多点时域干涉电刺激MTI如何用2对电极对实现多脑区的同步调控

 

多点时域干涉电刺激MTI 概述

MTI 定义

多点时域干涉电刺激（Multi-Point Temporal Interference, MTI） 是一种非侵入性深部脑神经调控技术。它通过在两对表面电极上同时施加四路不同频率的高频交流电（如1 kHz, 1.01 kHz, 10 kHz, 10.01 kHz），利用这些电流在脑组织内传播并发生“干涉”的物理特性，在深部脑区的不同空间位置上独立地产生多个低频包络（如10 Hz）电场，从而实现对多个目标脑区的同步、选择性刺激。

 

图1 MTI刺激原理示意图：最核心的概念图

 

MTI 的优势

MTI（多点时域干涉电刺激）技术的出现，是为了解决神经调控领域长期存在的两大核心痛点：传统非侵入性技术无法有效刺激深部脑区，而深部脑刺激（DBS）等侵入性方法又伴随手术风险。MTI通过一种创新的非侵入性方式，巧妙地利用频分复用原理，仅用两对表面电极即可在深部脑区同步产生多个独立可调的低频刺激焦点，从而实现了对分布式脑网络（如默认模式网络、记忆网络）的多节点同步调控。这一特性使其在治疗阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症等涉及多脑区网络功能障碍的神经退行性与精神类疾病中展现出巨大潜力，同时也为脑损伤后康复和基础神经科学研究提供了强大的工具。其优势在于兼具非侵入安全性、多点同步刺激能力、高空间灵活性和极高的电极效率，标志着神经调控进入了面向网络、精准无创的新时代。

 

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MTI 系统详细分析（频分复用与电流叠加）

MTI系统的核心创新在于巧妙地运用了频分复用（FDM） 和电流叠加原理。

 

系统构成与原理

电极配置：如图1 所示，仅使用两对表面电极（黑色对和灰色对）。

信号生成：MTI刺激器（图4）产生四路独立的、电隔离的高频正弦电流。

黑色电极对注入：I₁（= 1 kHz） + I₂ （= 10 kHz）（硬件上可以通过加法器来实现）

灰色电极对注入：I₃ （= 1.01 kHz +） I₄ （= 10.01 kHz）

 

图2 MTI刺激器实物图

 

电流叠加：每个电极对上流过的总电流是两种频率电流的瞬时值之和（I_black = I₁ + I₂, I_grey = I₃ + I₄）。这是一个线性叠加过程。

频分复用（FDM）与空间解复用：这是最关键的一步。四个频率的信号虽在时间上同时存在，但因其频率不同，在脑组织不均匀导体中传播时衰减程度不同。大脑像一个天然的滤波器：

刺激点A：在某个特定位置，1 kHz（源于黑）和1.01 kHz（源于灰）的电场强度恰好相等，发生建设性干涉，产生一个强大的10 Hz低频包络。（图6 Ai, Bi, Ci 显示了改变1k/1.01k电流比例时，刺激点A的移动）

刺激点B：在另一个特定位置，10 kHz（源于黑）和10.01 kHz（源于灰）的电场强度恰好相等，产生另一个独立的10 Hz包络。（图6 Aii, Bii, Cii 显示了改变10k/10.01k电流比例时，刺激点B的移动）

神经元只对这些低频包络响应，而对高频载波不敏感。

调整电流比例：是在每一个逻辑频率对（而不是物理电极对）的内部进行的。 这意味着MTI刺激器必须能够对四路频率的电流源进行独立、精密的幅度控制。

调节 1 kHz vs 1.01 kHz 的比例 → 控制刺激点A的位置。

调节 10 kHz vs 10.01 kHz 的比例 → 独立地控制刺激点B的位置。

这种操作方式实现了用最少的物理电极（两对），通过“频分复用”和“独立幅度调控”，最终在脑内空间实现了两个刺激点的完全独立操控。这是MTI技术相比传统方法最具创新性和实用性的优势之一。

 

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临床研究：研究方法与结果

研究方法

计算机仿真（COMSOL）：

几何模型：在均匀圆柱体和不均匀球体（4层：头皮、颅骨、脑脊液、脑组织）中模拟电场分布，验证基本可行性。

MRI人头模型：基于真实人类MRI数据构建高精度头模型（图9D），验证在真实人头结构中的效果。

物理模型实验：

组织仿体：用氯化钠溶液模拟脑组织电导率，用3D打印的培养皿装置放置电极。

电场测量：使用精密移动探针阵列测量仿体内的电场分布（图6iii, iv）。

关键参数优化：

频率选择：通过MATLAB仿真（图3）证明，选择频率差为10Hz且 carrier frequency 足够高（~10kHz）可有效避免频率乘性干扰（如2kHz与1.01kHz干涉产生的20Hz伪包络）。

 

 图3 频率乘性干扰分析：关键的参数优化图

 

幅度补偿：实验测量（图4）发现组织阻抗随频率升高而降低，因此高频电流需更大振幅才能产生与低频电流相当的电场强度。这在设置刺激参数时至关重要。

 

 

图4 组织阻抗-频率特性曲线：重要的物理基础图

 

研究结果

可行性验证：在几何模型（图6, 7）、MRI人头模型（图9）和组织仿体（图7）中，均成功实现了MTI刺激，产生了两个独立且可定位的刺激焦点。

 

图6 球体模型中的MTI刺激（仿真）

 

可调性（Steerability）验证：通过改变一对电极上的电流比例（如1:1, 1:2, 1:4），可以显著改变相应刺激点的位置（图6, 7, 9）。刺激点总会向电流较小的那个电极对方向移动。

 

图7 圆柱模型中的MTI刺激（仿真+实验）：最核心的结果验证图

 

独立性（Independence）验证：如图8所示，仅调节1k/1.01k的电流比例，可以移动刺激点A，而完全不影响由10k/10.01k产生的刺激点B的位置。这证明了两个刺激点可以完全独立控制，是MTI技术的巨大优势。

 

图8 刺激点独立性验证：关键特性验证图

 

临床现实性：MRI人头模型（图9）的结果显示，由于真实脑组织的不均匀性，刺激焦点的形状会变得不规则，提示未来临床应用中需通过计算建模进行个性化精准定位。

 

图9 MRI人头模型中的MTI刺激：临床转化前景图

 

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总结

MTI技术代表了一种范式转换。它将神经调控的思维从“刺激一个点”升级为“调控一个网络”。通过巧妙的频分复用和电流叠加策略，它用最少的硬件（两对电极）实现了前所未有的功能（多点独立可调的深部刺激）。尽管其在走向临床前仍面临挑战（如个性化精准聚焦、在体有效性验证、刺激参数优化等），但本研究为其奠定了坚实的原理验证（PoP） 基础。MTI为未来研究和治疗阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症等复杂脑网络疾病打开了一扇新的大门，为无创、精准、网络的神经调控时代铺平了道路。

 

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回映产品

产品1：便携式TI时域干涉经颅电刺激仪

 

便携式TI时域干涉经颅电刺激仪通过紧密接触于头皮的电极传导两路不同频率的高频脉冲电流(如：2000Hz和2010Hz),高频电流流经大脑表层和深部区域，并在脑深部干涉产生低频包络(如：10Hz),由于大脑神经元对高频(>1000Hz)电刺激不响应，所以位于大脑表层的高频电流并没有对大脑产生刺激效应位于脑深部的低频包络刺激大脑，实现无创地刺激大脑深部而不影响大脑皮层，即无创脑深部电刺激。

        回映便携式时域干涉电刺激设备支持传统的tTIS时域干涉电刺激模式（基于正弦波），PWM-TI时域干涉电刺激模式（基于50%占空比方波），burst-TI时域干涉电刺激模式,细分为tTI-iTBS，tTI-cTBS两种模式（基于iTBS，cTBS).

 

适用范围：

能够应用于对老年痴呆、癫痫、帕金森、抑郁症等多种神经系统疾病治疗和神经科学研究的多个领域。

回映便携式TI时域干涉经颅电刺激仪设备示意图
 

产品2：48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3：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4：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

 

参考文献

 

 

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.