測量你與失智症之間的距離 世界首創.失智症前驅期腦波AI輔助診斷系統


科技部長期深耕基礎研究,並積極落實「 5+2 產業創新計畫」及「六大核心戰略產業」等重要科技政策,推動資通訊及生醫科技之研發。在科技部長期支持下,國立臺灣科技大學機械系劉益宏教授帶領之跨域、跨國研發團隊,成功運用腦電波信號處理、 電子電路設計、人工智慧AI演算法等不同領域技術,再與認知神經科學專家與指標性醫學中心專科醫師共同合作研究,最後透過新創公司來進行產品化與跨醫學中心臨床驗證,開發全球首創「失智症前驅期腦波AI 精準輔助診斷系統」。此系統可精準、快速方便偵測失智症前驅期 – 「輕度認知障礙 (Mild Cognitive Impairment, MCI)」,讓銀髮族及早接受治療與介入, 可降低發展成失智症之風險。 全球邁入高齡社會,失智症人數快速攀升 根據國際失智症協會(ADI)年報告,全球失智症人口於2019年已達5,000萬,每3秒就有新增1位失智症患者,且於2050年時失智症人口將增長至一億三千九百萬人。臺灣失智症人口也不斷攀升。根據台灣失智症協會調查後推估,截至2020年底,臺灣65歲以上老人共3,787,315人,其中失智症有近30萬(291,961)人,佔7.7%,亦即每12位老人就有1位失智者,而80歲以上的老人每5位當中即有1名罹患失智症。在全球邁入高齡化社會的同時,臺灣失智症人口也將持續攀升, 估計到了2025年,臺灣失智症人數會達到近38萬人。失智症當中, 「阿茲海默症(Alzheimer’s dis-ease, AD)」屬於退化型神經疾病,占所有型態失智症的60% ~ 80%,當今臨床尚無有效之治療藥物。失智症儼然成為銀髮族最擔心得到的疾病之一。 輕度認知障礙早期診斷、即早介入 「輕度認知障礙(MCI) 」是發展至阿茲海默型失智症的高風險因子之一,因此被視為「前驅期」。以台灣為例,65歲以上老人推估有近70萬人(684,108)患有MCI,約佔18%,亦即每5.5位老人當中即有一人罹患MCI。MCI被診斷之後5年內發展成失智症的比例高達32%。幸運的是,根據近期發表在不同知名期刊的臨床研究證據皆指出(包括刺胳針 [1]),在MCI階段如果開始進行不同的藥物或非藥物治療介入、適合的生活型態管理、良好的心理健康維持、血壓與血糖的控制等,MCI發展成阿茲海默型失智症的風險可大幅降低。然而,患有MCI的老人通常不會察覺到此種在認知功能已經產生些微障礙的病症,因而不會主動前往醫療院所就診尋求醫療建議,也因此錯失了在MCI階段進行早期介入治療的黃金機會。此外,目前臨床上以問診,搭配神經心理(或神經認知)量表測驗,日常生活功能量表自我評估等方式為主,進行輕度認知障礙的診斷,缺乏客觀生理特徵變化的佐證,常使此類高風險個案低估未來轉換成失智症的風險。 解決醫學臨床痛點,研發失智症前驅期腦波檢測系統 為解決此痛點,劉益宏教授自2017年起,就開始與蔡佳芬醫師(台北榮民總醫院精神醫學部老年精神科主任)及吳建德准教授(東京大學國際神經智能研究中心)針對阿茲海默失智症(AD)與輕度認知障礙(MCI)的腦波AI輔助診斷進行研究。劉教授在最核心的AI演算法部分研發了腦波多重非線性特徵解碼技術,並利用機器學習演算法自動鑑定出大腦最具MCI敏感性的關鍵腦區,最後再利用自行開發優於過去方法的腦波分類演算法方法將腦波特徵自動分類。透過80位受試者腦波分析與驗證,達到了90%的MCI判讀準確率,相關研究成果已陸續發表3篇國際期刊論文 [2-4],在當今全球MCI腦波研究上,取得了準確率的領先。 整個輕度認知障礙腦波AI輔助系統包括三大部分,包括感測端、硬體端、軟體端。首先,利用置於頭皮表面的電極來量測腦波(感測器端),接著利用腦波機(硬體端)將腦波類比訊號進行處理,最後將腦波數位訊號傳送到電腦端經由AI演算法解碼與分類(軟體端),最終輸出檢測結果,即完成了整個腦波量測與判讀流程。整套系統具有方便(僅需要配戴8顆電極)、安全(非侵入式量測且無傷害)、快速(僅需量測120秒腦波)、準確(已達到90%以上的MCI與AD偵測率)等優點。相較於其他神經造影方式(例如功能性磁振造影 functional MRI),劉教授所研發的系統具有更低價、更快速、更方便攜帶之優勢,非常適合用於MCI之快速篩檢。此技術之優越性可從競爭對手分析得知: 不論是在美國FDA還是台灣TFDA,目前皆沒有腦波輔助診斷輕度認知障礙之醫療器材上市。 新創接棒產品化、指標醫學中心驗證,完成技術落地最後一哩路 本項研發成果中之部分關鍵技術於2017年榮獲科技部「創新創業計畫(FITI)」競賽首獎「創業傑出獎」。為了進一步完成技術落地之最後一哩路,劉益宏教授於2019年創辦了「宏智生醫科技股份有限公司」,並獲得電子大廠仁寶電腦增資1億元。透過腦波處理電路與演算法之技術授權,讓新創公司得已在大學實驗室研究成果之上進行產品化。在兩年間完成了醫療級腦波機的安規認證、GMP廠之建置,並取得了美國FDA (510K)與台灣TFDA的二類醫材上市許可, 締造了國產腦波機取得上市許可之紀錄。同時,已透過新創公司與北部各醫學中心合作,吸引了許多精神科與神經內科主任級醫師參與,包括長庚醫院精神科與神經內科 (林口、基隆、土城)、臺大醫院精神科、台北三軍總醫院神經內科、台北榮總精神醫學部等六家醫院,締造了台灣最大規模的失智症腦波大數據收集與驗證之紀錄,預計將在明年2022年 中期完成至少500例受試者之失智症腦波數據庫,屆時將可利用此大數據進行更為精確之失智症與輕度認知障礙輔助診斷腦波AI判讀模型訓練與優化。再結合宏智生醫科技自行開發並已取得醫材上市許可之腦波機、雲端運算平台,即完成了整個「失智症前驅期腦波AI輔助診斷系統」,完成TFDA/FDA智慧醫材認證後,即可上市成為輔助醫師進行快速診斷之好幫手,亦可在智慧醫材競爭舞台上取得先機,佔有廣大市場。 參考資料: 1. Livingston, G.; Huntley, J.; Sommerlad, A.; Ames, D.; Ballard, C.; Banerjee, S.; Brayne, C.; Burns, A.; Cohen-Mansfield, J.; Cooper, C.; et al. Dementia prevention, intervention, and care: 2020 report of the Lancet Commission. Lancet 2020, 396, 413–446 2. Y. T. Hsiao, C. T. Wu, C. F. Tsai, Y. H. Liu, T. -T. Trinh, C. Y. Lee, ”EEG-based Classification between individuals with mild cognitive impairment and healthy controls using conformal kernel-based fuzzy support vector machine,” International Journal of Fuzzy Systems, 2021. 3. T. -T. Trinh, C. F. Tsai, Y. T. Hsiao, C. Y. Lee, C. T. Wu, Y. H. Liu, ”Identify-ing individuals with mild cognitive impairment using working memory in-duced intra-subject variability of resting-state EEGs,” Frontiers in Computa-tional Neuroscience, vol. 15, 2021. 4. Y. T. Hsiao, C. F. Tsai, C. T. Wu, T. -T. Trinh, C. Y. Lee, Y. H. Liu, “MCI De-tection using kernel eigen-relative-power features of EEG signals,” Actuators, vol. 10, 2021.

研究團隊合影左起為基隆長庚醫院精神科陳志根教授級主治醫師、台北榮民總醫院精神醫學部老年精神科蔡佳芬主任、臺灣科技大學機械工程系劉益宏教授、科技部工程司李志鵬司長、宏智生醫科技股份有限公司翁宗斌董事長、宏智生醫科技股份有限公司陳威昌總經理


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World-leading, Innovative  A New Electroencephalography-Aided Diagnosis System for Rapid and Accurate Screening of Alzheimer’s Disease and Its Prodromal – Mild Cognitive Impairment.





主文來源:科技部_工程技術研究發展司 ECDA資料中心編輯