脊髓磁刺激（ts-MS）概述

經脊髓磁刺激ts-MS是一種非侵入性神經調控技術，通過放置在腰椎上方的圓形磁刺激線圈，產生磁場穿透脊椎，激活脊髓神經根或脊髓本身，進而誘發(fā)下肢肌肉收縮（如脛骨前肌，TA）。

HUIYING

基于脊髓磁刺激的腦脊接口概述

定義：

基于脊髓磁刺激的腦脊接口（BSI） 是一種閉環(huán)神經接口系統(tǒng)，通過實時解碼大腦運動意圖（如運動想象），控制脊髓磁刺激的觸發(fā)，實現(xiàn)“腦-脊-肌”通路的 artificial 連接。

系統(tǒng)設計（圖1）：

腦電采集：32通道EEG，聚焦運動皮層（C3, C4, Cz等）；

信號處理：

中值濾波去除磁刺激偽跡；

空間濾波（OSF）增強運動相關節(jié)律（7–15 Hz）；

滑動窗口計算功率特征；

分類器：線性判別分析（LDA）區(qū)分“休息”與“運動想象”；

閉環(huán)控制：檢測到運動想象時觸發(fā) 20 Hz ts-MS；

適應性更新：實時更新特征歸一化參數(shù)以適應信號非平穩(wěn)性。

圖1: 基于脊髓磁刺激的BSI系統(tǒng)工作原理與實驗設置示意圖

圖1展示了整個實驗的設置與腦脊接口的工作流程。左側（圖1A部分）為物理實驗場景，描繪了一名參與者頭戴EEG帽坐在椅子上，腰椎上方放置著磁刺激線圈，右腿脛骨前肌貼有EMG電極，并注明了四種刺激條件（20%、30%、40% MSO及假刺激）。右側（圖1B部分）以時序信號圖的形式，逐步演示了實時閉環(huán)控制的完整過程：從包含刺激偽跡的原始EEG信號開始，經過中值濾波去除偽跡、空間濾波提取感覺運動節(jié)律（7-15 Hz）、計算歸一化功率并設定閾值，最終在檢測到運動想象（功率低于閾值）時觸發(fā)20 Hz的經脊髓磁刺激，并在下方的EMG信號中顯示出隨之誘發(fā)的運動誘發(fā)電位（ts-MEP）。

刺激觸發(fā)詳細過程（圖1B）：

任務提示：最上方的條帶顯示“休息”和“運動想象”的時段。

原始EEG：顯示包含ts-MS引起的高幅度尖峰偽跡的原始腦電信號。

中值濾波后EEG：展示經過中值濾波處理后的信號，可見刺激偽跡被有效去除，保留了感覺運動節(jié)律的振蕩。

感覺運動節(jié)律：顯示濾波后提取出的7-15Hz的alpha節(jié)律信號。

歸一化功率：顯示alpha節(jié)律的功率值，當功率下降并超過閾值時，表明發(fā)生了事件相關去同步化，即運動皮層激活。

BSI解碼輸出：系統(tǒng)根據功率閾值判斷，在運動想象期間輸出“高”電平，觸發(fā)刺激器。

ts-MS脈沖：顯示被觸發(fā)的20Hz磁刺激脈沖序列。

TA肌電信號：展示脛骨前肌記錄的EMG信號?？梢郧逦吹矫?0ms出現(xiàn)一次的刺激偽跡，以及在刺激后約15ms出現(xiàn)的經脊髓運動誘發(fā)電位（ts-MEP）。

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臨床研究

研究方法：

參與者：10名健康成人，無神經疾病。

實驗流程：

篩查階段：2組20 trial，用于訓練分類器。

閉環(huán)刺激階段：12組20 trial，4種刺激條件（3種強度 + 假刺激），隨機順序。

評估指標：

解碼準確率（TPR/TNR）

• 真陽性率：系統(tǒng)在參與者進行運動想象時，正確觸發(fā)刺激的概率。
• 真陰性率：系統(tǒng)在參與者處于休息狀態(tài)時，正確保持靜默的概率。
• 平衡準確率：TPR與TNR的平均值，是衡量二分類模型整體性能的綜合性指標疼痛感：評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：評估下行運動通路的激活程度。振幅越大，代表經脊髓磁刺激激活的運動神經元越多，引發(fā)的肌肉收縮反應越強。
• ts- SEP 振幅：評估上行感覺通路的激活程度。振幅越大，代表刺激產生的感覺信號越強，成功上傳至大腦感覺皮層。

用戶可用性（疼痛、不適、注意力評分）

疼痛感：評估刺激引起的直接生理疼痛程度。

• 不適感：評估刺激引起的整體不愉快感受，可能包括肌肉抽搐、皮膚感覺異常等。
• 注意力集中難度：評估在施加刺激的情況下，使用者專注于運動想象任務的困難程度。

研究結果：

神經生理效應：成功激活下行與上行通路

這是證明BSI有效的直接證據。如圖2所示，研究測量了兩種關鍵的誘發(fā)電位：

圖2：腦脊接口的神經生理學效應與用戶體驗評估

圖2通過簡圖與數(shù)據證明了腦脊接口對神經系統(tǒng)的全面激活，關鍵點在于顯示經脊髓磁刺激不僅強度依賴性地激活了下行運動通路（引發(fā)振幅遞增的經脊髓運動誘發(fā)電位），同時也激活了上行感覺通路（引發(fā)振幅遞增的經脊髓體感誘發(fā)電位），并且用戶主觀評分表明雖然高強度刺激帶來更多不適，但所有強度均在可耐受范圍內。

經脊髓運動誘發(fā)電位（ts-MEP）：反映了下行運動通路的激活。

圖2B & 2C：結果顯示，ts-MEP（經脊髓運動誘發(fā)電位。它是在對脊髓進行磁刺激后，在目標肌肉（如本研究中的脛骨前?。┥嫌涗浀降碾娦盘?/strong>）的振幅隨著刺激強度的增加而顯著增大。這表明BSI系統(tǒng)能夠以強度依賴的方式有效激活脊髓運動神經元，成功引起目標肌肉的收縮。

經脊髓體感誘發(fā)電位（ts-SEP）：反映了上行感覺通路的激活。

圖2E & 2F：同樣，ts-SEP（經脊髓體感誘發(fā)電位。它是在對脊髓進行磁刺激后，從大腦皮層（通常是感覺皮層，如本研究中使用的CPz電極）記錄到的電信號）的振幅也隨刺激強度增加而顯著增大。這說明ts-MS不僅激活了運動纖維，也激活了感覺纖維，信號成功上傳至大腦感覺皮層。

結論：BSI成功實現(xiàn)了 “腦-脊-肌” 和 “脊-腦” 的雙向連接，模擬了自然運動中的控制與反饋循環(huán)，這對于誘導促進運動學習的神經可塑性至關重要。

系統(tǒng)性能：穩(wěn)健的閉環(huán)解碼能力

解碼準確率：在所有7名能產生有效運動想象腦電信號的受試者中，BSI的平均解碼準確率在不同刺激條件下均顯著高于隨機水平（約65%）。

圖3：刺激偽跡去除效果驗證

該圖通過信號對比和性能統(tǒng)計驗證了中值濾波算法的關鍵作用，關鍵點在于證明了未經濾波的刺激偽跡會嚴重污染腦電信號并導致解碼失敗，而應用中值濾波能有效去除偽跡、還原真實的事件相關去同步化模式，從而在所有刺激強度下顯著提升解碼準確率，是實現(xiàn)穩(wěn)健閉環(huán)控制的技術基石。

關鍵發(fā)現(xiàn)：如圖3D所示，中值濾波對維持高解碼精度至關重要。在沒有濾波的情況下，刺激偽跡會嚴重扭曲EEG信號，導致解碼準確率暴跌；而使用濾波后，準確率在所有刺激強度下均得到顯著恢復和保持。這證明了該系統(tǒng)在處理嚴重干擾方面具有強大的魯棒性。

無強度影響：解碼準確率在不同刺激強度（包括假刺激）之間沒有顯著差異。這表明，系統(tǒng)的“意圖識別”能力是穩(wěn)定的，不受刺激本身物理效應的干擾。

安全性與可用性：良好的用戶接受度

圖2G展示了受試者對疼痛、不適和注意力難度的主觀評分。

結果：隨著刺激強度的增加，受試者報告的不適感和注意力難度有所上升，但所有評分均未達到極高水平。

結論：所有受試者均完成了實驗，且未報告任何不良事件。這表明該BSI系統(tǒng)在健康成年人中是安全且可耐受的，為后續(xù)在患者群體中應用提供了重要依據。

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總結

本研究首次提出并驗證了一種全非侵入性腦脊接口，實現(xiàn)了基于EEG運動意圖解碼的實時脊髓磁刺激控制。系統(tǒng)具備以下特點：

可行性高：在健康人中驗證了閉環(huán)控制的可行性與安全性。

神經調控能力強：可同時激活感覺與運動通路，具備誘導神經可塑性的潛力。

抗干擾能力強：中值濾波有效去除刺激偽跡，保證了解碼穩(wěn)定性。

臨床轉化前景：為下肢癱瘓患者的步態(tài)康復提供了新型非侵入性治療工具。

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回映產品

產品1：便攜無創(chuàng)腦脊接口設備（可ODM定制開發(fā)）

回映這款非侵入性腦脊接口整機設備是一個高度集成的閉環(huán)神經調控系統(tǒng)，其核心工作流程始于一個配備32個電極的便攜式腦電帽，用于無創(chuàng)采集用戶大腦感覺運動皮層的神經信號。這些信號被實時傳輸至內置的信號處理與計算單元，該單元運行著先進的機器學習算法（線性判別分析，LDA），能夠從特定的腦電節(jié)律（μ波和β波）中持續(xù)解碼出下肢的運動意圖，并將其量化為一個實時的“運動概率”。一旦該概率值超過預設閾值，計算單元會即刻向經皮脊髓電刺激器發(fā)出觸發(fā)指令。刺激器則通過精準貼附于使用者背部T10脊髓節(jié)段和腹部的電極，輸送出與運動意圖同步的、特定參數(shù)（如30Hz，10-15mA）的電刺激，以激活脊髓神經網絡，輔助運動完成。整個系統(tǒng)通過統(tǒng)一的硬件同步機制，確保了從“意念識別”到“脊髓刺激”整個環(huán)路的時間精度，最終形成一個由“大腦意圖驅動、脊髓刺激輔助”的一體化康復設備，旨在通過這種精準的閉環(huán)干預促進脊髓損傷患者的神經功能重塑與運動功能恢復。

便攜無創(chuàng)腦脊接口設備示意圖

產品2：手持式經皮脊髓神經電刺激(tSCS)

本設備采用經皮脊髓電刺激（transcutaneous Spinal Cord Stimulation, tSCS）技術，是一種基于生物電調控原理的非侵入性神經調控系統(tǒng)。其核心技術特征為：通過高頻載波信號的低頻脈沖幅度調制（Pulse Amplitude Modulation, PAM），在保證刺激深度的同時顯著降低皮膚阻抗帶來的不適感。刺激電流經體表電極耦合至目標脊髓節(jié)段，可選擇性激活脊髓后柱神經通路及中間神經元網絡。

從臨床應用維度，本系統(tǒng)具有多節(jié)段調控能力：頸段tSCS通過調節(jié)頸膨大（C5-T1）神經環(huán)路，可有效改善中樞性上肢運動功能障礙；腰骶段tSCS作用于腰膨大（L1-S2）神經中樞，能促進下肢運動功能重建（包括直立位平衡及步態(tài)訓練），同時通過門控機制實現(xiàn)疼痛調控?，F(xiàn)有循證醫(yī)學證據支持其在慢性脊髓損傷康復、神經源性膀胱管理及急性痛癥干預等領域的輔助治療價值。

回映經皮脊髓電刺激tSCS設備示意圖

產品3：48通道8腦區(qū)同步高精度經顱電刺激設備

回映電子科技院線級多腦區(qū)高精度經顱電刺激設備(MXN-48)是一款可8腦區(qū)/8人同步干預的高精度經顱電刺激實驗平臺。其已突破了Soterix對該技術的壟斷(Soterix產品Soterix MXN-33 高精度經顱電刺激系統(tǒng)其之前是市面上唯一款可對不同腦區(qū)進行同步精確干預的設備)回映高精度經顱電刺激產品M×N-48其具有48個獨立輸出通道，每個通道的波形，強度等參數(shù)都可以獨立設置，可以實現(xiàn)對8個不同腦區(qū)的同步干預，不同腦區(qū)的相位同步性<0.1°，大大增強了tES的神經調控效果。回映高精度經顱電刺激設備提供了兩種不同的操作模式以供研究者選擇——基礎模式和自由模式?；A模式使用更加方便，設定簡單；自由模式則允許導入自定義電流波形，功能更加強大。
回映自研 48通道8腦區(qū)同步高精度經顱電刺激設備
適用范圍：康復醫(yī)學：運動功能障礙、語言障礙、認知障礙、吞咽障礙、意識障礙、上肢肌張力障礙、卒中后抑郁、卒中后疼痛等精神病學：抑郁癥、焦慮癥、強迫癥、物質成癮、創(chuàng)傷后應激障礙﹑精神分裂癥等兒童康復：腦癱、運動功能障礙、注意缺陷多動障礙、孤獨癥、閱讀障礙、語言發(fā)育遲緩等神經病學：睡眠障礙、耳鳴、慢性疼痛、帕金森病、纖維肌痛、慢性疼痛(脊髓損傷下肢)、阿爾茨海默病、單側忽略﹑偏頭痛、神經性疼痛等腦科學研究：記憶、學習、言語等

產品4：手持式高精度經顱電刺激HD-tES設備

回映便攜式高精度經顱電刺激儀(HD-tES)創(chuàng)新地采用type-C轉生物電極的設計使得產品能夠非常便捷地被使用?；赜潮銛y式高精度經顱電刺激儀(HD-tES)通過多電極配置(1個中心電極和4個返回電極)實現(xiàn)高精度電流聚焦,精準刺激目標腦區(qū)。其核心優(yōu)勢在于通過縮小電極尺寸(直徑12mm的環(huán)形電極)和增加電極數(shù)量,顯著提升刺激的聚焦性和精準性。
回映HD-tES支持多模式刺激,覆蓋多場景需求：HD-tDCS模式：調節(jié)皮層興奮性,適用于中風康復、抑郁癥干預等。HD-tACS模式：精準鎖定腦電頻段(如β-γ頻段改善強迫癥,4Hz增強工作記憶)適配認知障礙治療等。HD-tRNS模式：HD-tRNS 對顯式和隱式計時任務的影響不同,用于研究大腦的計時機制和時間處理能力等。

回映便攜式HD-TES設備示意圖

回映自研type-C轉生物電極示意圖
適用范圍:神經系統(tǒng)疾病治療，意識障礙和認知功能調節(jié)，康復治療，運動和認知功能恢復。產品5：便攜式經顱強交流電刺激儀(Hi-tACS)
該設備采用非侵入性的10-30mA刺激電流直接刺激大腦區(qū)域，進而刺激大腦深部的神經核團、改變神經遞質水平，影響腦電節(jié)律、改善腦區(qū)間的聯(lián)絡，從而增強腦功能，治愈疾病。

回映便攜式經顱強交流電刺激儀設備示意圖