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用 LED 光源做成一頂“小帽子”，讓大腦問題纖毫畢現(xiàn)。

作者丨洪雨欣

編輯丨馬曉寧

我們應當如何實時監(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接口，過植入大腦皮層的線狀電極直接讀取神經(jīng)信號，實現(xiàn)了高精準度信號采集和腦際交互。但是，侵入式腦機接口方案的風險也很大。植入過程需開顱手術，存在感染、腦組織損傷或免疫反應等風險。

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

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

如果想要設計一款信號純潔度高、抗干擾能力強、安全性能高、隨時能夠使用的便攜式設備，可能還需要一些其他種類的技術手段。

在AI科技評論與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)立了倫敦大學學院智能神經(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)學成像與傳感技術，以應用于大腦健康、神經(jīng)及心血管疾病、腦機接口（BCI）/人機交互（HRI）、康復、個性化健康監(jiān)測等相關的轉(zhuǎn)化應用領域。

實驗室的研究主要以三條分支展開，分別為：可穿戴醫(yī)學成像與監(jiān)測設備研發(fā)，針對醫(yī)療應用的AI邊緣處理芯片設計，以及人機交互/腦機接口及其拓展應用。

目前趙湖斌團隊所使用的技術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。在此基礎之上，他們使用了一種新的技術——漫射光層析成像，英文名叫 Diffuse Optical Tomography（DOT）。DOT可以利用多個光源和探測器，通過重疊空間采樣進行詳細的 3D 腦功能成像，顯著提升空間分辨率和成像精確度。

DOT技術讓功能性神經(jīng)成像邁上了一個更高的臺階，成像好、成本低、可便攜的特性，打破了傳統(tǒng)成像在臨床應用中的局限性。趙湖斌也表示正在準備臨床應用的鋪開，目前在研究新的可穿戴集成 DOT-EEG 技術，可應用于中風后的康復治療。

（EEG，腦電圖技術，通過測定自發(fā)的有節(jié)律的生物電活動，以了解腦功能狀態(tài)。編者注）

他坦言道，在不遠的未來，這個項目將會進一步產(chǎn)品化，普及到個體醫(yī)療市場，將應用于康復治療、精神疾病等醫(yī)療場景。

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

從喀什到倫敦，一個工科學子的醫(yī)學夢想

趙湖斌在IEEE國際學術會議

AI科技評論：可否介紹一下您的學術經(jīng)歷，是怎么開展腦機接口方向的研究的？

趙湖斌：我是四川人，從小在新疆喀什長大。因為父母身體一直不太好的緣故，我從小到大都有一個醫(yī)生夢。雖然大學時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)，我還是更想當醫(yī)生。所以準備讀博時我就想，怎么才能讀醫(yī)療電子相關的專業(yè)。那時候正好倫敦大學學院有相關的博士項目，我就從 2012 年來了英國。

我當時的博導是一個光遺傳學的研究者，我的研究方向是腦機接口，做醫(yī)療和芯片的結合。當時跟著導師，我有幸參與了世界上第一款主動型侵入式光遺傳學神經(jīng)調(diào)控芯片的研發(fā)工作。

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

趙湖斌：基于光遺傳學的侵入式腦機接口有兩個問題。一方面，光敏蛋白導入到神經(jīng)元要通過一個載體，這個載體的本質(zhì)其實是個病毒，相當于要把一個病毒導入到大腦里頭。雖然是失活病毒，但還是有潛在風險，會涉及到風險控制問題，還有大量倫理道德的審核。另一方面，侵入式腦機接口的落地周期很漫長，我希望在中短期的時間里做真正有實際價值、對社會有影響力的研究。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，我在倫敦大學學院的醫(yī)學科學學院任助理教授，研究方向是智能醫(yī)療技術，獨立建組之后，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，信號純潔度高，抗干擾能力強，可發(fā)揮的空間更大。大腦的組織相對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，穿進去的光大部分都可以被其所吸收，血紅蛋白的數(shù)量會在光進去和反射回來這個過程中展現(xiàn)出不同的效果，所以我們可以通過光強來測量變化，從而推測出血紅蛋白在特定領域的一個聚集和活躍程度。血紅蛋白的指標，跟大腦的血氧情況聯(lián)系緊密，所以能夠根據(jù)這些指標，推測出實時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)變化會很快，時間窗口很短，用我們的設備進行實時檢測，會有很好的效果。自閉癥、抑郁癥等疾病，可以用我們的設備進行長期的跟蹤檢測。

面壁十年，成就是給大腦戴上“小帽子”

可穿戴式DOT設備

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

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

AI科技評論：二維信息沒有實用價值？

趙湖斌：實用價值會相對比較局限，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科技評論：你們是怎么解決這個問題的？

趙湖斌：我們采用了DOT這個方法（解決了這個問題）。DOT是近紅外光譜的一個高階模態(tài)，這個技術從成熟到應用還不到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)。通過電子設計、機械結構設計、人體工程學設計、終端信號處理、后端數(shù)據(jù)分析等技術，DOT可以改變兩點之間的相交性，把傳統(tǒng)的傳導路徑從3厘米變?yōu)?厘米至6厘米的一個變化區(qū)間?；贒OT可變的相交性，我們可以真正意義上實現(xiàn)三維成像，類似于做成一個“可穿戴的功能性磁共振”。

可穿戴式DOT系統(tǒng)

AI科技評論：這樣就可以進入到產(chǎn)品階段了？

趙湖斌：離好的產(chǎn)品還有很長的距離，當時的問題太多了。

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

AI科技評論：所以我們就不能再使用光纖架構了？

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

AI科技評論：可以講一下模塊化概念是什么樣的產(chǎn)品嗎？

趙湖斌：所有的光學設備，都要包含兩種元件，一個是光源，一個是探測器。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距離必要的相交性，光源跟探測器之間要進行交互，產(chǎn)生更多的測量通道數(shù)。我們通過新型無光纖架構設計，突破了傳統(tǒng)光纖架構臨近光路的相互阻礙，實現(xiàn)了模塊間的通信交互和跨模塊的光源-光探測器信號采集。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，成像的精確度就會更高。此外，模塊化的產(chǎn)品能夠按照需求，進行任意組裝和替換，同時節(jié)省購買和維護成本。

AI科技評論：具體形態(tài)是什么樣的？

趙湖斌：就是一個一個的貼片。假設在一個 3 X 3 厘米的貼片上，有兩個光源跟兩個探測器，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，第一個貼片上的光源可以被第二個貼片上的探測器接收，并且所以如果在腦袋上貼 2 個這種模塊，有四個光源跟四個探測器，我們就會得到 16 個交互通道。如果增加到 3 個模塊，產(chǎn)生 6 × 6 個交互模式，36 個通道。這個底層邏輯就是，線性增加的模塊數(shù)量，造成理論的通道數(shù)量的指數(shù)級增加。

在我開發(fā)的一個老系統(tǒng)里面，我們用了 24 個光源和 48 個探測器。最原始的架構里只會產(chǎn)生 48 個探測通路，但是我們的設計可以讓48 個探測器的通道數(shù)達到1152個（24 x 48）。這是一種全新的技術研發(fā)，從前端到后端，從最底層到整個系統(tǒng)層，都是一個全新的理念。

貼片系統(tǒng)：光源和探測器

AI科技評論：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，相當于激光通過光纖這個導管打到大腦里面。激光光源是不能直接貼在大腦頭皮上的，需要中間有一個隔離的空間。LED 不需要光纖，更適合跟頭皮直接進行貼合，但從光傳導效果上來說，并不是說LED比激光更好。我們之所以選擇LED光源，是因為它搭建起來很方便，適合模塊化設計，產(chǎn)品化容易，而且成本還低。

AI科技評論：光源之間的交互會產(chǎn)生混亂嗎？如何解決？

趙湖斌：為了防止錯亂我們使用了頻率調(diào)制的方法，讓每個光源跟探測器的固定工作頻率稍微差一點點，比如差 0.1%。頻率的差異會讓最后得到的數(shù)據(jù)結果有一個細微的差別，這樣就可以通過工作頻率的差異給光源編號，比如第一個光源叫1.001，第二個光源叫1.002。每個編碼都能反應出相對的映射關系，這樣就能防止混亂。

另外，為了保證光線深度，我們在電子設計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)技術的10-20倍，這樣就可以保證遠距離的光（比如6厘米）也能被檢測到。這個技術是在20年左右研發(fā)出來的，至今還沒有團隊能做到。

AI科技評論：這么做，效率能提升多少？

趙湖斌：模塊化并不能保證每個通道數(shù)都是有效的，相當一部分通道數(shù)其實是無效的。因為每個人頭蓋骨的厚度和大腦形狀都不一樣，所以通道的數(shù)量也會隨之變化。比如 1,000 個通道數(shù)的系統(tǒng)，在信號好的情況下可能會達到 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，同時保證設備重量不超過300克。

走出實驗室，新型產(chǎn)品的未來規(guī)劃

和腦機接口芯片權威專家 Wouter Serjin 教授

AI科技評論：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，也是我的博士后導師創(chuàng)立的公司，已經(jīng)用傳統(tǒng)的技術做出了DOT的臨床產(chǎn)品，并且現(xiàn)在已被歐盟CE 認證。我自己現(xiàn)在在開發(fā)更新一代的產(chǎn)品，會增加測量的精準度和信息深度。

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。

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

第二，用邊緣計算理念，疊加 AI 硬件去做實時的信息處理，這也是該領域里面的首創(chuàng)。這個技術成本更低、實施性更好，并且能更好地保護用戶隱私。它的核心元件其實是個芯片，未來是可以集成在可穿戴設備中做處理單元的。傳統(tǒng)的腦電信號抓取后，要用電腦去處理，我們設計新型 AI 芯片來取代電腦，這個產(chǎn)品就變成一體化設備，相當于開發(fā)了一個處理器。

AI科技評論：有臨床試驗過嗎？

趙湖斌：我正在為臨床應用的鋪開做準備，接下來想分兩步去實現(xiàn)臨床應用：首先，我們會給已有的產(chǎn)品化設備做一些初步的驗證，這些都是比較成熟的產(chǎn)品，預計明年就能從臨床研究轉(zhuǎn)到臨床應用。其次，我們會在這個過程中不斷打磨新型技術的原型機，為 3 到 5 年之內(nèi)更長線的臨床應用做準備。

AI科技評論：可穿戴DOT設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科技評論：對于社區(qū)醫(yī)院的醫(yī)生來說是否會很復雜？

趙湖斌：我們可以把對應的功能，開發(fā)成對應程序，會盡可能簡化交互流程，無論是前端還是后端，都會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，我們可以針對固定的需求開發(fā)不同的產(chǎn)品線。

AI科技評論：你想怎么去做商業(yè)化？

趙湖斌：我考慮過三個商用化用途。

一個是康復市場，現(xiàn)在全球老齡化嚴重，很多中風和阿茲海默的病人需要實時監(jiān)測病情的發(fā)展情況。我們可以用一個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情況，再結合專家意見去做具體的康復方案的動態(tài)調(diào)整。

另一個領域是腦疾病診斷，這也是我們一直在做的主要應用場景。比如，中風發(fā)作在英國是致死率最高的疾病之一，國內(nèi)更是如此，而且癥狀更為復雜。可穿戴DOT設備可以配備在日常的社區(qū)醫(yī)院、養(yǎng)老機構，甚至是在救護車上面，如果有病人出現(xiàn)了中風發(fā)作的癥狀，可以進行快速的診斷監(jiān)測，然后做對應的干預措施。

我這幾年一直在積極推進中風的新型診斷手段，在國內(nèi)與清華長庚醫(yī)院和復旦華山醫(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設備的需求很大。

還有一個是精神疾病市場，近紅外與DOT技術在22年左右已經(jīng)被納入醫(yī)保，目前一個比較成熟的應用領域是心理健康?，F(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可能初步會應用在醫(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用。

AI科技評論：DOT聽起來還是一個很陌生的詞匯，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)意義上的腦機接口的定義其實很窄，就是通過不同的技術模態(tài)，讓大腦跟外部設備產(chǎn)生連接，像核磁共振、EEG、近紅外光譜本質(zhì)上都只是實現(xiàn)腦機接口的一個技術模態(tài)。我們需要時間讓大眾去了解DOT的概念，一個可行方案是簡化軟件端和處理端，讓DOT變得更容易上手。另一個方案是增加科普講座和線下體驗店。

過去七八年的時間里，國內(nèi)在傳統(tǒng)近紅外領域的科學家前輩已經(jīng)在技術市場的推廣上打下了基礎，我要做的是在這個基礎上進一步推廣可穿戴DOT技術，這個難度會比從零開始要容易得多。