作者:胡珉琦 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/24 12:29:13
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历时十余载,阿尔茨海默病评估诊断有“尺子”了

 

亲人患上阿尔茨海默病是一种怎么样的体验?

几年以前,中国科学院软件研究所(以下简称软件所)特别研究助理孙伟的爷爷被确诊为这种疾病,在那些遗忘、幻想、无理取闹的故事里,沉淀着一种隐匿的悲伤,是他见到爷爷偶尔清醒时,无尽的落寞,是爷爷明明不记得自己,却还要努力附和。他无力对抗这种情绪。

与此同时,孙伟所在的软件所人机交互与智能信息处理实验室正在研制“多模态自然人机交互神经系统疾病辅助诊断工具”,目的是为了帮助这类容易误诊、漏诊的疾病更早期更客观地进行评估、诊断和筛查,进而为治疗、延缓病程争取时间。

在过去十年时间里,这项研究从实验室成果,到多中心临床试验,再到今年获批国家医疗器械注册证,实现商业转化,迈过了一个又一个台阶。

要以人为中心,而非技术为中心

2023年7月8日上午,顺义区大孙各庄镇赵家峪村政务服务站里人满为患,百余位50岁以上的村民参与了由北京协和医院和软件所组织的流调活动,他们需要配合完成多项针对神经系统疾病的人机交互检测任务。

在其中一间不足10平米的办公室里,科研人员用电子化的认知检查系统,融合了电子化检查量表、书写功能、发音信息的医学数据,对每个被试的记忆力、执行力和认知能力进行全面评估。

在平板上完成一套30道题的测试至少需要半小时,尤其考验村民的配合度。辅助他们完成答题的研究人员,一边耐心讲解测试规则,一边还要安抚他们烦躁的情绪。即便如此,还是有些不理解的村民中途离场,留下一句“浪费时间”。

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平板认知检查。胡珉琦摄

这项流调活动从2013年正式开始,被试来自顺义区的5个村庄,每年开展四到五次,每次对应一到两个村,目前已累积有30000多人次的数据量。

孙伟从2017年正式参与。他说,规模最大的村庄多达500人,要在两天时间全部完成四五项检测任务。高强度的工作,几乎让工作人员失声,甚至一度把小卖部的金嗓子喉宝买空。

这些在许多村民看来特别“麻烦”的测试,究竟有什么价值?

随着我国加速步入老龄化社会,脑卒中、帕金森病、阿尔茨海默病等老年神经系统疾病会严重影响他们的寿命和生活质量。

神经系统疾病主要表现为认知障碍、运动障碍、肌张力异常等,一直以来,临床上主要通过各种量表、测试、问卷调查等方法对病人的神经功能进行评价。

“这套方法虽然在全世界已经使用了几十甚至上百年时间,但它最大的局限就在于,高度依赖医生的主观经验判断。”项目负责人、软件所研究员田丰解释,不同医生的评估结果存在差异,而且由于神经功能描述的复杂性和困难性,大量基层医院容易出现误诊、漏诊,患者被确诊时往往已是中晚期。

是否可以通过医工交叉手段,基于科学量化指标开发统一诊断标准的神经功能评价系统,提升基层医疗机构的专科医生诊断神经系统疾病的能力?

十年前,北京协和医院神经科主任朱以诚找到了一直从事人机交互研究的田丰团队。

人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备,以有效的方式实现人与计算机的对话。而神经系统疾病体现为触觉、听觉等多个感官功能受损,是人机交互技术绝佳的应用领域。医生只需通过患者与计算机的自然感官交互结果,分析疾病在交互模态下的表征,就可以客观定量地判定患者当前的健康状态。

“从我的导师戴国忠研究员开始,我们实验室的文化从来不是蹲守在象牙塔里写文章,而且千方百计去实现技术落地,解决社会痛点问题。”田丰和朱以诚一拍即合。

此后,科研人员除了要构建多通道的人机交互技术,丰富诊断指标,提升准确率,还要优化检测流程。“后者从计算机技术的角度并没有多大难度,但对于提升临床检测效率至关重要。”孙伟认为,这就需要科研人员同时具备用户思维。

李信金是软件所博士一年级的学生,这已经是他第四次跟随医护人员到顺义进行流调。事实上,这也是每一个进入田丰团队的学生必须经历的一项“锻炼”。

“第一次接触村民之前,我以为我们只要克服技术难题就行,但自从面对面跟他们进行测试后才明白,只有被试能顺利完成这些检测任务,这项技术才有意义。”

以认知检查系统为例,李信金说,题目的类型、数量、时长、可理解性都会直接影响老年被试的配合度,此外,还要时刻留意他们的情绪状态,耐心讲解,积极安抚,避免他们中途放弃测试。

“因此,我们必须认真考虑如何实现交互友好,让技术变得亲民。” 李信金谈道,参与这项医工交叉研究,最重要的认知转变就是,要以人为中心,而非技术为中心。

为疾病评估检测造一把“尺子”

在国家863计划、国家重点研发计划等多个国家级项目的支持下,软件所已经构建了一套利用笔式、姿态、眼动、智能实物、语音、触屏移动设备等多通道交互技术的神经系统疾病辅助诊断工具。

“它最核心的优势,就是把过程数据以特征的形式提取出来,并以定量化的方式参与到评估系统中。”孙伟告诉《中国科学报》。

以笔交互为例,神经系统疾病患者在运笔时可能存在缓慢、震颤、认知障碍等多种情况,传统检测方法中,临床医生主要观察的是图形绘制结果,以及震颤状况,但有了人机交互,通过电子笔对触控屏幕进行输入,除了可以完整记录患者书写时的移动轨迹,还可以精确到速度、加速度、运笔特征,甚至是笔与接触面的压力特征。

再比如步态交互,神经系统疾病患者大多会导致运动功能受损,在行走过程中下肢出现受力状态和运动形态的变化,而基于深度视觉捕捉技术和AI算法,则可以获取人体在自然行走、坐下、抬膝、双手指鼻等各种状态下的运动学参数,其中包括步宽、步高、周期步速、步长协调性等一系列肉眼难以精细捕捉的运动学特征。

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体态功能检查。胡珉琦摄

田丰特别提到了最新的一项交互技术——眼动检查。研究团队构建了基于近眼眼动捕捉技术与VR环境相结合的智能眼动分析评价系统,集成了朝向眼跳、反向眼跳、平滑追踪等三十余项经典眼动测试及自由阅读、图片阅读等新型测试范式。该系统在早期帕金森和轻度认知障碍患者识别任务中整体准确率均已突破90%。

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眼动检查。胡珉琦摄

“这些方法可以弥补传统神经功能评价中存在的不足,为神经医学检测提供定量化、多模态和非任务态监测的支持。”田丰强调。

2018年,“多模态自然人机交互神经系统疾病辅助诊断工具”获得了国家科技进步奖二等奖,2019年还入选了国家卫生健康委颁发的“医疗健康人工智能应用落地30最佳案例”。

不过,实现辅助诊断功能只是第一步,有了定量方法,就要有定量标准,也就是建立完整的神经功能定量评价体系,为疾病评估和检测造一把“尺子”。而它的依据就是建立中国人群运动与认知功能定量评测参数常模,也就是全国正常人群的数据模型,并确定正常值范围,从而为神经系统疾病辅助诊断与功能定量评测提供参数规范。

2021年8月,由北京协和医院牵头发起,全国13家神经科医院参与的关于神经功能定量评价系统的研究性多中心临床试验正式启动,覆盖超5000人,累计进行医学临床检查数万次,建立了包括手写、语音、步态、抓握、生理、影像的医学数据库。

“目前,我们已经基本建立了完整的神经功能定量评价体系,包括评测硬件设备、软件平台、参数体系及正常值范围。”田丰认为,这套评价系统相当于未来医院神经科的一项基础设施,让神经系统功能检测成为像血常规、心电图一样的标准化手段。“也只有如此,才能最大程度地赋能基层。”

科学家创业如何“避坑”

持续一年半的这项多中心临床试验的承办方是中科睿医,这是由软件所在2020年孵化成立的医疗科技企业,而它的首席执行官正是出自田丰团队的范向民。

2019年,由于前期技术与临床数据的积累,多模态神经系统疾病辅助诊断工具已经趋于成熟,更让团队欣喜的是,越来越多基层医院开始主动向他们寻求合作。于是,范向民带领团队进行了一次深入的市场调研,确信各级医院神经科室对于这项技术工具存在刚需。

从一个纯粹的科研工作者转型成商业化企业的管理者,范向民主动求变。然而,从成果转化,到走通商业化之路,他感受到了巨大的鸿沟。

“科学家创业路上最大的‘坑’,就是仍然以纯粹的技术创新来定义商业化价值。”

在范向民看来,做企业,瞄准需求是第一步,但光有需求也是远远不够的。

“以医疗产品为例,除了要明确临床价值,还必须考虑产品获批上市路径、临床收费、医院运营效率等等因素。有的产品技术创新很好,但临床有效性和安全性难以验证,就迟迟无法获得市场准入资格。”

他直言,即便有了“资格证”,还面临一系列商业化问题,包括建立销售渠道,做学术推广、医生教育等市场活动。

“总之,所谓的关键技术在商业化中的重要性占比要远远低于科研人员对它的预期。”

去年年底,中科睿医获得了数千万元的A轮融资,累计融资额已近亿元。资本青睐的重要原因,一方面是临床产品研发层面的稳健进展,包括运动功能定量检查系统已于今年年初正式获批国家医疗器械注册证,另外眼动智能分析评价系统、数字化认知功能定量评测与训练系统等核心产品都在注册审评过程中,将会于近期陆续获批上市。

另一方面,目前的系列产品已在全国150多家医院临床与科研应用,其中就包括北京天坛医院、北京宣武医院这样的国内神经科龙头医院,证明了企业较强的学术推广能力。

值得一提的是,企业的组织架构是以服务商业化为主的多元团队,范向民是其中唯一具有科研背景的管理者。他的重要任务就是链接商业与技术成果,与科学家和临床专家对话。

2023年上半年,田丰牵头启动了国家科技创新2030重大项目“面向神经系统疾病预警的智能人机交互关键技术”。要实现疾病早期预警,最有价值的资源就是队列研究,采集老百姓健康或者早期疾病状态的数据样本。队列研究需要有足够大的人群规模,长期跟踪,从而找到疾病发展的拐点。

基于软件所人机交互与智能信息处理实验室最新的研究支持,范向民带领的商业化团队也将把实现神经系统疾病的早筛与预警,使得中国老人不仅长寿而且能健康长寿作为终极目标。

 
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