来自脑科学的前沿报告_构建数字化脑功能缺损远程医疗系统

1 阎丽2 翁强3 孙秀伟

( 123 国家医疗保健器具工程技术研究中心; 123 广东省医用电子仪器及高分子材料制品重点实验室)

【摘要】数字化脑功能缺损远程医疗系统是一个能够通过Int ernet 向需求人群提供真正的治疗服务的新型远程医疗系统,它能够建立起在医院及家庭的便捷治疗平台, 具有有效性、胁从性、娱乐性的特点。该系统的理论基础为生物物理信息刺激疗法, 实现的关键技术为虚拟现实技术。

【关键词】脑科学, 脑功能缺损, 远程医疗系统, 生物物理信息刺激, 虚拟现实技术

一, 引言

远程医疗系统是目前国际上发展非常迅速的一门跨学科高新科技, 主要应用于公共卫生以及医学数据库, 临床的诊断、会诊、检查和监护, 与远程教学, 手术观摩等方面, 而直接通过网络对儿童脑功能缺损病人进行治疗尚不多见。远程脑功能缺损医疗平台是一个能通过Internet 向需求人群提供真正的治疗服务的新型远程医疗系统, 它使脑功能缺损治疗的" 家庭化"、" 趣味化" 和" 个性化" 成为可能, 使尽可能多的患者在医院的管理下得到有效的治疗。

该系统为解决以下脑缺损问题提供了新的方向和解决方案: 诵读困难( Dyslexia) 、普通阅读困难( Ordinary readingdisability) 、阅读理解困难( Problems in reading comprehension)、拼写问题( Spelling problems) 、记忆缺损( Memory disorders) 、非听觉学习困难( Non- verbal learning disability) 、数学困难( Mathematics difficulty) 、大脑缺损导致知觉- 认知缺损( Acquired brain injury with perceptual- cognitive deficits) 、注意力缺损( Attention disorders) 。

二, 现代脑功能缺损的治疗方法———生物物理信息刺激疗法

儿童中一些常见的发育障碍, 如弱视、多动症、阅读障碍等, 大多与基本知觉功能异常相关。这是因为, 大脑作为对外界信息处理的器官, 其发育有两个阶段: 第一阶段为受精至出生前, 在这个发育过程中, 遗传因素, 孕妇的营养、健康状况会对大脑发育产生直接的影响; 第二个阶段是出生后至大脑成熟的时期, 对于大脑的正常发育来说, 这个时期及其关键。在此阶段中, 大脑的发育显示出了与其他器官的特殊性, 即作为信息处理器官, 其发育并非如其他器官一样受激素和营养主导。取而代之地, 其接受的外界物理( 信息)刺激的影响起到决批评定性的作用。例如, 在出生后早期,如果双眼接受到的视觉信息不平衡, 就会导致弱视, 继而由于大脑皮层的70- 80%的区域都会受到视觉的影响, 可能会引发更为严重的脑神经损伤。

现代神经科学认为, 对于神经的损伤的治疗最好的方法是针对大脑特殊发育特点, 使用生物物理刺激的手段进行功能性的治疗。如美国视光学会对于斜视的保守治疗、弱视视功能的提高, 以及阅读障碍的治疗临床操作指南中, 都包含丰富的物理信息刺激。但是, 以往的视觉治疗的物理刺激重点侧重于视觉刺激的形式。例如, 经典的视轴训练中, 训练者注重的是被试在观察图片过程中所能看到图片分开的视角,而图片本身包含的信息( 例如图片本身是圆形还是方形) 是无足轻重的。究其根源, 这些关于视轴校正的训练大多是对眼球运动进行训练, 并没有直接修复大脑的神经损伤。近十年的脑科学的飞速发展, 使人们对于大脑功能的干预有了更深的认识。对于大脑功能的干预应注重物理刺激本身包含的信息, 即对视觉信息本身进行分类研究。如将视觉图像按照空间频率进行滤波, 获得包含不同空间频率信息的图像。人们使用这些特异的生物物理信息对患者进行刺激, 即感知觉学习(perceptual learning), 在脑功能障碍治疗的临床中取得了巨大的成功。2001 年和2003 年美国FDA 相继批准了两种脑健康生物物理刺激医疗器械, 针对性地诊断大脑功能障碍,并且使用感知觉的手段对功能障碍进行特异性修复。这是目前为止, FDA 批准的唯一两种脑功能障碍诊断治疗二类医疗器械。生物物理信息刺激疗法在脑功能障碍治疗中的主导作用越来越被临床医生所认同。

三, 生物物理刺激最佳载体———虚拟现实技术

虚拟现实(virtual reality, VR) 是近年来发展起来的一项新技术, 1989 年由Jaron Lanier 首先提出。它是一个由图像技术、传感器技术、计算机技术、网络技术以及人一机对话技术相结合的产物, 以计算机为基础, 创建一个三维视觉、听觉和触觉环境, 用户利用系统提供的人一机对话工具, 同虚拟环境中的物体交互操作, 使用户仿佛置身于活生生的现实环境中。此项技术在医学、机械制造、军事和娱乐界中有着广泛的应用前景。

在脑健康物理信息刺激干预中, 胁从性对于疗效有很大的影响。对于儿童来说, 由于呈现的物理信息刺激缺乏趣味,以及注意力容易受外界干扰。胁从性的问题一直难以解决。虚拟现实技术的出现为提高儿童胁从性找到了一条可行的道路。由于能够完美的使被试沉浸在所需的物理刺激环境下( 包含了丰富的视觉、听觉、触觉刺激) , 虚拟环境富于变化,人机互动方式多样。从而提高了儿童的兴趣, 能够使其注意力较长时间地集中于物理刺激训练任务中, 并且最大化屏蔽外界干扰。所以虚拟现实技术已经被广泛应用于弱视、多动症、自闭症等儿童神经发育障碍中。

四, 系统设计与功能模块实现

1, 远程网络平台的开发

在远程数字化儿童脑功能缺损诊断和治疗平台中, 医生指导选择适合患者的检查和治疗模块, 为患者保存检查和治疗记录, 提供检查和治疗状况报告输出等功能。

系统为患者提供三种使用模式:

( 1) 登陆模式( Log In) , 在模式下用户通过自己的ID( ID 是唯一的且不可变的) 登陆到平台, 然后进行选择需要的功能模块, 平台为用户自动保留相关的报告记录并保存,医生和患者可以通过自己的帐号查看和打印相关报告。

( 2) 训练模式, 患者不需要登陆就可以选择相应的功能模块进行训练, 但是训练结果不会被保存, 只能报告当次训练的结果, 退出训练后记录将丢失。平台中还有一个比较独立的模块就是帮助模块, 它是一个全局模块。在该模块下可以获得整个平台的功能说明, 以及所有的模块的使用帮助。

( 3) 交流模式, 视觉生物信息刺激动态和静态图像数据库向医生和患者提供互动接口, 提高了平台的整体可延展性和可复用性。游戏开发者、医生、训练师可以通过修改内部参数变换相应模式方式, 并且提供医学数据挖掘功能, 对网络检查和训练数据进行初步统计分析, 使医疗工作者、患者家长随时掌握儿童动态健康状况。

2, 基于“感知觉学习”机理的游戏设计

系统包括各种不同的训练程序, 以改善大脑方面的功能,例如保持注意力、运动前的思考、视觉和听觉处理、听力、阅读( 通常患有多动症的人会在阅读方面感到困难) 。如果一个人表现出注意力或者学习问题, 学术方面的辅导/钻研与实践通常不起作用。认知训练的潜在原则是帮助提升“ 核心”能力和自我控制, 使得个人能够成功的。训练直接针对基本的独特认知困难发生之处“挖掘技巧”。该系统至少包括以下几大类治疗训练医件模版:

模版一, 发展注意力技巧( 发展参与和集中能力)

模版二, 视觉运动技巧( 训练手眼协调, 视觉扫描, 视觉追踪, 良好的运动控制)

模版三, 概念性技巧( 针对训练基本的推理, 记忆和感知区分)

模板四, 数值概念/记忆技巧( 训练基本的数学概念, 记忆, 问题解决和组织技巧, 精细阅读理解)

模板五, 注意力技巧。软件适用于多动症、脑缺损、精神分裂症或者学习障碍的儿童与成人

3 , 以混合现实技术为基础的空间定位交互形式通过视觉、听觉、触觉、本体感觉与前庭感觉等5 种最基础的感觉与虚拟场景接触, 由大脑皮质进行有效的统合。

五, 结语

基于VR 技术的数字化脑功能缺损远程医疗系统的研究与建设, 利用了最近10 年脑科学的基础研究成果, 并结合儿童临床特点, 使用最新的虚拟现实技术, 针对大脑功能缺损( 如脑外伤造成的功能障碍、脑瘫等) 开发出生物物理信息刺激治疗平台。它成功的关键在于解决以下四个技术问题:

( 1) 确定虚拟现实刺激元素模型与各神经心理功能间的对应关系, 以及各元素的有效参数;

( 2) 多元素的有效整合以构建虚拟现实场景模型;

( 3) 虚拟现实系统硬件与软件的有效整合, 以达到最佳沉浸效果;

( 4) 预防和减轻VR 技术运用于神经心理学领域的副作用。

相信, 随着虚拟技术、通讯科技和网络媒体的进一步发展, 远程医疗平台势必在脑功能缺损的治疗与康复领域发挥更加重要的作用。