脊髓磁刺激（ts-MS）概述

經(jīng)脊髓磁刺激ts-MS是一種非侵入性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，通過放置在腰椎上方的圓形磁刺激線圈，產(chǎn)生磁場穿透脊椎，激活脊髓神經(jīng)根或脊髓本身，進(jìn)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(jīng)接口系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)解碼大腦運(yùn)動(dòng)意圖（如運(yùn)動(dòng)想象），控制脊髓磁刺激的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)“腦-脊-肌”通路的 artificial 連接。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖1）：

腦電采集：32通道EEG，聚焦運(yùn)動(dòng)皮層（C3, C4, Cz等）；

信號(hào)處理：

中值濾波去除磁刺激偽跡；

空間濾波（OSF）增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)相關(guān)節(jié)律（7–15 Hz）；

滑動(dòng)窗口計(jì)算功率特征；

分類器：線性判別分析（LDA）區(qū)分“休息”與“運(yùn)動(dòng)想象”；

閉環(huán)控制：檢測到運(yùn)動(dòng)想象時(shí)觸發(fā) 20 Hz ts-MS；

適應(yīng)性更新：實(shí)時(shí)更新特征歸一化參數(shù)以適應(yīng)信號(hào)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(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖

圖1展示了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置與腦脊接口的工作流程。左側(cè)（圖1A部分）為物理實(shí)驗(yàn)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(cè)（圖1B部分）以時(shí)序信號(hào)圖的形式，逐步演示了實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的完整過程：從包含刺激偽跡的原始EEG信號(hào)開始，經(jīng)過中值濾波去除偽跡、空間濾波提取感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律（7-15 Hz）、計(jì)算歸一化功率并設(shè)定閾值，最終在檢測到運(yùn)動(dòng)想象（功率低于閾值）時(shí)觸發(fā)20 Hz的經(jīng)脊髓磁刺激，并在下方的EMG信號(hào)中顯示出隨之誘發(fā)的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（ts-MEP）。

刺激觸發(fā)詳細(xì)過程（圖1B）：

任務(wù)提示：最上方的條帶顯示“休息”和“運(yùn)動(dòng)想象”的時(shí)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(hào)。

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

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

歸一化功率：顯示alpha節(jié)律的功率值，當(dāng)功率下降并超過閾值時(shí)，表明發(fā)生了事件相關(guān)去同步化，即運(yùn)動(dòng)皮層激活。

BSI解碼輸出：系統(tǒng)根據(jù)功率閾值判斷，在運(yùn)動(dòng)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(hào)：展示脛骨前肌記錄的EMG信號(hào)。可以清晰看到每50ms出現(xiàn)一次的刺激偽跡，以及在刺激后約15ms出現(xiàn)的經(jīng)脊髓運(yùn)動(dòng)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(jīng)疾病。

實(shí)驗(yàn)流程：

篩查階段：2組20 trial，用于訓(xùn)練分類器。

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

評(píng)估指標(biāo)：

解碼準(zhǔn)確率（TPR/TNR）

• 真陽性率：系統(tǒng)在參與者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象時(shí)，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(shí)，正確保持靜默的概率。
• 平衡準(zhǔn)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(biāo)疼痛感：評(píng)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(píng)估下行運(yùn)動(dòng)通路的激活程度。振幅越大，代表經(jīng)脊髓磁刺激激活的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元越多，引發(fā)的肌肉收縮反應(yīng)越強(qiáng)。
• ts- SEP 振幅：評(píng)估上行感覺通路的激活程度。振幅越大，代表刺激產(chǎn)生的感覺信號(hào)越強(qiáng)，成功上傳至大腦感覺皮層。

用戶可用性（疼痛、不適、注意力評(píng)分）

疼痛感：評(píng)估刺激引起的直接生理疼痛程度。

• 不適感：評(píng)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(píng)估在施加刺激的情況下，使用者專注于運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的困難程度。

研究結(jié)果：

神經(jīng)生理效應(yīng)：成功激活下行與上行通路

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

圖2：腦脊接口的神經(jīng)生理學(xué)效應(yīng)與用戶體驗(yàn)評(píng)估

圖2通過簡圖與數(shù)據(jù)證明了腦脊接口對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的全面激活，關(guān)鍵點(diǎn)在于顯示經(jīng)脊髓磁刺激不僅強(qiáng)度依賴性地激活了下行運(yùn)動(dòng)通路（引發(fā)振幅遞增的經(jīng)脊髓運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位），同時(shí)也激活了上行感覺通路（引發(fā)振幅遞增的經(jīng)脊髓體感誘發(fā)電位），并且用戶主觀評(píng)分表明雖然高強(qiáng)度刺激帶來更多不適，但所有強(qiáng)度均在可耐受范圍內(nèi)。

經(jīng)脊髓運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（ts-MEP）：反映了下行運(yùn)動(dòng)通路的激活。

圖2B & 2C：結(jié)果顯示，ts-MEP（經(jīng)脊髓運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位。它是在對(duì)脊髓進(jìn)行磁刺激后，在目標(biāo)肌肉（如本研究中的脛骨前?。┥嫌涗浀降碾娦盘?hào)）的振幅隨著刺激強(qiáng)度的增加而顯著增大。這表明BSI系統(tǒng)能夠以強(qiáng)度依賴的方式有效激活脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，成功引起目標(biāo)肌肉的收縮。

經(jīng)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(jīng)脊髓體感誘發(fā)電位。它是在對(duì)脊髓進(jìn)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(hào)）的振幅也隨刺激強(qiáng)度增加而顯著增大。這說明ts-MS不僅激活了運(yùn)動(dòng)纖維，也激活了感覺纖維，信號(hào)成功上傳至大腦感覺皮層。

結(jié)論：BSI成功實(shí)現(xiàn)了 “腦-脊-肌” 和 “脊-腦” 的雙向連接，模擬了自然運(yùn)動(dòng)中的控制與反饋循環(huán)，這對(duì)于誘導(dǎo)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的神經(jīng)可塑性至關(guān)重要。

系統(tǒng)性能：穩(wěn)健的閉環(huán)解碼能力

解碼準(zhǔn)確率：在所有7名能產(chǎn)生有效運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)的受試者中，BSI的平均解碼準(zhǔn)確率在不同刺激條件下均顯著高于隨機(jī)水平（約65%）。

圖3：刺激偽跡去除效果驗(yàn)證

該圖通過信號(hào)對(duì)比和性能統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證了中值濾波算法的關(guān)鍵作用，關(guān)鍵點(diǎn)在于證明了未經(jīng)濾波的刺激偽跡會(huì)嚴(yán)重污染腦電信號(hào)并導(dǎo)致解碼失敗，而應(yīng)用中值濾波能有效去除偽跡、還原真實(shí)的事件相關(guān)去同步化模式，從而在所有刺激強(qiáng)度下顯著提升解碼準(zhǔn)確率，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健閉環(huán)控制的技術(shù)基石。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：如圖3D所示，中值濾波對(duì)維持高解碼精度至關(guān)重要。在沒有濾波的情況下，刺激偽跡會(huì)嚴(yán)重扭曲EEG信號(hào)，導(dǎo)致解碼準(zhǔn)確率暴跌；而使用濾波后，準(zhǔn)確率在所有刺激強(qiáng)度下均得到顯著恢復(fù)和保持。這證明了該系統(tǒng)在處理嚴(yán)重干擾方面具有強(qiáng)大的魯棒性。

無強(qiáng)度影響：解碼準(zhǔn)確率在不同刺激強(qiáng)度（包括假刺激）之間沒有顯著差異。這表明，系統(tǒng)的“意圖識(shí)別”能力是穩(wěn)定的，不受刺激本身物理效應(yīng)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(duì)疼痛、不適和注意力難度的主觀評(píng)分。

結(jié)果：隨著刺激強(qiáng)度的增加，受試者報(bào)告的不適感和注意力難度有所上升，但所有評(píng)分均未達(dá)到極高水平。

結(jié)論：所有受試者均完成了實(shí)驗(yàn)，且未報(bào)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(yīng)用提供了重要依據(jù)。

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總結(jié)

本研究首次提出并驗(yàn)證了一種全非侵入性腦脊接口，實(shí)現(xiàn)了基于EEG運(yùn)動(dòng)意圖解碼的實(shí)時(shí)脊髓磁刺激控制。系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：

可行性高：在健康人中驗(yàn)證了閉環(huán)控制的可行性與安全性。

神經(jīng)調(diào)控能力強(qiáng)：可同時(shí)激活感覺與運(yùn)動(dòng)通路，具備誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性的潛力。

抗干擾能力強(qiáng)：中值濾波有效去除刺激偽跡，保證了解碼穩(wěn)定性。

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

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回映產(chǎn)品

產(chǎn)品1：便攜無創(chuàng)腦脊接口設(shè)備（可ODM定制開發(fā)）

回映這款非侵入性腦脊接口整機(jī)設(shè)備是一個(gè)高度集成的閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，其核心工作流程始于一個(gè)配備32個(gè)電極的便攜式腦電帽，用于無創(chuàng)采集用戶大腦感覺運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)信號(hào)。這些信號(hào)被實(shí)時(shí)傳輸至內(nèi)置的信號(hào)處理與計(jì)算單元，該單元運(yùn)行著先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)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(yùn)動(dòng)意圖，并將其量化為一個(gè)實(shí)時(shí)的“運(yùn)動(dòng)概率”。一旦該概率值超過預(yù)設(shè)閾值，計(jì)算單元會(huì)即刻向經(jīng)皮脊髓電刺激器發(fā)出觸發(fā)指令。刺激器則通過精準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輔助運(yùn)動(dòng)完成。整個(gè)系統(tǒng)通過統(tǒng)一的硬件同步機(jī)制，確保了從“意念識(shí)別”到“脊髓刺激”整個(gè)環(huán)路的時(shí)間精度，最終形成一個(gè)由“大腦意圖驅(qū)動(dòng)、脊髓刺激輔助”的一體化康復(fù)設(shè)備，旨在通過這種精準(zhǔn)的閉環(huán)干預(yù)促進(jìn)脊髓損傷患者的神經(jīng)功能重塑與運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。

便攜無創(chuàng)腦脊接口設(shè)備示意圖

產(chǎn)品2：手持式經(jīng)皮脊髓神經(jīng)電刺激(tSCS)

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

從臨床應(yīng)用維度，本系統(tǒng)具有多節(jié)段調(diào)控能力：頸段tSCS通過調(diào)節(jié)頸膨大（C5-T1）神經(jīng)環(huán)路，可有效改善中樞性上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙；腰骶段tSCS作用于腰膨大（L1-S2）神經(jīng)中樞，能促進(jìn)下肢運(yùn)動(dòng)功能重建（包括直立位平衡及步態(tài)訓(xùn)練），同時(shí)通過門控機(jī)制實(shí)現(xiàn)疼痛調(diào)控。現(xiàn)有循證醫(yī)學(xué)證據(jù)支持其在慢性脊髓損傷康復(fù)、神經(jīng)源性膀胱管理及急性痛癥干預(yù)等領(lǐng)域的輔助治療價(jià)值。

回映經(jīng)皮脊髓電刺激tSCS設(shè)備示意圖

產(chǎn)品3：48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。回映高精度經(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)、言語等

產(chǎn)品4：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(zhǔn)性。
回映HD-tES支持多模式刺激,覆蓋多場景需求：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5：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