加州理工學院以超音波可穿透式顱骨探討新腦機介面之可行性

功能性超音波

功能性超音波利用高頻超音波來偵測大腦血流變化。相較功能性磁振造影，功能性超音提供了較高的時間(100ms~500ms)與空間解析度(0.1~0.3mm)，也提供了良好的可攜帶性。然而，超音波穿透無法穿透顱骨，使得訊號品質大為下降。若能研發超音波可穿透式的顱骨，將開啟以超音波來做為腦機介面的契機。

研究重點

來自美國加州理工學院的研究團隊，利用超音波可穿透的材質，來製作功能性超音波觀測窗，並且取代顱骨作為顱骨切除後保護大腦的裝置。顱骨切除術常用於治療創傷性腦損傷的病人，因其腦壓升高，需要切除顱骨避免腦壓持續升高以減少損傷。研究團隊製造四種超音波觀測窗，包含鈦金屬網格，與分別為1mm、2mm、3mm厚的壓克力(PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)顱骨，這些材質均已獲得美國食品藥物管理局的核可用於製作人工顱骨。在鼠腦模型的動物實驗中，研究團隊證實1mm壓克力人工顱骨有較佳的影像品質。接著，研究團隊將此超音波觀測窗安裝於接受顱骨切除術的一位病人上，並安排病人參與連連看遊戲和彈吉他的曲組實驗。兩項實驗結果均顯示病人在執行任務時，中央後迴(Postcentral gyrus)與緣上迴(Supramarginal gyrus)有顯著活化。研究團隊並發現所量測的功能性超音波訊號能以超過8成的準確率，預測病人是否有在執行任務。這個研究開啟以功能性超音波進行腦機介面的契機。

思考

儘管此研究證明了新腦機介面的可行性，然而此實驗仍然有不足之處。一、雖然超音波觀測窗不會破壞腦硬膜，使得大腦仍維持良好狀態，但顱骨切除手術仍是一項風險，因此只有少數需要顱骨切除的病人可以使用。二、超音波探頭雖然具有良好的可攜性，但作為腦機介面，它仍需要傳輸線將資料傳送至電腦，這樣會限制受試者的自由度。三、實驗中的功能性超音波使用的是陣列探頭，僅能掃描單一平面，因此掃描範圍受到一定的限制。四、這次實驗僅有一位受試者，且只做了連連看實驗與彈吉他，實驗設計並未完整且缺少了與健康受試者的比較，這降低了實驗結果的生態效度。

論文:

https://doi.org/10.1126/scitranslmed.adj3143

圖片來源：

加州理工大學官網：https://www.caltech.edu/about/news/window-into-the-brain

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