基于脊髓磁刺激的脑脊接口为哪般

脊髓磁刺激（ts-MS）概述

经脊髓磁刺激ts-MS是一种非侵入性神经调控技术，通过放置在腰椎上方的圆形磁刺激线圈，产生磁场穿透脊椎，激活脊髓神经根或脊髓本身，进而诱发下肢肌肉收缩（如胫骨前肌，TA）。

HUIYING

基于脊髓磁刺激的脑脊接口概述

定义：

基于脊髓磁刺激的脑脊接口（BSI） 是一种闭环神经接口系统，通过实时解码大脑运动意图（如运动想象），控制脊髓磁刺激的触发，实现“脑-脊-肌”通路的 artificial 连接。

系统设计（图1）：

脑电采集：32通道EEG，聚焦运动皮层（C3, C4, Cz等）；

信号处理：

中值滤波去除磁刺激伪迹；

空间滤波（OSF）增强运动相关节律（7–15 Hz）；

滑动窗口计算功率特征；

分类器：线性判别分析（LDA）区分“休息”与“运动想象”；

闭环控制：检测到运动想象时触发 20 Hz ts-MS；

适应性更新：实时更新特征归一化参数以适应信号非平稳性。

图1: 基于脊髓磁刺激的BSI系统工作原理与实验设置示意图

图1展示了整个实验的设置与脑脊接口的工作流程。左侧（图1A部分）为物理实验场景，描绘了一名参与者头戴EEG帽坐在椅子上，腰椎上方放置着磁刺激线圈，右腿胫骨前肌贴有EMG电极，并注明了四种刺激条件（20%、30%、40% MSO及假刺激）。右侧（图1B部分）以时序信号图的形式，逐步演示了实时闭环控制的完整过程：从包含刺激伪迹的原始EEG信号开始，经过中值滤波去除伪迹、空间滤波提取感觉运动节律（7-15 Hz）、计算归一化功率并设定阈值，最终在检测到运动想象（功率低于阈值）时触发20 Hz的经脊髓磁刺激，并在下方的EMG信号中显示出随之诱发的运动诱发电位（ts-MEP）。

刺激触发详细过程（图1B）：

任务提示：最上方的条带显示“休息”和“运动想象”的时段。

原始EEG：显示包含ts-MS引起的高幅度尖峰伪迹的原始脑电信号。

中值滤波后EEG：展示经过中值滤波处理后的信号，可见刺激伪迹被有效去除，保留了感觉运动节律的振荡。

感觉运动节律：显示滤波后提取出的7-15Hz的alpha节律信号。

归一化功率：显示alpha节律的功率值，当功率下降并超过阈值时，表明发生了事件相关去同步化，即运动皮层激活。

BSI解码输出：系统根据功率阈值判断，在运动想象期间输出“高”电平，触发刺激器。

ts-MS脉冲：显示被触发的20Hz磁刺激脉冲序列。

TA肌电信号：展示胫骨前肌记录的EMG信号。可以清晰看到每50ms出现一次的刺激伪迹，以及在刺激后约15ms出现的经脊髓运动诱发电位（ts-MEP）。

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临床研究

研究方法：

参与者：10名健康成人，无神经疾病。

实验流程：

筛查阶段：2组20 trial，用于训练分类器。

闭环刺激阶段：12组20 trial，4种刺激条件（3种强度 + 假刺激），随机顺序。

评估指标：

解码准确率（TPR/TNR）

• 真阳性率：系统在参与者进行运动想象时，正确触发刺激的概率。
• 真阴性率：系统在参与者处于休息状态时，正确保持静默的概率。
• 平衡准确率：TPR与TNR的平均值，是衡量二分类模型整体性能的综合性指标疼痛感：评估刺激引起的直接生理疼痛程度。

ts-MEP 和 ts-SEP 振幅

• ts-MEP 振幅：评估下行运动通路的激活程度。振幅越大，代表经脊髓磁刺激激活的运动神经元越多，引发的肌肉收缩反应越强。
• ts- SEP 振幅：评估上行感觉通路的激活程度。振幅越大，代表刺激产生的感觉信号越强，成功上传至大脑感觉皮层。

用户可用性（疼痛、不适、注意力评分）

疼痛感：评估刺激引起的直接生理疼痛程度。

• 不适感：评估刺激引起的整体不愉快感受，可能包括肌肉抽搐、皮肤感觉异常等。
• 注意力集中难度：评估在施加刺激的情况下，使用者专注于运动想象任务的困难程度。

研究结果：

神经生理效应：成功激活下行与上行通路

这是证明BSI有效的直接证据。如图2所示，研究测量了两种关键的诱发电位：

图2：脑脊接口的神经生理学效应与用户体验评估

图2通过简图与数据证明了脑脊接口对神经系统的全面激活，关键点在于显示经脊髓磁刺激不仅强度依赖性地激活了下行运动通路（引发振幅递增的经脊髓运动诱发电位），同时也激活了上行感觉通路（引发振幅递增的经脊髓体感诱发电位），并且用户主观评分表明虽然高强度刺激带来更多不适，但所有强度均在可耐受范围内。

经脊髓运动诱发电位（ts-MEP）：反映了下行运动通路的激活。

图2B & 2C：结果显示，ts-MEP（经脊髓运动诱发电位。它是在对脊髓进行磁刺激后，在目标肌肉（如本研究中的胫骨前肌）上记录到的电信号）的振幅随着刺激强度的增加而显著增大。这表明BSI系统能够以强度依赖的方式有效激活脊髓运动神经元，成功引起目标肌肉的收缩。

经脊髓体感诱发电位（ts-SEP）：反映了上行感觉通路的激活。

图2E & 2F：同样，ts-SEP（经脊髓体感诱发电位。它是在对脊髓进行磁刺激后，从大脑皮层（通常是感觉皮层，如本研究中使用的CPz电极）记录到的电信号）的振幅也随刺激强度增加而显著增大。这说明ts-MS不仅激活了运动纤维，也激活了感觉纤维，信号成功上传至大脑感觉皮层。

结论：BSI成功实现了 “脑-脊-肌” 和 “脊-脑” 的双向连接，模拟了自然运动中的控制与反馈循环，这对于诱导促进运动学习的神经可塑性至关重要。

系统性能：稳健的闭环解码能力

解码准确率：在所有7名能产生有效运动想象脑电信号的受试者中，BSI的平均解码准确率在不同刺激条件下均显著高于随机水平（约65%）。

图3：刺激伪迹去除效果验证

该图通过信号对比和性能统计验证了中值滤波算法的关键作用，关键点在于证明了未经滤波的刺激伪迹会严重污染脑电信号并导致解码失败，而应用中值滤波能有效去除伪迹、还原真实的事件相关去同步化模式，从而在所有刺激强度下显著提升解码准确率，是实现稳健闭环控制的技术基石。

关键发现：如图3D所示，中值滤波对维持高解码精度至关重要。在没有滤波的情况下，刺激伪迹会严重扭曲EEG信号，导致解码准确率暴跌；而使用滤波后，准确率在所有刺激强度下均得到显著恢复和保持。这证明了该系统在处理严重干扰方面具有强大的鲁棒性。

无强度影响：解码准确率在不同刺激强度（包括假刺激）之间没有显著差异。这表明，系统的“意图识别”能力是稳定的，不受刺激本身物理效应的干扰。

安全性与可用性：良好的用户接受度

图2G展示了受试者对疼痛、不适和注意力难度的主观评分。

结果：随着刺激强度的增加，受试者报告的不适感和注意力难度有所上升，但所有评分均未达到极高水平。

结论：所有受试者均完成了实验，且未报告任何不良事件。这表明该BSI系统在健康成年人中是安全且可耐受的，为后续在患者群体中应用提供了重要依据。

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总结

本研究首次提出并验证了一种全非侵入性脑脊接口，实现了基于EEG运动意图解码的实时脊髓磁刺激控制。系统具备以下特点：

可行性高：在健康人中验证了闭环控制的可行性与安全性。

神经调控能力强：可同时激活感觉与运动通路，具备诱导神经可塑性的潜力。

抗干扰能力强：中值滤波有效去除刺激伪迹，保证了解码稳定性。

临床转化前景：为下肢瘫痪患者的步态康复提供了新型非侵入性治疗工具。

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回映产品

产品1：便携无创脑脊接口设备（可ODM定制开发）

回映这款非侵入性脑脊接口整机设备是一个高度集成的闭环神经调控系统，其核心工作流程始于一个配备32个电极的便携式脑电帽，用于无创采集用户大脑感觉运动皮层的神经信号。这些信号被实时传输至内置的信号处理与计算单元，该单元运行着先进的机器学习算法（线性判别分析，LDA），能够从特定的脑电节律（μ波和β波）中持续解码出下肢的运动意图，并将其量化为一个实时的“运动概率”。一旦该概率值超过预设阈值，计算单元会即刻向经皮脊髓电刺激器发出触发指令。刺激器则通过精准贴附于使用者背部T10脊髓节段和腹部的电极，输送出与运动意图同步的、特定参数（如30Hz，10-15mA）的电刺激，以激活脊髓神经网络，辅助运动完成。整个系统通过统一的硬件同步机制，确保了从“意念识别”到“脊髓刺激”整个环路的时间精度，最终形成一个由“大脑意图驱动、脊髓刺激辅助”的一体化康复设备，旨在通过这种精准的闭环干预促进脊髓损伤患者的神经功能重塑与运动功能恢复。

便携无创脑脊接口设备示意图

产品2：手持式经皮脊髓神经电刺激(tSCS)

本设备采用经皮脊髓电刺激（transcutaneous Spinal Cord Stimulation, tSCS）技术，是一种基于生物电调控原理的非侵入性神经调控系统。其核心技术特征为：通过高频载波信号的低频脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation, PAM），在保证刺激深度的同时显著降低皮肤阻抗带来的不适感。刺激电流经体表电极耦合至目标脊髓节段，可选择性激活脊髓后柱神经通路及中间神经元网络。

从临床应用维度，本系统具有多节段调控能力：颈段tSCS通过调节颈膨大（C5-T1）神经环路，可有效改善中枢性上肢运动功能障碍；腰骶段tSCS作用于腰膨大（L1-S2）神经中枢，能促进下肢运动功能重建（包括直立位平衡及步态训练），同时通过门控机制实现疼痛调控。现有循证医学证据支持其在慢性脊髓损伤康复、神经源性膀胱管理及急性痛症干预等领域的辅助治疗价值。

回映经皮脊髓电刺激tSCS设备示意图

产品3：48通道8脑区同步高精度经颅电刺激设备

回映电子科技院线级多脑区高精度经颅电刺激设备(MXN-48)是一款可8脑区/8人同步干预的高精度经颅电刺激实验平台。其已突破了Soterix对该技术的垄断(Soterix产品Soterix MXN-33 高精度经颅电刺激系统其之前是市面上唯一款可对不同脑区进行同步精确干预的设备)回映高精度经颅电刺激产品M×N-48其具有48个独立输出通道，每个通道的波形，强度等参数都可以独立设置，可以实现对8个不同脑区的同步干预，不同脑区的相位同步性<0.1°，大大增强了tES的神经调控效果。回映高精度经颅电刺激设备提供了两种不同的操作模式以供研究者选择——基础模式和自由模式。基础模式使用更加方便，设定简单；自由模式则允许导入自定义电流波形，功能更加强大。
回映自研 48通道8脑区同步高精度经颅电刺激设备
适用范围：康复医学：运动功能障碍、语言障碍、认知障碍、吞咽障碍、意识障碍、上肢肌张力障碍、卒中后抑郁、卒中后疼痛等精神病学：抑郁症、焦虑症、强迫症、物质成瘾、创伤后应激障碍﹑精神分裂症等儿童康复：脑瘫、运动功能障碍、注意缺陷多动障碍、孤独症、阅读障碍、语言发育迟缓等神经病学：睡眠障碍、耳鸣、慢性疼痛、帕金森病、纤维肌痛、慢性疼痛(脊髓损伤下肢)、阿尔茨海默病、单侧忽略﹑偏头痛、神经性疼痛等脑科学研究：记忆、学习、言语等

产品4：手持式高精度经颅电刺激HD-tES设备

回映便携式高精度经颅电刺激仪(HD-tES)创新地采用type-C转生物电极的设计使得产品能够非常便捷地被使用。回映便携式高精度经颅电刺激仪(HD-tES)通过多电极配置(1个中心电极和4个返回电极)实现高精度电流聚焦,精准刺激目标脑区。其核心优势在于通过缩小电极尺寸(直径12mm的环形电极)和增加电极数量,显著提升刺激的聚焦性和精准性。
回映HD-tES支持多模式刺激,覆盖多场景需求：HD-tDCS模式：调节皮层兴奋性,适用于中风康复、抑郁症干预等。HD-tACS模式：精准锁定脑电频段(如β-γ频段改善强迫症,4Hz增强工作记忆)适配认知障碍治疗等。HD-tRNS模式：HD-tRNS 对显式和隐式计时任务的影响不同,用于研究大脑的计时机制和时间处理能力等。

回映便携式HD-TES设备示意图

回映自研type-C转生物电极示意图
适用范围:神经系统疾病治疗，意识障碍和认知功能调节，康复治疗，运动和认知功能恢复。产品5：便携式经颅强交流电刺激仪(Hi-tACS)
该设备采用非侵入性的10-30mA刺激电流直接刺激大脑区域，进而刺激大脑深部的神经核团、改变神经递质水平，影响脑电节律、改善脑区间的联络，从而增强脑功能，治愈疾病。

回映便携式经颅强交流电刺激仪设备示意图