多點(diǎn)時(shí)域干涉電刺激MTI 概述

MTI 定義

多點(diǎn)時(shí)域干涉電刺激（Multi-Point Temporal Interference, MTI）是一種非侵入性深部腦神經(jīng)調(diào)控技術(shù)。它通過(guò)在兩對(duì)表面電極上同時(shí)施加四路不同頻率的高頻交流電（如1 kHz, 1.01 kHz, 10 kHz, 10.01 kHz），利用這些電流在腦組織內(nèi)傳播并發(fā)生“干涉”的物理特性，在深部腦區(qū)的不同空間位置上獨(dú)立地產(chǎn)生多個(gè)低頻包絡(luò)（如10 Hz）電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)腦區(qū)的同步、選擇性刺激。

圖1 MTI刺激原理示意圖：最核心的概念圖

MTI 的優(yōu)勢(shì)

MTI（多點(diǎn)時(shí)域干涉電刺激）技術(shù)的出現(xiàn)，是為了解決神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的兩大核心痛點(diǎn)：傳統(tǒng)非侵入性技術(shù)無(wú)法有效刺激深部腦區(qū)，而深部腦刺激（DBS）等侵入性方法又伴隨手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。MTI通過(guò)一種創(chuàng)新的非侵入性方式，巧妙地利用頻分復(fù)用原理，僅用兩對(duì)表面電極即可在深部腦區(qū)同步產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立可調(diào)的低頻刺激焦點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)分布式腦網(wǎng)絡(luò)（如默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)、記憶網(wǎng)絡(luò)）的多節(jié)點(diǎn)同步調(diào)控。這一特性使其在治療阿爾茨海默病、帕金森病、抑郁癥等涉及多腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)功能障礙的神經(jīng)退行性與精神類疾病中展現(xiàn)出巨大潛力，同時(shí)也為腦損傷后康復(fù)和基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究提供了強(qiáng)大的工具。其優(yōu)勢(shì)在于兼具非侵入安全性、多點(diǎn)同步刺激能力、高空間靈活性和極高的電極效率，標(biāo)志著神經(jīng)調(diào)控進(jìn)入了面向網(wǎng)絡(luò)、精準(zhǔn)無(wú)創(chuàng)的新時(shí)代。

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MTI 系統(tǒng)詳細(xì)分析（頻分復(fù)用與電流疊加）

MTI系統(tǒng)的核心創(chuàng)新在于巧妙地運(yùn)用了頻分復(fù)用（FDM）和電流疊加原理。

系統(tǒng)構(gòu)成與原理

電極配置：如圖1所示，僅使用兩對(duì)表面電極（黑色對(duì)和灰色對(duì)）。

信號(hào)生成：MTI刺激器（圖4）產(chǎn)生四路獨(dú)立的、電隔離的高頻正弦電流。

黑色電極對(duì)注入：I?（= 1 kHz） +I?（= 10 kHz）（硬件上可以通過(guò)加法器來(lái)實(shí)現(xiàn)）

灰色電極對(duì)注入：I?（= 1.01 kHz+）I?（= 10.01 kHz）

圖2 MTI刺激器實(shí)物圖

電流疊加：每個(gè)電極對(duì)上流過(guò)的總電流是兩種頻率電流的瞬時(shí)值之和（I_black = I? + I?,I_grey = I? + I?）。這是一個(gè)線性疊加過(guò)程。

頻分復(fù)用（FDM）與空間解復(fù)用：這是最關(guān)鍵的一步。四個(gè)頻率的信號(hào)雖在時(shí)間上同時(shí)存在，但因其頻率不同，在腦組織不均勻?qū)w中傳播時(shí)衰減程度不同。大腦像一個(gè)天然的濾波器：

刺激點(diǎn)A：在某個(gè)特定位置，1 kHz（源于黑）和1.01 kHz（源于灰）的電場(chǎng)強(qiáng)度恰好相等，發(fā)生建設(shè)性干涉，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的10 Hz低頻包絡(luò)。（圖6Ai, Bi, Ci 顯示了改變1k/1.01k電流比例時(shí)，刺激點(diǎn)A的移動(dòng)）

刺激點(diǎn)B：在另一個(gè)特定位置，10 kHz（源于黑）和10.01 kHz（源于灰）的電場(chǎng)強(qiáng)度恰好相等，產(chǎn)生另一個(gè)獨(dú)立的10 Hz包絡(luò)。（圖6Aii, Bii, Cii 顯示了改變10k/10.01k電流比例時(shí)，刺激點(diǎn)B的移動(dòng)）

神經(jīng)元只對(duì)這些低頻包絡(luò)響應(yīng)，而對(duì)高頻載波不敏感。

調(diào)整電流比例：是在每一個(gè)邏輯頻率對(duì)（而不是物理電極對(duì)）的內(nèi)部進(jìn)行的。 這意味著MTI刺激器必須能夠?qū)λ穆奉l率的電流源進(jìn)行獨(dú)立、精密的幅度控制。

調(diào)節(jié)1 kHzvs1.01 kHz的比例 → 控制刺激點(diǎn)A的位置。

調(diào)節(jié)10 kHzvs10.01 kHz的比例 → 獨(dú)立地控制刺激點(diǎn)B的位置。

這種操作方式實(shí)現(xiàn)了用最少的物理電極（兩對(duì)），通過(guò)“頻分復(fù)用”和“獨(dú)立幅度調(diào)控”，最終在腦內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)刺激點(diǎn)的完全獨(dú)立操控。這是MTI技術(shù)相比傳統(tǒng)方法最具創(chuàng)新性和實(shí)用性的優(yōu)勢(shì)之一。

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臨床研究：研究方法與結(jié)果

研究方法

計(jì)算機(jī)仿真（COMSOL）：

幾何模型：在均勻圓柱體和不均勻球體（4層：頭皮、顱骨、腦脊液、腦組織）中模擬電場(chǎng)分布，驗(yàn)證基本可行性。

MRI人頭模型：基于真實(shí)人類MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建高精度頭模型（圖9D），驗(yàn)證在真實(shí)人頭結(jié)構(gòu)中的效果。

物理模型實(shí)驗(yàn)：

組織仿體：用氯化鈉溶液模擬腦組織電導(dǎo)率，用3D打印的培養(yǎng)皿裝置放置電極。

電場(chǎng)測(cè)量：使用精密移動(dòng)探針陣列測(cè)量仿體內(nèi)的電場(chǎng)分布（圖6iii,iv）。

關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化：

頻率選擇：通過(guò)MATLAB仿真（圖3）證明，選擇頻率差為10Hz且 carrier frequency 足夠高（~10kHz）可有效避免頻率乘性干擾（如2kHz與1.01kHz干涉產(chǎn)生的20Hz偽包絡(luò)）。

圖3 頻率乘性干擾分析：關(guān)鍵的參數(shù)優(yōu)化圖

幅度補(bǔ)償：實(shí)驗(yàn)測(cè)量（圖4）發(fā)現(xiàn)組織阻抗隨頻率升高而降低，因此高頻電流需更大振幅才能產(chǎn)生與低頻電流相當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度。這在設(shè)置刺激參數(shù)時(shí)至關(guān)重要。

圖4 組織阻抗-頻率特性曲線：重要的物理基礎(chǔ)圖

研究結(jié)果

可行性驗(yàn)證：在幾何模型（圖6, 7）、MRI人頭模型（圖9）和組織仿體（圖7）中，均成功實(shí)現(xiàn)了MTI刺激，產(chǎn)生了兩個(gè)獨(dú)立且可定位的刺激焦點(diǎn)。

圖6 球體模型中的MTI刺激（仿真）

可調(diào)性（Steerability）驗(yàn)證：通過(guò)改變一對(duì)電極上的電流比例（如1:1, 1:2, 1:4），可以顯著改變相應(yīng)刺激點(diǎn)的位置（圖6, 7, 9）。刺激點(diǎn)總會(huì)向電流較小的那個(gè)電極對(duì)方向移動(dòng)。

圖7 圓柱模型中的MTI刺激（仿真+實(shí)驗(yàn)）：最核心的結(jié)果驗(yàn)證圖

獨(dú)立性（Independence）驗(yàn)證：如圖8所示，僅調(diào)節(jié)1k/1.01k的電流比例，可以移動(dòng)刺激點(diǎn)A，而完全不影響由10k/10.01k產(chǎn)生的刺激點(diǎn)B的位置。這證明了兩個(gè)刺激點(diǎn)可以完全獨(dú)立控制，是MTI技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)。

圖8 刺激點(diǎn)獨(dú)立性驗(yàn)證：關(guān)鍵特性驗(yàn)證圖

臨床現(xiàn)實(shí)性：MRI人頭模型（圖9）的結(jié)果顯示，由于真實(shí)腦組織的不均勻性，刺激焦點(diǎn)的形狀會(huì)變得不規(guī)則，提示未來(lái)臨床應(yīng)用中需通過(guò)計(jì)算建模進(jìn)行個(gè)性化精準(zhǔn)定位。

圖9MRI人頭模型中的MTI刺激：臨床轉(zhuǎn)化前景圖

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總結(jié)

MTI技術(shù)代表了一種范式轉(zhuǎn)換。它將神經(jīng)調(diào)控的思維從“刺激一個(gè)點(diǎn)”升級(jí)為“調(diào)控一個(gè)網(wǎng)絡(luò)”。通過(guò)巧妙的頻分復(fù)用和電流疊加策略，它用最少的硬件（兩對(duì)電極）實(shí)現(xiàn)了前所未有的功能（多點(diǎn)獨(dú)立可調(diào)的深部刺激）。盡管其在走向臨床前仍面臨挑戰(zhàn)（如個(gè)性化精準(zhǔn)聚焦、在體有效性驗(yàn)證、刺激參數(shù)優(yōu)化等），但本研究為其奠定了堅(jiān)實(shí)的原理驗(yàn)證（PoP） 基礎(chǔ)。MTI為未來(lái)研究和治療阿爾茨海默病、帕金森病、抑郁癥等復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)疾病打開了一扇新的大門，為無(wú)創(chuàng)、精準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)調(diào)控時(shí)代鋪平了道路。

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回映產(chǎn)品

產(chǎn)品1：便攜式TI時(shí)域干涉經(jīng)顱電刺激儀

便攜式TI時(shí)域干涉經(jīng)顱電刺激儀通過(guò)緊密接觸于頭皮的電極傳導(dǎo)兩路不同頻率的高頻脈沖電流(如：2000Hz和2010Hz),高頻電流流經(jīng)大腦表層和深部區(qū)域，并在腦深部干涉產(chǎn)生低頻包絡(luò)(如：10Hz),由于大腦神經(jīng)元對(duì)高頻(>1000Hz)電刺激不響應(yīng)，所以位于大腦表層的高頻電流并沒有對(duì)大腦產(chǎn)生刺激效應(yīng)位于腦深部的低頻包絡(luò)刺激大腦，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)地刺激大腦深部而不影響大腦皮層，即無(wú)創(chuàng)腦深部電刺激。

回映便攜式時(shí)域干涉電刺激設(shè)備支持傳統(tǒng)的tTIS時(shí)域干涉電刺激模式（基于正弦波），PWM-TI時(shí)域干涉電刺激模式（基于50%占空比方波），burst-TI時(shí)域干涉電刺激模式,細(xì)分為tTI-iTBS，tTI-cTBS兩種模式（基于iTBS，cTBS).

適用范圍：

能夠應(yīng)用于對(duì)老年癡呆、癲癇、帕金森、抑郁癥等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療和神經(jīng)科學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域。

回映便攜式TI時(shí)域干涉經(jīng)顱電刺激儀設(shè)備示意圖

產(chǎn)品2：48通道8腦區(qū)同步高精度經(jīng)顱電刺激設(shè)備

回映電子科技院線級(jí)多腦區(qū)高精度經(jīng)顱電刺激設(shè)備(MXN-48)是一款可8腦區(qū)/8人同步干預(yù)的高精度經(jīng)顱電刺激實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其已突破了Soterix對(duì)該技術(shù)的壟斷(Soterix產(chǎn)品Soterix MXN-33 高精度經(jīng)顱電刺激系統(tǒng)其之前是市面上唯一款可對(duì)不同腦區(qū)進(jìn)行同步精確干預(yù)的設(shè)備)回映高精度經(jīng)顱電刺激產(chǎn)品M×N-48其具有48個(gè)獨(dú)立輸出通道，每個(gè)通道的波形，強(qiáng)度等參數(shù)都可以獨(dú)立設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)不同腦區(qū)的同步干預(yù)，不同腦區(qū)的相位同步性<0.1°，大大增強(qiáng)了tES的神經(jīng)調(diào)控效果?；赜掣呔冉?jīng)顱電刺激設(shè)備提供了兩種不同的操作模式以供研究者選擇——基礎(chǔ)模式和自由模式?；A(chǔ)模式使用更加方便，設(shè)定簡(jiǎn)單；自由模式則允許導(dǎo)入自定義電流波形，功能更加強(qiáng)大。

回映自研 48通道8腦區(qū)同步高精度經(jīng)顱電刺激設(shè)備
適用范圍：康復(fù)醫(yī)學(xué)：運(yùn)動(dòng)功能障礙、語(yǔ)言障礙、認(rèn)知障礙、吞咽障礙、意識(shí)障礙、上肢肌張力障礙、卒中后抑郁、卒中后疼痛等精神病學(xué)：抑郁癥、焦慮癥、強(qiáng)迫癥、物質(zhì)成癮、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙﹑精神分裂癥等兒童康復(fù)：腦癱、運(yùn)動(dòng)功能障礙、注意缺陷多動(dòng)障礙、孤獨(dú)癥、閱讀障礙、語(yǔ)言發(fā)育遲緩等神經(jīng)病學(xué)：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(cè)忽略﹑偏頭痛、神經(jīng)性疼痛等腦科學(xué)研究：記憶、學(xué)習(xí)、言語(yǔ)等

產(chǎn)品3：手持式高精度經(jīng)顱電刺激HD-tES設(shè)備

回映便攜式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)創(chuàng)新地采用type-C轉(zhuǎn)生物電極的設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品能夠非常便捷地被使用?；赜潮銛y式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)通過(guò)多電極配置(1個(gè)中心電極和4個(gè)返回電極)實(shí)現(xiàn)高精度電流聚焦,精準(zhǔn)刺激目標(biāo)腦區(qū)。其核心優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)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(zhǔn)性。
回映HD-tES支持多模式刺激,覆蓋多場(chǎng)景需求：HD-tDCS模式：調(diào)節(jié)皮層興奮性,適用于中風(fēng)康復(fù)、抑郁癥干預(yù)等。HD-tACS模式：精準(zhǔn)鎖定腦電頻段(如β-γ頻段改善強(qiáng)迫癥,4Hz增強(qiáng)工作記憶)適配認(rèn)知障礙治療等。HD-tRNS模式：HD-tRNS 對(duì)顯式和隱式計(jì)時(shí)任務(wù)的影響不同,用于研究大腦的計(jì)時(shí)機(jī)制和時(shí)間處理能力等。

回映便攜式HD-TES設(shè)備示意圖

回映自研type-C轉(zhuǎn)生物電極示意圖
適用范圍:神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療，意識(shí)障礙和認(rèn)知功能調(diào)節(jié)，康復(fù)治療，運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能恢復(fù)。

產(chǎn)品4：便攜式經(jīng)顱強(qiáng)交流電刺激儀(Hi-tACS)
該設(shè)備采用非侵入性的10-30mA刺激電流直接刺激大腦區(qū)域，進(jìn)而刺激大腦深部的神經(jīng)核團(tuán)、改變神經(jīng)遞質(zhì)水平，影響腦電節(jié)律、改善腦區(qū)間的聯(lián)絡(luò)，從而增強(qiáng)腦功能，治愈疾病。

回映便攜式經(jīng)顱強(qiáng)交流電刺激儀設(shè)備示意圖

參考文獻(xiàn)

1. Multi-Point Temporal Interference Stimulation by Using Each Electrode to Carry Different Frequency Currents
2. Anodal transcranial direct current stimulation of prefrontal cortex enhances working memory.
3. Systematic evaluation of the impact of stimulation intensity on neuroplastic after-effects induced by transcranial direct current stimulation.
4. Transcranial direct current stimulation modulates cortical neuronal activity in alzheimer’s disease.
5. Mild cognitive impairment in Parkinson’s disease is improved by transcranial direct current stimulation combined with physical therapy.
6. Exploring the efficacy of a 5-day course of transcranial direct current stimulation (TDCS) on depression and memory function in patients with well-controlled temporal lobe epilepsy.