我們應(yīng)當(dāng)如何實(shí)時(shí)監(jiān)控自己大腦的健康狀態(tài)？

以馬斯克的Neuralink為代表的侵入式腦機(jī)接口，過植入大腦皮層的線狀電極直接讀取神經(jīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了高精準(zhǔn)度信號(hào)采集和腦際交互。但是，侵入式腦機(jī)接口方案的風(fēng)險(xiǎn)也很大。植入過程需開顱手術(shù)，存在感染、腦組織損傷或免疫反應(yīng)等風(fēng)險(xiǎn)。

而以強(qiáng)腦科技的“干電極傳感器”為代表的非侵入式設(shè)備，無需破壞人體組織就能完成采集信號(hào)，但是需要對(duì)抗大量的噪音，而且腦電信號(hào)并不適合做健康檢測。

醫(yī)學(xué)界流行的MRI核磁共振成像技術(shù)，是一項(xiàng)安全、無創(chuàng)、無輻射的醫(yī)學(xué)影像檢查方法，但是設(shè)備太大，數(shù)量有限，不易移動(dòng)，想要做一次核磁共振，還要在特定的醫(yī)院排隊(duì)等待。

如果想要設(shè)計(jì)一款信號(hào)純潔度高、抗干擾能力強(qiáng)、安全性能高、隨時(shí)能夠使用的便攜式設(shè)備，可能還需要一些其他種類的技術(shù)手段。

在AI科技評(píng)論與UCL助理教授趙湖斌的訪談中，他向我們介紹了他目前的研究工作，可以滿足以上所有需求，更好地了解大腦的健康問題。

2021年，趙湖斌創(chuàng)立了倫敦大學(xué)學(xué)院智能神經(jīng)工程中心。該中心致力于開發(fā)和推廣新一代可穿戴智能醫(yī)學(xué)成像與傳感技術(shù)，以應(yīng)用于大腦健康、神經(jīng)及心血管疾病、腦機(jī)接口（BCI）/人機(jī)交互（HRI）、康復(fù)、個(gè)性化健康監(jiān)測等相關(guān)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用領(lǐng)域。

實(shí)驗(yàn)室的研究主要以三條分支展開，分別為：可穿戴醫(yī)學(xué)成像與監(jiān)測設(shè)備研發(fā)，針對(duì)醫(yī)療應(yīng)用的AI邊緣處理芯片設(shè)計(jì)，以及人機(jī)交互/腦機(jī)接口及其拓展應(yīng)用。

目前趙湖斌團(tuán)隊(duì)所使用的技術(shù)是功能性近紅外光譜成像，即通過近紅外波長中血紅蛋白的變化來監(jiān)測大腦活動(dòng)。在此基礎(chǔ)之上，他們使用了一種新的技術(shù)——漫射光層析成像，英文名叫 Diffuse Optical Tomography（DOT）。DOT可以利用多個(gè)光源和探測器，通過重疊空間采樣進(jìn)行詳細(xì)的 3D 腦功能成像，顯著提升空間分辨率和成像精確度。

DOT技術(shù)讓功能性神經(jīng)成像邁上了一個(gè)更高的臺(tái)階，成像好、成本低、可便攜的特性，打破了傳統(tǒng)成像在臨床應(yīng)用中的局限性。趙湖斌也表示正在準(zhǔn)備臨床應(yīng)用的鋪開，目前在研究新的可穿戴集成 DOT-EEG 技術(shù)，可應(yīng)用于中風(fēng)后的康復(fù)治療。（EEG，腦電圖技術(shù)，通過測定自發(fā)的有節(jié)律的生物電活動(dòng)，以了解腦功能狀態(tài)。編者注）

他坦言道，在不遠(yuǎn)的未來，這個(gè)項(xiàng)目將會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)品化，普及到個(gè)體醫(yī)療市場，將應(yīng)用于康復(fù)治療、精神疾病等醫(yī)療場景。

以下是 AI 科技評(píng)論與趙湖斌的對(duì)話全文，為方便閱讀，進(jìn)行了不改變原意的文字調(diào)整。

第一部分：從喀什到倫敦，一個(gè)工科學(xué)子的醫(yī)學(xué)夢想

AI科技評(píng)論：可否介紹一下您的學(xué)術(shù)經(jīng)歷，是怎么開展腦機(jī)接口方向的研究的？

趙湖斌：我是四川人，從小在新疆喀什長大。因?yàn)楦改干眢w一直不太好的緣故，我從小到大都有一個(gè)醫(yī)生夢。雖然大學(xué)時(shí)期在家人的勸說下選擇了電子專業(yè)，但在本科期間我發(fā)現(xiàn)，我還是更想當(dāng)醫(yī)生。所以準(zhǔn)備讀博時(shí)我就想，怎么才能讀醫(yī)療電子相關(guān)的專業(yè)。那時(shí)候正好倫敦大學(xué)學(xué)院有相關(guān)的博士項(xiàng)目，我就從 2012 年來了英國。

我當(dāng)時(shí)的博導(dǎo)是一個(gè)光遺傳學(xué)的研究者，我的研究方向是腦機(jī)接口，做醫(yī)療和芯片的結(jié)合。當(dāng)時(shí)跟著導(dǎo)師，我有幸參與了世界上第一款主動(dòng)型侵入式光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控芯片的研發(fā)工作。

AI科技評(píng)論：后來為什么從光遺傳學(xué)的研究轉(zhuǎn)換成近紅外線光成像的研究？

趙湖斌：基于光遺傳學(xué)的侵入式腦機(jī)接口有兩個(gè)問題。一方面，光敏蛋白導(dǎo)入到神經(jīng)元要通過一個(gè)載體，這個(gè)載體的本質(zhì)其實(shí)是個(gè)病毒，相當(dāng)于要把一個(gè)病毒導(dǎo)入到大腦里頭。雖然是失活病毒，但還是有潛在風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)涉及到風(fēng)險(xiǎn)控制問題，還有大量倫理道德的審核。另一方面，侵入式腦機(jī)接口的落地周期很漫長，我希望在中短期的時(shí)間里做真正有實(shí)際價(jià)值、對(duì)社會(huì)有影響力的研究。所以后來就換到非侵入式的功能性近紅外光譜的研究上去。

2021年10月，我在倫敦大學(xué)學(xué)院的醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院任助理教授，研究方向是智能醫(yī)療技術(shù)，獨(dú)立建組之后，也是一直在做近紅外光譜成像的課題。

AI科技評(píng)論：能否科普一下，用近紅外光譜檢測腦部信息，具體的工作原理是什么？

趙湖斌：從研究上來說，光的穿透性比電更好，信號(hào)純潔度高，抗干擾能力強(qiáng)，可發(fā)揮的空間更大。大腦的組織相對(duì)于紅外光和近紅外光比較透明，所以近紅外光有能力穿過大腦皮層再反射回來。大腦組織里主要的吸收元素是血紅蛋白，穿進(jìn)去的光大部分都可以被其所吸收，血紅蛋白的數(shù)量會(huì)在光進(jìn)去和反射回來這個(gè)過程中展現(xiàn)出不同的效果，所以我們可以通過光強(qiáng)來測量變化，從而推測出血紅蛋白在特定領(lǐng)域的一個(gè)聚集和活躍程度。血紅蛋白的指標(biāo)，跟大腦的血氧情況聯(lián)系緊密，所以能夠根據(jù)這些指標(biāo)，推測出實(shí)時(shí)的大腦血氧分布情況，從而了解到大腦現(xiàn)在的健康狀態(tài)。

比如說腦梗和腦溢血，這兩種潛在的卒中病癥，血氧狀態(tài)變化會(huì)很快，時(shí)間窗口很短，用我們的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，會(huì)有很好的效果。自閉癥、抑郁癥等疾病，可以用我們的設(shè)備進(jìn)行長期的跟蹤檢測。

第二部分：面壁十年，成就是給大腦戴上“小帽子”

AI科技評(píng)論：我知道傳統(tǒng)近紅外光譜技術(shù)其實(shí)只有3厘米的探測深度，能有實(shí)用場景嗎？

趙湖濱：是可以有很多應(yīng)用場景的。但問題是3厘米看似已經(jīng)不短了，但在實(shí)際應(yīng)用中，光線傳導(dǎo)路徑，大多數(shù)時(shí)候在大腦中并不是一條直線，更像一個(gè)香蕉的形狀。傳統(tǒng)近紅外光譜由于技術(shù)的局限性，3厘米的傳導(dǎo)距離是固定的，在路徑彎曲弧度相似的情況下，所有傳導(dǎo)路徑基本一致，可能實(shí)際深度只有1.5厘米到2厘米。同時(shí)不管設(shè)備大小，所有設(shè)備得到的深度信息都是固定的。傳統(tǒng)的功能性近紅外光譜技術(shù)，固定的成像距離與深度，只能得到二維信息，無法有效實(shí)現(xiàn)三維成像。

AI科技評(píng)論：二維信息沒有實(shí)用價(jià)值？

趙湖斌：實(shí)用價(jià)值會(huì)相對(duì)比較局限，要想做更全面的大腦檢測，要想辦法采集到更深的三維信息。

AI科技評(píng)論：你們是怎么解決這個(gè)問題的？

趙湖斌：我們采用了DOT這個(gè)方法（解決了這個(gè)問題）。DOT是近紅外光譜的一個(gè)高階模態(tài)，這個(gè)技術(shù)從成熟到應(yīng)用還不到10年。

它跟傳統(tǒng)的近紅外光譜區(qū)別在于信息深度上的體現(xiàn)。通過電子設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人體工程學(xué)設(shè)計(jì)、終端信號(hào)處理、后端數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，DOT可以改變兩點(diǎn)之間的相交性，把傳統(tǒng)的傳導(dǎo)路徑從3厘米變?yōu)?厘米至6厘米的一個(gè)變化區(qū)間?；贒OT可變的相交性，我們可以真正意義上實(shí)現(xiàn)三維成像，類似于做成一個(gè)“可穿戴的功能性磁共振”。

AI科技評(píng)論：這樣就可以進(jìn)入到產(chǎn)品階段了？

趙湖斌：離好的產(chǎn)品還有很長的距離，當(dāng)時(shí)的問題太多了。

從工程角度上看，特別是從電子儲(chǔ)存的角度看，DOT和傳統(tǒng)近紅外光譜采用的都是光纖架構(gòu)。第一，光纖體積不小，人的頭骨上可容納的光纖數(shù)量有限，測量點(diǎn)的數(shù)量也有限，導(dǎo)致分辨率不夠，從而影響到最后的成像效果。第二，光纖的重量和體積會(huì)限制DOT技術(shù)的真正潛質(zhì)，一個(gè)人的頭上能戴上五公斤重的光纖嗎？第三，從人體工程序結(jié)構(gòu)上來說，前面的光纖會(huì)擋掉后面的光纖，導(dǎo)致距離遠(yuǎn)的光纖無法接收到對(duì)方的光。理論上所謂的低成本、便捷性、高質(zhì)量3D成像，用光纖都沒法達(dá)到預(yù)期。

AI科技評(píng)論：所以我們就不能再使用光纖架構(gòu)了？

趙湖斌：是的，我們在 16 年左右首次提出了模塊化概念，這是一個(gè)全新的系統(tǒng)架構(gòu)和理念，使用了現(xiàn)成的LED光電元件，在增加通道數(shù)的同時(shí)加強(qiáng)了光的傳導(dǎo)深度。

AI科技評(píng)論：可以講一下模塊化概念是什么樣的產(chǎn)品嗎？

趙湖斌：所有的光學(xué)設(shè)備，都要包含兩種元件，一個(gè)是光源，一個(gè)是探測器。光源可以理解為光的發(fā)射器，探測器就是接收光的東西，基于大腦皮層空間的局限性和傳導(dǎo)距離必要的相交性，光源跟探測器之間要進(jìn)行交互，產(chǎn)生更多的測量通道數(shù)。我們通過新型無光纖架構(gòu)設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)光纖架構(gòu)臨近光路的相互阻礙，實(shí)現(xiàn)了模塊間的通信交互和跨模塊的光源-光探測器信號(hào)采集。在固定的單位面積上，通道數(shù)越多，像素就越高，如果有更多的交互，成像的精確度就會(huì)更高。此外，模塊化的產(chǎn)品能夠按照需求，進(jìn)行任意組裝和替換，同時(shí)節(jié)省購買和維護(hù)成本。

AI科技評(píng)論：具體形態(tài)是什么樣的？

趙湖斌：就是一個(gè)一個(gè)的貼片。假設(shè)在一個(gè) 3 X 3 厘米的貼片上，有兩個(gè)光源跟兩個(gè)探測器，他們之間兩兩交互，一共就有四種交互組合。貼片和貼片之間，沒有長光纖阻擋他們之間的交流，第一個(gè)貼片上的光源可以被第二個(gè)貼片上的探測器接收，并且所以如果在腦袋上貼 2 個(gè)這種模塊，有四個(gè)光源跟四個(gè)探測器，我們就會(huì)得到 16 個(gè)交互通道。如果增加到 3 個(gè)模塊，產(chǎn)生 6 × 6 個(gè)交互模式，36 個(gè)通道。這個(gè)底層邏輯就是，線性增加的模塊數(shù)量，造成理論的通道數(shù)量的指數(shù)級(jí)增加。

在我開發(fā)的一個(gè)老系統(tǒng)里面，我們用了 24 個(gè)光源和 48 個(gè)探測器。最原始的架構(gòu)里只會(huì)產(chǎn)生 48 個(gè)探測通路，但是我們的設(shè)計(jì)可以讓48 個(gè)探測器的通道數(shù)達(dá)到1152個(gè)（24 x 48）。這是一種全新的技術(shù)研發(fā)，從前端到后端，從最底層到整個(gè)系統(tǒng)層，都是一個(gè)全新的理念。

AI科技評(píng)論：光纖和LED光電元件相比，他們發(fā)射的光有區(qū)別嗎？

趙湖斌：之前我們用的激光光源，它需要光纖來聚光，相當(dāng)于激光通過光纖這個(gè)導(dǎo)管打到大腦里面。激光光源是不能直接貼在大腦頭皮上的，需要中間有一個(gè)隔離的空間。LED 不需要光纖，更適合跟頭皮直接進(jìn)行貼合，但從光傳導(dǎo)效果上來說，并不是說LED比激光更好。我們之所以選擇LED光源，是因?yàn)樗罱ㄆ饋砗芊奖?，適合模塊化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品化容易，而且成本還低。

AI科技評(píng)論：光源之間的交互會(huì)產(chǎn)生混亂嗎？如何解決？

趙湖斌：為了防止錯(cuò)亂我們使用了頻率調(diào)制的方法，讓每個(gè)光源跟探測器的固定工作頻率稍微差一點(diǎn)點(diǎn)，比如差 0.1%。頻率的差異會(huì)讓最后得到的數(shù)據(jù)結(jié)果有一個(gè)細(xì)微的差別，這樣就可以通過工作頻率的差異給光源編號(hào)，比如第一個(gè)光源叫1.001，第二個(gè)光源叫1.002。每個(gè)編碼都能反應(yīng)出相對(duì)的映射關(guān)系，這樣就能防止混亂。

另外，為了保證光線深度，我們在電子設(shè)計(jì)和電路的軟硬件上做了一些創(chuàng)新，通過軟硬協(xié)同調(diào)制把系統(tǒng)敏感度提升至傳統(tǒng)技術(shù)的10-20倍，這樣就可以保證遠(yuǎn)距離的光（比如6厘米）也能被檢測到。這個(gè)技術(shù)是在20年左右研發(fā)出來的，至今還沒有團(tuán)隊(duì)能做到。

AI科技評(píng)論：這么做，效率能提升多少？

趙湖斌：模塊化并不能保證每個(gè)通道數(shù)都是有效的，相當(dāng)一部分通道數(shù)其實(shí)是無效的。因?yàn)槊總€(gè)人頭蓋骨的厚度和大腦形狀都不一樣，所以通道的數(shù)量也會(huì)隨之變化。比如 1,000 個(gè)通道數(shù)的系統(tǒng)，在信號(hào)好的情況下可能會(huì)達(dá)到 600 到 700 的有效通道數(shù)。如果有些人頭發(fā)過密，或者和模塊的貼合性沒有那么好，那么有效通道數(shù)可能只有300，這樣都已經(jīng)比市面上高很多倍了，同時(shí)保證設(shè)備重量不超過300克。

第三部分：走出實(shí)驗(yàn)室，新型產(chǎn)品的未來規(guī)劃

AI科技評(píng)論：模塊化貼片是否已有成型的樣品？

趙湖斌：我之前參與的公司，也是我的博士后導(dǎo)師創(chuàng)立的公司，已經(jīng)用傳統(tǒng)的技術(shù)做出了DOT的臨床產(chǎn)品，并且現(xiàn)在已被歐盟CE 認(rèn)證。我自己現(xiàn)在在開發(fā)更新一代的產(chǎn)品，會(huì)增加測量的精準(zhǔn)度和信息深度。

這款更新一代的產(chǎn)品，你可以講一下有哪些不同之處嗎？

趙湖斌：從大的方面來講，不同之處有兩個(gè)。

第一，希望可以盡快把DOT跟EEG從電路底層集成起來，用模塊化技術(shù)疊加EEG的功能，這個(gè)結(jié)合目前沒有工程瓶頸。

第二，用邊緣計(jì)算理念，疊加 AI 硬件去做實(shí)時(shí)的信息處理，這也是該領(lǐng)域里面的首創(chuàng)。這個(gè)技術(shù)成本更低、實(shí)施性更好，并且能更好地保護(hù)用戶隱私。它的核心元件其實(shí)是個(gè)芯片，未來是可以集成在可穿戴設(shè)備中做處理單元的。傳統(tǒng)的腦電信號(hào)抓取后，要用電腦去處理，我們設(shè)計(jì)新型 AI 芯片來取代電腦，這個(gè)產(chǎn)品就變成一體化設(shè)備，相當(dāng)于開發(fā)了一個(gè)處理器。

AI科技評(píng)論：有臨床試驗(yàn)過嗎？

趙湖斌：我正在為臨床應(yīng)用的鋪開做準(zhǔn)備，接下來想分兩步去實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用：首先，我們會(huì)給已有的產(chǎn)品化設(shè)備做一些初步的驗(yàn)證，這些都是比較成熟的產(chǎn)品，預(yù)計(jì)明年就能從臨床研究轉(zhuǎn)到臨床應(yīng)用。其次，我們會(huì)在這個(gè)過程中不斷打磨新型技術(shù)的原型機(jī)，為 3 到 5 年之內(nèi)更長線的臨床應(yīng)用做準(zhǔn)備。

AI科技評(píng)論：可穿戴DOT設(shè)備可以配備在哪些場合？

趙湖斌：這是一款便攜式醫(yī)療裝備，從三甲醫(yī)院的腦神經(jīng)科室，到社區(qū)醫(yī)院、養(yǎng)老院等都可以配備。

AI科技評(píng)論：對(duì)于社區(qū)醫(yī)院的醫(yī)生來說是否會(huì)很復(fù)雜？

趙湖斌：我們可以把對(duì)應(yīng)的功能，開發(fā)成對(duì)應(yīng)程序，會(huì)盡可能簡化交互流程，無論是前端還是后端，都會(huì)盡可能做得更智能化、更具有交互性一些。還有就是，不同科室有不同的需求，但是功能需求基本上是固定的，我們可以針對(duì)固定的需求開發(fā)不同的產(chǎn)品線。

AI科技評(píng)論：你想怎么去做商業(yè)化？

趙湖斌：我考慮過三個(gè)商用化用途。

一個(gè)是康復(fù)市場，現(xiàn)在全球老齡化嚴(yán)重，很多中風(fēng)和阿茲海默的病人需要實(shí)時(shí)監(jiān)測病情的發(fā)展情況。我們可以用一個(gè)便攜式的功能性磁共振來提高掃描的效率，檢測患者的大腦活動(dòng)情況，再結(jié)合專家意見去做具體的康復(fù)方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

另一個(gè)領(lǐng)域是腦疾病診斷，這也是我們一直在做的主要應(yīng)用場景。比如，中風(fēng)發(fā)作在英國是致死率最高的疾病之一，國內(nèi)更是如此，而且癥狀更為復(fù)雜?？纱┐鱀OT設(shè)備可以配備在日常的社區(qū)醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，甚至是在救護(hù)車上面，如果有病人出現(xiàn)了中風(fēng)發(fā)作的癥狀，可以進(jìn)行快速的診斷監(jiān)測，然后做對(duì)應(yīng)的干預(yù)措施。

我這幾年一直在積極推進(jìn)中風(fēng)的新型診斷手段，在國內(nèi)與清華長庚醫(yī)院和復(fù)旦華山醫(yī)院也有一些臨床合作研究，國內(nèi)的醫(yī)生也表示過可穿戴DOT設(shè)備的需求很大。

還有一個(gè)是精神疾病市場，近紅外與DOT技術(shù)在22年左右已經(jīng)被納入醫(yī)保，目前一個(gè)比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域是心理健康。現(xiàn)在國內(nèi)外的心理疾病患者群體都很龐大，而且低齡患者很多。DOT可能初步會(huì)應(yīng)用在醫(yī)院的精神心理科，未來再逐步探索更多的自然場景下的應(yīng)用。

AI科技評(píng)論：DOT聽起來還是一個(gè)很陌生的詞匯，大部分人都不太理解你們的產(chǎn)品是什么，能做什么。怎么盡可能普及給你們的投資人和醫(yī)療衛(wèi)生從業(yè)者？

趙湖斌：傳統(tǒng)意義上的腦機(jī)接口的定義其實(shí)很窄，就是通過不同的技術(shù)模態(tài)，讓大腦跟外部設(shè)備產(chǎn)生連接，像核磁共振、EEG、近紅外光譜本質(zhì)上都只是實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的一個(gè)技術(shù)模態(tài)。我們需要時(shí)間讓大眾去了解DOT的概念，一個(gè)可行方案是簡化軟件端和處理端，讓DOT變得更容易上手。另一個(gè)方案是增加科普講座和線下體驗(yàn)店。

過去七八年的時(shí)間里，國內(nèi)在傳統(tǒng)近紅外領(lǐng)域的科學(xué)家前輩已經(jīng)在技術(shù)市場的推廣上打下了基礎(chǔ)，我要做的是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步推廣可穿戴DOT技術(shù)，這個(gè)難度會(huì)比從零開始要容易得多。

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