无创脑脊接口距离现实还有多遥远？

 

 

HUIYING

脊髓损伤（SCI）运动康复机理

脊髓损伤后，大脑与肢体之间的神经通路中断，导致运动功能障碍。传统康复方法（如运动疗法）在慢性期效果有限。脊髓刺激（SCS）通过电刺激激活脊髓神经网络，产生“假体效应”，暂时恢复部分运动功能，促进神经可塑性。SCS可增强残余下行运动信号，提高皮质兴奋性，从而支持运动神经元激活。

 

 

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非侵入性脑脊接口（BSI）工作机理

      BSI系统通过EEG实时解码大脑运动意图（如膝关节伸展），并控制tSCS的输出时机，形成闭环系统。当患者尝试运动时，EEG检测到运动皮质的“事件相关去同步化”（ERD），解码器识别出运动起始信号后，触发tSCS刺激脊髓，辅助完成运动。

 

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非侵入性脑脊接口（BSI）系统详细说明

系统组成：

EEG采集系统：32通道无线EEG头戴设备（gNautilus），采样率500 Hz，覆盖感觉运动皮质。

EMG/IMU记录：用于记录肌肉活动和运动 kinematics，作为运动起始的 ground truth。

tSCS刺激系统：阴极置于T10右侧，阳极置于脐右侧，刺激频率30 Hz，强度10–15 mA。

同步机制：使用NI-DAQ板生成同步脉冲，通过TTL信号同步EEG、EMG和tSCS设备（图2a）。所有数据流在BCI2000平台中统一时间戳。

 

图2 实验硬件设置与协议设计

 

图2a展示了用于EEG和EMG信号采集以及tSCS刺激的硬件系统架构，包括EEG头戴设备、同步脉冲发生器、刺激器等。

图2b为实验流程设计，包括三种任务条件（有提示运动、想象运动、无提示运动）的区块随机顺序安排。

 

解码算法详解：

 

特征提取：EEG信号经过4–40 Hz带通滤波、共同平均参考（CAR）去噪，功率谱密度（PSD）在μ（8–12 Hz）、低β（16–20 Hz）、高β（24–28 Hz）频带提取。

LDA分类器：使用480个特征（3频带 × 5时间窗 × 32通道）进行二分类（运动/静止），采用5折交叉验证训练（图3c,d）。

 

图3 特征选择与解码器训练流程

 

图3a展示了代表性被试在运动期间的功率谱变化。

图3b为R²头皮地形图，显示各频段在运动期间的解释方差。

图3c为EEG数据处理流程，包括滤波、功率提取、特征构建（频段+时延+通道）。

图3d为五折交叉验证的训练策略。

 

解码控制tSCS输出：

当解码概率超过阈值时，tSCS强度从10 mA升至15 mA，持续6秒，模拟运动周期（图5b,c）。

解码器在实时任务中表现良好（AUC > 0.8），表明可实现“意图驱动”的刺激输出。

 

 

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临床研究：研究方法与结果

研究方法：

参与者：17名健康成人，进行三类任务：提示运动、运动想象、非提示运动（图2b）。

实验阶段：

Phase I：离线解码器训练与验证。

Phase II：实时脑控tSCS。

Phase III：控制实验与替代策略（如使用非人形提示）。

性能指标：

AUC（曲线下面积）：衡量解码器综合性能的指标，值越高代表区分运动与静止状态的能力越强。

TPR（真正例率）：系统成功检测到真实运动意图的概率，高TPR意味着“漏报”少。

TNR（真负例率）：系统在用户静止时保持安静的概率，高TNR意味着“误报”少。

时间容差窗口分析：评估系统触发刺激的时机与真实运动起始点之间同步精度的指标，容差越小对系统实时性要求越高。

 

研究结果：

 

该项研究通过三个阶段系统性地开发并验证了非侵入性脑脊接口。Phase I（神经关联识别与离线解码） 首先在健康参与者中成功识别出膝关节伸展时感觉皮层的特定脑电节律去同步化模式，并基于此训练出一个能高精度解码运动意图的线性判别分析模型，其有效性在提示性运动、运动想象和非提示运动任务中均得到离线验证。Phase II（实时脑控刺激） 继而将该解码器投入实时应用，结果表明其能在存在刺激干扰的情况下，可靠地控制经皮脊髓电刺激的时机，从而实现了基于运动意图的闭环脑脊接口，证明了系统核心功能的可行性。Phase III（控制实验与替代策略） 则进一步通过控制实验排除了任务提示类型的干扰，并探索了系统的适应性，其中最重要的发现是，利用运动想象数据训练的解码器同样能有效控制实际运动时的刺激，这为该系统未来应用于无法产生实际运动的完全性脊髓损伤患者奠定了关键基础。

在这项研究中，AUC（受试者工作特征曲线下面积） 是评估脑电解码器性能的核心指标，它衡量的是解码器内在的、独立于任何主观设置的分辨能力。其核心任务是根据脑电信号判断参与者处于“运动”还是“静止”状态。由于解码器输出的是一个连续的“运动概率”，研究者需要设定一个阈值来做出最终判断，而不同的阈值会导致“漏报”和“误报”之间的权衡。AUC的价值就在于它摒弃了单一阈值的局限，通过综合考察所有可能阈值下的表现（即ROC曲线），对解码器区分两类状态的整体能力给出一个鲁棒的评价。AUC=0.5意味着性能等同于随机猜测，而AUC越接近1，则表明解码器的分辨能力越强。

在本研究中，提示运动任务下高达0.83的AUC证明，基于EEG信号可以极其清晰地区分运动意图与静止状态；而非提示运动任务下0.68的AUC（虽显著高于随机水平但有所下降）则表明，在更自然的无提示场景下，解码难度增加，但基本可行性依然成立。因此，AUC指标从根本上验证了利用非侵入式脑电信号解码下肢运动意图的可行性，为整个脑脊接口系统的有效性奠定了基石。

离线解码性能（图4）：

提示运动：AUC = 0.83

运动想象：AUC = 0.77

非提示运动：AUC = 0.72

 

图4：离线解码器性能评估

 

图4a–c分别展示有提示运动、想象运动、无提示运动下的EEG频谱、EMG、运动概率对齐情况。

图4d为运动概率随时间变化。

图4e–f为ROC曲线构建示意图。

图4g–i为三种条件下的ROC曲线及AUC比较。

图4j–l为混淆矩阵。

 

实时控制性能（图5）：

提示运动 + tSCS：AUC = 0.81

非提示运动 + tSCS：AUC = 0.68

 

图5：实时脑控tSCS性能

 

图5a为实时BSI系统示意图。

图5b为训练阶段的刺激协议。

图5c为实时解码下的EEG、EMG、运动概率与刺激时序。

图5d–e为有/无提示运动下的ROC曲线。

图5f为AUC对比。

图5g–h为混淆矩阵。

 

分析要点：

实时解码器在有提示运动中AUC达0.81，无提示运动中为0.68，说明系统具备实时闭环控制能力。

刺激时机与运动意图基本同步，但无提示任务中时序准确性下降。

 

神经策略差异（图6）：提示与非提示运动在ERD地形图上存在显著空间差异，说明任务策略不同。

 

图6：R²地形图与PCA分析

 

图6a展示两名代表性被试在不同条件下的R²地形图。

图6b为R²差异地形图（有提示运动 vs. 想象/无提示运动）。

图6c为PCA投影图，显示不同条件在主成分空间中的分布。

图6d为欧几里得距离比较。

 

分析要点：

有提示运动与想象任务在中央区差异较小，而与无提示运动在全脑范围差异显著。

PCA结果显示无提示运动与有提示运动的神经状态距离更大，支持“不同神经策略”假设。

 

想象任务通用性（图7）：想象训练的解码器可泛化至实际运动（AUC = 0.79），适用于完全性SCI患者。

图7：想象训练解码器泛化至有提示运动

 

图7a为ROC曲线（训练：想象，测试：有提示运动）。

图7b为与有提示训练解码器的AUC对比。

图7c为混淆矩阵。

 

分析要点：

想象训练的解码器泛化至有提示运动时AUC为0.79，与有提示训练无显著差异。

这为完全性脊髓损伤患者（无法执行实际运动）使用BSI提供了可能。

 

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总结

本研究成功开发并验证了一种非侵入性脑脊接口系统，能够通过EEG解码运动意图并实时触发tSCS。系统在无损伤参与者中表现出高于机会水平的解码精度，且对想象和无提示任务具有一定泛化能力。尽管在自然无提示运动中性能下降，但通过任务特异性训练或想象训练仍具潜力。该BSI系统为SCI患者的运动康复提供了新思路，未来需进一步优化解码算法、降低延迟，并开展临床验证。这个系统的终极目标是：在患者想要动的时候，立即给予脊髓刺激（tSCS）来辅助运动，从而将“运动意图”和“刺激辅助”精确同步，最大化康复效果。有提示运动：作为性能基准，对应有残留运动功能的不完全性脊髓损伤患者，验证在理想条件下系统解码运动意图的能力。运动想象：用于排除运动伪影，对应无运动功能的完全性脊髓损伤患者，证明系统可仅凭运动意图驱动，为该人群提供应用基础。无提示运动：测试自然场景的泛化能力，对应所有患者康复的终极目标，评估系统在自主、随意运动中的实用性。

 

 

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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。