当大脑设备出现问题时：深部脑刺激器 (DBS) 出现故障的患者被送往急诊室

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摘要

一名 50 多岁的男子因帕金森症状急剧恶化而被送往急诊室，表现为四肢僵硬、广泛震颤、舞蹈样运动障碍、构音障碍、强烈悲伤和严重枕叶头痛。在排除突发性帕金森病的常见差异（例如感染、药物改变）后，发现患者的深部脑刺激器出现错误。当病人被转移到专科中心以便程序员重置设备设置后，他的症状才得到缓解。由于病房内与 COVID-19 相关的床压，患者接受专家治疗的时间有所延迟，这凸显了在设备错误紧急管理方面进行非专业培训的必要性。

背景

临床网络危机是由医疗设备故障导致的患者紧急情况。在过去二十年中，新的医疗技术以指数速度发展——从植入心脏设备到可以监测血糖的手机应用程序。尽管有大量研究强调新设备的好处，但很少关注故障设备对患者的影响。最重要的是，我们缺乏针对因植入设备故障而面临危机的临床医生的教育和研究材料。

植入式医疗设备的性能可能会以多种方式受到损害，例如恶意或非恶意黑客攻击导致的硬件或软件故障；或者由于受到环境电磁辐射 (EM) 影响的连接功能中断。 Rahimpour等人的研究发现，深部脑刺激器 (DBS) 的性能可能会受到常见家用电器（包括吹风机和安全门）的电磁辐射的影响。此外，网络安全研究人员已经证明了植入式医疗设备的安全局限性，如果被利用，可能会给患者带来严重后果。现有的遥测设备黑客攻击案例研究包括使用射频发射器绕过胰岛素泵的安全性，这可能会对患者造成致命影响。

两年前，达梅夫等人设计了第一个“网络危机”临床培训模拟，其中医疗保健从业者的任务是治疗因植入硬件错误而遭受临床综合症的患者。他们的研究结果表明，在面对设备并发症时，临床理解的缺失，迫切需要提高认识，以便从业者能够将这些考虑因素纳入他们的差异化分析中。我们的论文重点关注因星展银行失败而引发的新型网络危机。通过我们的工作，我们的目标是提高对这些设备错误的认识，并促进生物工程和医学界之间就生物技术综合症主题进行更广泛的研究和合作。

星展科技

DBS 是一种植入物，可将电脉冲发送到受疾病过程影响的大脑特定区域，从而针对患者的症状（例如帕金森病中的震颤）进行治疗。该设备由植入上胸部的脉冲发生器组成，电流通过绝缘电线传输到颈部和头皮皮肤下，到达大脑内的目标部位。

20 世纪 80 年代，长期脑刺激作为帕金森病患者手术的替代疗法出现，并已用于超过 100,000 名患者。近年来，人们对这些形式的“神经技术”（描述与神经解剖学接口的计算设备的总体术语）的兴趣激增。Youngerman等人描述了神经技术在医学中越来越多地采用用于治疗一系列“新兴适应症”，包括双相情感障碍、抑郁症和强迫症等疾病。根据“大脑计划”，美国军方的研究部门——国防高级研究计划局开发了脑植入物，用于治疗创伤后应激障碍、焦虑症和创伤性脑损伤等疾病。近年来，神经技术已经扩展到医疗保健领域之外，消费市场的公司（例如神经游戏行业）以及 Neuralink 等公司正在开发界面。

星展银行错误

这些技术在社会上的普及增加了临床医生遇到患有技术并发症的患者的可能性。此类主诉可能会出现一系列复杂的临床现象，文献中描述的 DBS 错误数量不断增加就说明了这一点。将不适当的电信号引入大脑会产生深远的影响，有可能在患者的任何生理系统中显现出来。个别报告描述了 DBS 并发症对自主神经功能的影响，包括一名患者出现发烧和心动过速，并接受脓毒症治疗，直到发现 DBS 错误为止。进一步的病例报告已确定 DBS 并发症导致运动功能丧失、眼睑痉挛、精神现象和新的临床症状，例如“Twiddler 综合征”（患者操纵电线系统）。

DBS 技术的加速采用很大程度上与这些设备的连接性的改善有关。自 2013 年以来，神经刺激器除了能够将模拟电流导入大脑之外，还能够读取神经信号。这些设备的连接提供了对患者进行长期神经记录并改善个人护理的机会。然而，连接性的增强也带来了新的安全漏洞，包括“脑劫持”（Pycroft 等人创造的术语，指未经授权控制电子大脑植入物）的风险，引发了有关大脑数据隐私的问题。

Pycroft等人在对大脑设备网络安全的审查中报告说，恶意黑客攻击不一定要特别复杂才能造成伤害；一旦神经安全被破坏，就会存在多种劫持机制。电压/电流、频率、脉冲宽度和电极接触的操作都可以改变以影响患者。此外，研究人员在文章中提供了 DBS 技术可能的神经安全攻击类型表，包括电池耗尽、过度充电刺激、数据盗窃和电压操纵。此类有针对性的攻击可能会导致运动功能受损、冲动控制改变、情绪或情感改变、疼痛诱发和奖赏调节。

案例展示

该患者是一名 50 多岁的男性，半夜因帕金森症状急剧恶化而被送往急诊室。该患者 15 年前被诊断出患有帕金森氏症，通过左旋多巴和 5 年前植入的 DBS 联合治疗，他的强直和震颤症状通常得到了很好的控制。

当天晚上，患者报告说他的药物不再有效，而且他的症状比之前的经历更加严重；他表现出严重的运动障碍，四个肢体以每秒大约三次的速度剧烈摇晃。他出汗，说话困难，运动障碍伴有广泛的僵硬和颤抖。患者还报告了剧烈的枕骨头痛，并伴有恶心，并且在就诊期间表达了强烈的悲伤和情绪困扰。

对患者呼吸、心血管和腹部系统的检查没有显示出进一步的病理学，但是，注意到患者的左侧胸区存在患者的神经刺激器。神经刺激器位于皮下，与称为“患者编程器”的远程设备进行通信，这是一种遥测遥控器，可以与神经刺激器同步并更改设置。不幸的是，因为我们不是患者的当地团队，所以我们无法访问他以前的医疗记录，也不了解该设备的特性。

检查和鉴别诊断

最初，我们考虑了可能导致帕金森病急性恶化的常见鉴别诊断：左旋多巴引起的运动障碍、潜在的并发疾病（例如，COVID-19），或者考虑到他新发头痛的严重程度，颅内出血。我们的初步调查对这些诊断几乎没有提供任何指导，患者的炎症和感染标记物在正常参数范围内，并且他的额外床边检查（COVID-19 拭子、尿检和心电图）也正常。唯一的异常是患者的肌酸激酶（1453），被认为与他广泛的运动机能亢进相关的肌肉衰竭有关。CT 脑部扫描并未显示出急性事件；然而，它把我们的注意力引向了原位双侧 DBS 装置（图 1）。

图1

CT 图像显示深部脑刺激器 (DBS) 导线在大脑中的位置。

大部分正常的血液测试和成像结果表明，通常的生理检查可能无法捕获硬件故障。此外，当存在设备时，可能需要对调查进行不同的解释，尤其是关于心电图。使用 DBS 记录患者的心电图轨迹可以停用胸部的神经刺激器，这表明这些患者需要进行量身定制的检查，以确保所执行的评估适合其设备背景。此外，神经刺激器的存在可能会在心电图上引入伪影，扭曲轨迹并干扰心脏症状的有效评估。

对于生物技术综合症，调查需要从患者扩展到设备本身。为了了解设备故障，该团队在谷歌上对患者程序员进行了反向图像搜索，并找到了该设备的用户手册。在浏览设备用户手册时，我们能够解释设备上的错误消息，该消息表明神经刺激器已不同步。

治疗

由于我们的患者于 0200 就诊，我们可以获得的专业知识有限。我们直接与专家单位沟通；然而，在值班时间内没有完整的团队和技术专家。对于我们病情严重的患者来说，缺乏适当的医疗和规划专业知识是我们可以提供的护理的一个重大限制。我们的首要任务是在获得专家关注之前在间歇期对患者进行管理，强调了非专业紧急培训在设备故障方面的重要性。

我们的第一个挑战是技术挑战。过去没有处理过类似的案例，我们对该设备不熟悉，并且有一些简单的设计问题可以解决。例如，设备控制器有两个外观相似的电源按钮。鉴于一个按钮打开编程器，而另一个按钮终止治疗，对突出两个按钮作用的设计进行简单改进对于非专家来说将是有用的。

在专家团队的电话协助下，尝试使用科室的患者程序员重新配置设备。不幸的是，这些尝试失败了，我们无法解决患者的症状。中间治疗中，他接受了静脉输液、镇痛药和苯二氮卓类药物治疗，但对改善症状效果有限。由于与 COVID-19 相关的床位压力，将患者转移到专科医院的时间被推迟。一旦安排好转移并且程序员可以照顾患者，DBS 设置的纠正立即解决了患者的症状。

结果和后续行动

症状消失后，患者在专科医院住院了几天，在此期间，我们对设备错误的原因进行了调查。经检查，DBS 设置似乎已被无意重置，一旦恢复正确的电压和频率设置，患者的病情立即得到改善。DBS 设置发生变化的原因尚不清楚，这些设置只能使用临床医生的编程器来调整，而不是患者家里的编程器。因此，参数不可能在临床环境之外发生变化。出院后，患者恢复到之前的功能基线，他的症状通过常规药物和重新配置 DBS 硬件得到控制。

讨论

尽管患者需要并且应该获得这些技术，但他们也需要医疗专业人员在设备出现故障并且他们寻求帮助时能够为他们提供帮助。目前，临床医生很少接受过有关植入设备故障的医学表现的培训；如果我们要为患者提供最好的护理，就需要紧急关注这一疏忽。通过我们患者的案例，我们强调了这一研究领域的重要性，并提出了与我们的大脑和思想互动的技术引发的新的伦理问题。

传统的病史采集不包含患者的数字病史。此类历史记录可能包括有关患者使用消费者或处方医疗保健技术、暴露于电磁辐射源（例如，在访问放射科、飞行或通过机场安检门后出现症状）或之前参与生物黑客活动的信息做法。就我们的患者而言，数字历史记录将涉及设备型号、可能的故障和电磁辐射源暴露的详细信息。在这个阶段，我们还可以考虑数字“危险信号”。如果我们的团队知道描述 DBS 电压变化如何诱发不同情绪状态的研究，那么患者的强烈悲伤可能会被认为是 DBS 失败的指示症状。

在对患者进行初步评估后，我们发现调查对于病理来源几乎没有提供任何指导。这主要是因为医学调查是专门为调查人类生理学而设计的——我们不知道人为设备错误如何在我们的标准血液检测中出现。我们看到了正常的检查——除了与持续的运动机能亢进终点症状相关的 CK 升高之外。在缺乏传统调查所捕获的解释的情况下，症状和恶化应该会增加临床对植入硬件故障的怀疑。例如，在心肌酶没有生化变化的情况下出现胸痛和心电图变化，可能表明起搏器有故障。此外，我们的调查受到技术技能的限制，如果有值班程序员来解决设备错误，患者护理将会得到改善。作为临床医生，我们对该设备、其故障机制以及可用的管理选项缺乏了解。

缺乏描述因人类生理学和解剖学技术操作而产生的生物综合症的研究。鉴于 DBS 市场的预期扩张和公民生物黑客社区的增长，我们可以预期生物技术综合症将变得更加普遍。就神经技术而言，Denning等人讨论了自我黑客行为（患者试图自行开药以提高情绪或增加奖励中心的激活）和恶意黑客行为，其中黑客试图对刺激疗法进行恶意编程。目前，对于哪些治疗方案对这些患者最有效还没有明确的指导，例如，当病理来源是金属植入物时，癫痫药物是否有效？我们的案例凸显了当前临床知识中的这一差距，因为它与紧急情况和严重不适患者的案例有关。

案件发生后，我们的团队向美国“食品和药物管理局”(FDA) 和英国“药品和保健品监管机构”(MHRA)（药品和植入设备的国家监管机构）报告了设备错误，这是一个自愿过程，临床医生很少接受培训。虽然医疗设备的普及在过去十年中呈指数级增长，但我们的指南并没有以平行的速度发展。通过将教育材料纳入医学课程并将以技术为中心的模拟课程引入培训途径，医疗保健从业者将受益于生物技术综合症的有针对性的教学。通过对临床医生进行有关这些问题的教育，我们可以确保不会错过这些患者，被错误诊断或缺乏医疗护理。为了确保最佳实践，我们迫切需要对生物技术综合症进行更多研究，改进网络危机的临床培训，以及能够有效应对此类情况的全面医院政策。

学习要点

• 生物技术综合症和网络危机可能会出现一系列临床现象，并且需要将设备故障或黑客攻击添加到诊断差异中。
• 虽然医疗设备日益增强的连接性可能会改善个性化护理，但由于可能存在网络安全漏洞，它们也带来了新的风险。
• 网络危机应急管理需要纳入医学教育和临床培训。
• 在缺乏传统调查所捕获的解释的情况下，症状和临床恶化应该会增加临床对植入硬件故障的怀疑。
• 迫切需要对计算设备和人类生理学交叉点产生的演示进行更广泛的跨学科研究。