植入式脑脊接口如何让SCI脊髓损伤患者自然行走

 

核心机理：
 

行走由大脑皮层发出指令，通过下行通路传至腰骶脊髓的中央模式发生器，后者激活特定的运动神经元池，产生协调的腿部肌肉收缩模式。

总结：
 

脊髓损伤中断了大脑指令的传递，但腰骶脊髓的步行神经回路本身可能保持完整。BSI的工作原理正是绕过损伤部位，直接激活这些保存完好的下级神经回路。

 

HUIYING

植入式脑脊接口BSI系统

植入式脑脊接口BSI定义：

一个无线的、完全植入式的“数字桥梁”，通过解码大脑运动意图并实时转化为对脊髓的模拟调制电刺激，以恢复瘫痪后的自然运动控制。

 

 

图1：脑脊接口（BSI）系统概述与植入规划

 

关键展示：

1a：BSI工作流程总览（大脑植入体→处理单元→脊髓刺激器）。

1b：基于MEG的皮层植入体定位规划与术后验证。

1c：基于脊柱模型的脊髓刺激导线定位规划与术后验证。

总结：植入式脑脊接口BSI通过建立一条新的、数字化的神经通路，将“想走”的意图（大脑）与“能走”的执行（脊髓）直接联系起来，从而恢复了运动的自然闭环控制。

 

植入式BSI系统详解：

BSI系统由三个核心子系统构成：

 

 

图2：BSI技术与计算细节

 

图2：揭示了BSI硬件（如WIMAGINE植入体规格、无线通信）和软件（如自适应解码算法）的技术内核，说明了系统实现的工程细节。

关键展示：

2a：WIMAGINE皮层植入体的详细结构（电极、天线、尺寸）。

2b, c：信号传输、解码算法（门控+专家模型）和实时更新的流程。

2d：刺激命令从软件到脊髓的无线传输路径。

 

A. 皮层记录系统 (WIMAGINE)

功能：硬膜外记录大脑运动皮层的ECoG信号。

设计与选型：如图2a 所示，该植入物为圆形钛合金外壳，内含64个铂铱电极。选型依据是其高密度电极、低噪声（<2.5µV RMS）、无线供电（13.56 MHz）和数据传输（UHF, 402-405 MHz）能力，确保长期稳定的信号质量。

 

B. 信号处理与解码单元

功能：实时解码运动意图。

设计：如图2b, c 所示，信号通过个性化头戴设备传输至基站和处理单元。核心是REW-MSLM算法，它包含一个门控模型（HMM，用于预测意图状态，如休息、左髋屈曲）和多个专家模型（用于预测运动幅度）。该算法能在线自适应校准，每15秒更新一次参数。

 

C. 脊髓刺激系统

功能：根据解码指令对脊髓进行精确电刺激。

设计与选型：该研究中采用商用ACTIVA RC脉冲发生器（经升级支持实时控制）和Specify 5-6-5桨状导线（16电极）。选型依据是其可靠的刺激输出（0-25.5mA）和电极阵列设计，能有效靶向背根入口区。

 

 

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临床研究

研究方法

 

这项名为STIMO-BSI的临床可行性研究（NCT04632290）旨在评估脑控脊髓刺激对脊髓损伤患者的安全性和初步有效性。

（1）研究参与者

个体情况：一名38岁男性，因自行车事故导致C5/C6不完全性脊髓损伤已达10年。

前期基础：他此前已参与过STIMO临床试验（NCT02936453），植入了脊髓刺激系统，并经过5个月的硬膜外电刺激辅助康复，恢复了借助助行器的基础行走能力。但在3年的家庭使用后，其神经功能恢复进入平台期，这促使他加入STIMO-BSI研究。

 

（2）BSI系统的外科植入

研究的关键步骤是精准植入记录和刺激系统。

术前规划：

皮层植入定位：由于患者已植入的脊髓系统与MRI不兼容，研究采用磁脑图（MEG） 来定位与下肢运动意图相关的脑区。如 图1b 所示，通过MEG识别出患者在尝试活动下肢各关节时大脑皮层的激活区域（图中红色部分），并结合解剖结构（CT扫描），最终确定了左右半球皮层植入体的最佳位置。

脊髓刺激优化：脊髓导线已在STIMO试验中植入。图1c 展示了基于高分辨率脊柱模型计算出的导线最佳位置，以精确靶向控制下肢肌肉的背根入口区，术后影像确认了导线的实际位置与计划高度一致。

外科手术：在神经导航引导下，进行两次手术：

在预定位置进行环钻开颅，将两个WIMAGINE 皮层记录植入体置于硬膜外。

对已有的脊髓刺激系统进行升级，更换脉冲发生器以支持实时无线通信。

 

（3）BSI的校准与康复训练

这是将原始信号转化为功能性运动的核心环节。

解码器校准：

 

 

 图3：BSI的解码与刺激校准
 

 

核心结论：BSI能够从皮层活动中高精度地解码出不同关节的运动意图，并能通过配置刺激参数精确地激活目标肌肉群。系统可在几分钟内完成校准。

 

关键展示：

3a：与特定运动（如左髋屈曲）相关的ECoG信号的空间和频谱特征。

3b：通过调整电极配置和刺激参数，选择性激活特定肌肉（极性图）。

3c, d, e：在线校准过程和解码七种运动状态（双侧髋、膝、踝+休息）的高准确率。

 

图3a 展示了如何从ECoG信号中提取特征。研究人员让患者尝试活动不同关节，并记录相应的皮层活动，从而识别出与特定运动意图（如左髋屈曲）最相关的空间（哪些电极）和频谱（哪个频段）特征。

刺激程序库构建：图3b 显示了如何配置刺激参数。通过测试不同的电极组合（阳极/阴极）和刺激强度，找到能选择性激活目标肌肉（如髂腰肌）的最佳方案，并用极性图直观展示肌肉响应。

在线自适应校准：使用REW-MSLM算法，系统能在患者尝试运动时实时学习并优化解码模型。图3c 显示，在首次校准会话中，患者很快就能通过意念控制虚拟角色的髋关节活动，准确率迅速达到97%。

神经康复方案：患者完成了40次针对性的康复训练，包括：

BSI辅助下的行走、单关节活动和平衡训练。

由于髋屈肌功能障碍最严重，训练重点聚焦于BSI控制的髋关节运动。

 

（4）家庭应用

为了验证BSI的实用性，研究人员开发了集成式助行器（图4a），将所有硬件整合其中。患者可在5分钟内独立完成系统设置（图4b），并在家中无人监督的情况下使用BSI进行康复和日常活动。图4c 的使用日志证明了该系统在长期家庭环境中的可靠性。

 

 

图4：家庭用BSI系统设计与使用日志

 

核心结论：BSI被成功集成到一个用户友好的助行器中，患者可在家中独立完成系统设置（约5分钟）并进行日常康复训练，系统在家中使用期间性能可靠。

关键展示：

4a：集成所有硬件的助行器设计。

4b：独立的系统配置工作流程。

4c：长达数月的家庭使用日志，显示稳定的使用时间和解码步数。

 

研究结果

 

（1）即时恢复自然行走控制

 

 

图5：BSI恢复自然行走控制的验证

 

核心结论：BSI能即时、可靠地恢复患者对行走的自主控制，使其能够自主决定何时开始、停止行走，并显著改善步态质量。系统性能长期稳定。

关键展示：

5a：BSI开启后，髋屈肌活动和腿部抬升高度显著增加。

5b, e：BSI开关控制的行走-暂停-行走序列，证明控制的直观性和无假触发。

5d：BSI开启时，关键步态参数（肌肉活动、步高、关节角度）显著改善。

5f：在近一年时间内，对行走意图的解码准确率保持稳定且极高。

自主控制：图5b 和 图5e 的连续摄影和轨迹图极具说服力。当BSI开启时，患者能自然行走；关闭时，步伐立即停止；重新开启后，行走恢复。这证明了BSI实现了“意念即动” 的直观控制，且几乎没有误触发。

运动功能增强：图5a 和 图5d 的定量数据表明，与关闭BSI相比，开启BSI后：

髋屈肌（髂腰肌）活动水平显著提升（图5a）。

步高、髋关节和膝关节的最大屈曲角度等关键步态参数均得到极大改善（图5d）。

适应复杂环境：图6c, d 表明，BSI使患者能够完成之前无法做到的活动，如上下陡坡、爬楼梯、绕过障碍物以及在多种不同材质的地面上行走。

 

 

图6：BSI使能复杂地形导航与自然步态

 

核心结论：与基于运动传感器的简单闭环刺激相比，BSI控制下的步态更接近健康人，并且使患者能够应对斜坡、楼梯、障碍物等日常生活中的复杂地形。

关键展示：

6a：主成分分析显示BSI步态（绿点）比单纯刺激步态（蓝点）更接近健康人步态（黑点）。

6b：BSI减少了行走失败（步长<10cm）的次数。

6c, d：患者成功完成上下坡、爬楼梯、过障碍等任务

 

（2）BSI的长期稳定性

 

信号与解码稳定：图7a 显示，在近一年的使用中，皮层记录的ECoG信号质量非常稳定，功率仅以极慢速度衰减（-0.03 dB/天）。图5f 表明，即使在11个月后，对行走意图的解码准确率依然保持在极高水平（>0.97）。

刺激参数稳定：图7c 显示，刺激的振幅和频率范围在数月内无需调整，证明了系统的长期可靠性。

 

 

图7：BSI的长期稳定性

 

核心结论：BSI系统的所有核心组件（皮层信号、解码模型、刺激参数）在长达一年的使用中表现出卓越的稳定性，这是其能够用于家庭长期康复的关键。

关键展示：

7a：ECoG信号功率在近一年内仅轻微下降（-0.03 dB/天）。

7b：主成分分析显示不同时期使用的行走解码模型核心特征聚集，说明模型稳定。

7c：刺激振幅和频率范围在数月内保持稳定。

7d, e：行走解码性能稳定，且皮层特征调制深度随训练加深，表明患者学习优化了对系统的使用。

 

（3）持久的神经功能恢复（最显著的成果）

这是BSI超越“功能性替代”、展现其“治疗性潜力”的关键证据。

 

 

图8 BSI辅助神经康复带来的持久性功能恢复

 

核心结论：在BSI辅助下进行神经康复训练，能带来显著的、持久的神经功能改善。即使关闭BSI，患者的运动功能、行走能力和生活质量也得到提升。

关键展示：

8a：时间线照片直观显示从无法行走到借助BSI行走，再到无需BSI也能行走的恢复过程。

8c：康复后，患者自主髋屈曲的幅度和肌肉活动显著增强。

8d, e, f, g, h：一系列临床评分（运动评分、WISCI II、6分钟行走测试、平衡量表等）均显示持续改善。

运动功能显著改善：图8a 的系列照片直观展示了惊人的恢复进程：从入组STIMO前无法行走，到STIMO后能借助刺激行走，再到STIMO-BSI后即使关闭BSI也能仅凭拐杖独立行走。

临床评分提升：

图8c：康复后，患者自主进行髋关节屈曲的能力（活动度和肌肉激活）显著增强。

图8d, e：其下肢运动评分和行走能力指数（WISCI II） 持续提高，从STIMO前的6分（需要大量帮助）提升到BSI后的16分（能使用拐杖独立行走10米）。

图8f, g, h：6分钟行走测试、负重能力、计时起立行走、平衡量表（Berg Balance Scale）和步态观察分析等多项指标均显示显著进步。

 

（4）生活质量的提升

通过辅助设备心理社会影响量表（PIADS） 问卷评估，患者在能力、安全性、参与能力等方面都获得了最高分值的积极评价，表明BSI极大地提升了他的生活质量和心理幸福感。

 

HUIYING

总结

这项研究首次在一位慢性四肢瘫痪患者身上实现了完全植入式的脑-脊髓接口（BSI），成功构建了一条恢复运动功能的“数字桥梁”。该BSI系统通过解码大脑运动皮层的信号，并实时转化为对腰骶脊髓的精确电刺激，使患者能够自然控制双腿进行站立、行走、爬楼梯乃至穿越复杂地形。更为重要的是，在BSI辅助下的神经康复训练不仅提供了即时的功能替代，更诱导了持久的神经功能恢复——即使关闭系统，患者仍能借助拐杖独立行走。这项突破性成果标志着神经修复领域从单纯的功能替代迈向促进神经系统自我修复的新纪元，为瘫痪患者带来了前所未有的希望。

 

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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。

回映便携式经颅强交流电刺激仪设备示意图