允许传感器网格更紧密地跟踪人脑表面的波动,这一点很重要。更紧密的接触可以提高信号读取。

“到目前为止,我已经和Dayeh教授合作了大约6年,开发先进的神经接口设备。他的实验室真正的特别之处在于,他在做从实验室到床边的工作,”加州大学圣地亚哥分校健康神经外科住院医师Daniel Cleary在最近展示Dayeh实验室的视频采访中说。

“[Dayeh]使用最先进的工程材料和电子工程设计设备,然后我们能够将这些设备在动物身上进行测试,看看它们实际工作情况如何,修改设备,然后将它们带进手术室。这真的很特别,因为它代表了真正的转化医学。有一条直接从设备到诊断和治疗进步的管道,”克利里说。

Dayeh强调了合作伙伴关系的价值。

Dayeh说:“丹尼尔·克利里一直是加州大学圣地亚哥分校工程和医学领域转化工作的关键成员。

作为团队将技术进步转化为临床的努力的一部分,Dayeh正在吸引更广泛的人群,他们有一天可能会选择长期植入,而不仅仅是在手术过程中植入直接与大脑、脊柱或延伸到全身的神经相连接的设备。让瘫痪的人不仅能够移动四肢,还能感觉到他们所抓的东西的系统只是其中的一些可能性。

为了提高公众对这项工作的认识,Dayeh最近加入了与加州大学圣地亚哥分校生物伦理学家迈克尔·卡利克曼他主持了一系列名为“探索伦理”的公开讲座。他们的视频对话标题为"神经调节:脑和脊髓疾病的诊断和治疗."

Kalichman说:“像这样的新技术前景广阔,但成功取决于与公众就他们的担忧和需求进行有效对话,以及最佳应对这些挑战的战略。”。

视频开始时,Dayeh总结了他的团队的工作以及如何将其融入更大的研究背景。Dayeh和Kalichman继续讨论与将这些技术转化为临床的挑战相关的问题。观看现场视频流的人向Dayeh提出了一些具体问题,即直接作用于神经系统可能会发生什么。

虽然许多问题过于具体,无法由工程师通过视频电话回答,但公众的强烈兴趣激发了Dayeh的努力,以确保在这项工作继续进行的过程中,每个人都能参与进来。例如,患者的声音和观点是治疗的关键部分2020年NSF资助研讨会他是联合组织的。研讨会重点讨论了直接与大脑、脊柱或更广泛的神经系统(称为“神经调节装置”)相互作用的装置的临床翻译的当前进展和差距。特别是,研讨会侧重于大学和初创企业正在开展的工作,旨在确定填补大学研究生态系统中已确定差距所需的基础设施。

Dayeh和他的团队已经成立了自己的初创公司,目标是让更广泛的临床医生能够使用他们正在开发的大脑表面传感器网格。在这个过程中,达耶打算让他的作品尽可能地具有包容性。“我认为最成功的方法是在设计系统时让终端用户参与进来。我们这里就是这样做的。”