HUIYING

脊髓損傷（SCI）運動康復機理

脊髓損傷后，大腦與肢體之間的神經通路中斷，導致運動功能障礙。傳統康復方法（如運動療法）在慢性期效果有限。脊髓刺激（SCS）通過電刺激激活脊髓神經網絡，產生“假體效應”，暫時恢復部分運動功能，促進神經可塑性。SCS可增強殘余下行運動信號，提高皮質興奮性，從而支持運動神經元激活。

HUIYING

非侵入性腦脊接口（BSI）工作機理

BSI系統通過EEG實時解碼大腦運動意圖（如膝關節(jié)伸展），并控制tSCS的輸出時機，形成閉環(huán)系統。當患者嘗試運動時，EEG檢測到運動皮質的“事件相關去同步化”（ERD），解碼器識別出運動起始信號后，觸發(fā)tSCS刺激脊髓，輔助完成運動。

HUIYING

非侵入性腦脊接口（BSI）系統詳細說明

系統組成：

EEG采集系統：32通道無線EEG頭戴設備（gNautilus），采樣率500 Hz，覆蓋感覺運動皮質。

EMG/IMU記錄：用于記錄肌肉活動和運動 kinematics，作為運動起始的 ground truth。

tSCS刺激系統：陰極置于T10右側，陽極置于臍右側，刺激頻率30 Hz，強度10–15 mA。

同步機制：使用NI-DAQ板生成同步脈沖，通過TTL信號同步EEG、EMG和tSCS設備（圖2a）。所有數據流在BCI2000平臺中統一時間戳。

圖2 實驗硬件設置與協議設計

圖2a展示了用于EEG和EMG信號采集以及tSCS刺激的硬件系統架構，包括EEG頭戴設備、同步脈沖發(fā)生器、刺激器等。

圖2b為實驗流程設計，包括三種任務條件（有提示運動、想象運動、無提示運動）的區(qū)塊隨機順序安排。

解碼算法詳解：

特征提?。?/strong>EEG信號經過4–40 Hz帶通濾波、共同平均參考（CAR）去噪，功率譜密度（PSD）在μ（8–12 Hz）、低β（16–20 Hz）、高β（24–28 Hz）頻帶提取。

LDA分類器：使用480個特征（3頻帶 × 5時間窗 × 32通道）進行二分類（運動/靜止），采用5折交叉驗證訓練（圖3c,d）。

圖3 特征選擇與解碼器訓練流程

圖3a展示了代表性被試在運動期間的功率譜變化。

圖3b為R2頭皮地形圖，顯示各頻段在運動期間的解釋方差。

圖3c為EEG數據處理流程，包括濾波、功率提取、特征構建（頻段+時延+通道）。

圖3d為五折交叉驗證的訓練策略。

解碼控制tSCS輸出：

當解碼概率超過閾值時，tSCS強度從10 mA升至15 mA，持續(xù)6秒，模擬運動周期（圖5b,c）。

解碼器在實時任務中表現良好（AUC > 0.8），表明可實現“意圖驅動”的刺激輸出。

HUIYING

臨床研究：研究方法與結果

研究方法：

參與者：17名健康成人，進行三類任務：提示運動、運動想象、非提示運動（圖2b）。

實驗階段：

Phase I：離線解碼器訓練與驗證。

Phase II：實時腦控tSCS。

Phase III：控制實驗與替代策略（如使用非人形提示）。

性能指標：

AUC（曲線下面積）：衡量解碼器綜合性能的指標，值越高代表區(qū)分運動與靜止狀態(tài)的能力越強。

TPR（真正例率）：系統成功檢測到真實運動意圖的概率，高TPR意味著“漏報”少。

TNR（真負例率）：系統在用戶靜止時保持安靜的概率，高TNR意味著“誤報”少。

時間容差窗口分析：評估系統觸發(fā)刺激的時機與真實運動起始點之間同步精度的指標，容差越小對系統實時性要求越高。

研究結果：

該項研究通過三個階段系統性地開發(fā)并驗證了非侵入性腦脊接口。Phase I（神經關聯識別與離線解碼）首先在健康參與者中成功識別出膝關節(jié)伸展時感覺皮層的特定腦電節(jié)律去同步化模式，并基于此訓練出一個能高精度解碼運動意圖的線性判別分析模型，其有效性在提示性運動、運動想象和非提示運動任務中均得到離線驗證。Phase II（實時腦控刺激）繼而將該解碼器投入實時應用，結果表明其能在存在刺激干擾的情況下，可靠地控制經皮脊髓電刺激的時機，從而實現了基于運動意圖的閉環(huán)腦脊接口，證明了系統核心功能的可行性。Phase III（控制實驗與替代策略）則進一步通過控制實驗排除了任務提示類型的干擾，并探索了系統的適應性，其中最重要的發(fā)現是，利用運動想象數據訓練的解碼器同樣能有效控制實際運動時的刺激，這為該系統未來應用于無法產生實際運動的完全性脊髓損傷患者奠定了關鍵基礎。

在這項研究中，AUC（受試者工作特征曲線下面積）是評估腦電解碼器性能的核心指標，它衡量的是解碼器內在的、獨立于任何主觀設置的分辨能力。其核心任務是根據腦電信號判斷參與者處于“運動”還是“靜止”狀態(tài)。由于解碼器輸出的是一個連續(xù)的“運動概率”，研究者需要設定一個閾值來做出最終判斷，而不同的閾值會導致“漏報”和“誤報”之間的權衡。AUC的價值就在于它摒棄了單一閾值的局限，通過綜合考察所有可能閾值下的表現（即ROC曲線），對解碼器區(qū)分兩類狀態(tài)的整體能力給出一個魯棒的評價。AUC=0.5意味著性能等同于隨機猜測，而AUC越接近1，則表明解碼器的分辨能力越強。

在本研究中，提示運動任務下高達0.83的AUC證明，基于EEG信號可以極其清晰地區(qū)分運動意圖與靜止狀態(tài)；而非提示運動任務下0.68的AUC（雖顯著高于隨機水平但有所下降）則表明，在更自然的無提示場景下，解碼難度增加，但基本可行性依然成立。因此，AUC指標從根本上驗證了利用非侵入式腦電信號解碼下肢運動意圖的可行性，為整個腦脊接口系統的有效性奠定了基石。

離線解碼性能（圖4）：

提示運動：AUC = 0.83

運動想象：AUC = 0.77

非提示運動：AUC = 0.72

圖4：離線解碼器性能評估

圖4a–c分別展示有提示運動、想象運動、無提示運動下的EEG頻譜、EMG、運動概率對齊情況。

圖4d為運動概率隨時間變化。

圖4e–f為ROC曲線構建示意圖。

圖4g–i為三種條件下的ROC曲線及AUC比較。

圖4j–l為混淆矩陣。

實時控制性能（圖5）：

提示運動 + tSCS：AUC = 0.81

非提示運動 + tSCS：AUC = 0.68

圖5：實時腦控tSCS性能

圖5a為實時BSI系統示意圖。

圖5b為訓練階段的刺激協議。

圖5c為實時解碼下的EEG、EMG、運動概率與刺激時序。

圖5d–e為有/無提示運動下的ROC曲線。

圖5f為AUC對比。

圖5g–h為混淆矩陣。

分析要點：

實時解碼器在有提示運動中AUC達0.81，無提示運動中為0.68，說明系統具備實時閉環(huán)控制能力。

刺激時機與運動意圖基本同步，但無提示任務中時序準確性下降。

神經策略差異（圖6）：提示與非提示運動在ERD地形圖上存在顯著空間差異，說明任務策略不同。

圖6：R2地形圖與PCA分析

圖6a展示兩名代表性被試在不同條件下的R2地形圖。

圖6b為R2差異地形圖（有提示運動 vs. 想象/無提示運動）。

圖6c為PCA投影圖，顯示不同條件在主成分空間中的分布。

圖6d為歐幾里得距離比較。

分析要點：

有提示運動與想象任務在中央區(qū)差異較小，而與無提示運動在全腦范圍差異顯著。

PCA結果顯示無提示運動與有提示運動的神經狀態(tài)距離更大，支持“不同神經策略”假設。

想象任務通用性（圖7）：想象訓練的解碼器可泛化至實際運動（AUC = 0.79），適用于完全性SCI患者。

圖7：想象訓練解碼器泛化至有提示運動

圖7a為ROC曲線（訓練：想象，測試：有提示運動）。

圖7b為與有提示訓練解碼器的AUC對比。

圖7c為混淆矩陣。

分析要點：

想象訓練的解碼器泛化至有提示運動時AUC為0.79，與有提示訓練無顯著差異。

這為完全性脊髓損傷患者（無法執(zhí)行實際運動）使用BSI提供了可能。

HUIYING

總結

本研究成功開發(fā)并驗證了一種非侵入性腦脊接口系統，能夠通過EEG解碼運動意圖并實時觸發(fā)tSCS。系統在無損傷參與者中表現出高于機會水平的解碼精度，且對想象和無提示任務具有一定泛化能力。盡管在自然無提示運動中性能下降，但通過任務特異性訓練或想象訓練仍具潛力。該BSI系統為SCI患者的運動康復提供了新思路，未來需進一步優(yōu)化解碼算法、降低延遲，并開展臨床驗證。這個系統的終極目標是：在患者想要動的時候，立即給予脊髓刺激（tSCS）來輔助運動，從而將“運動意圖”和“刺激輔助”精確同步，最大化康復效果。有提示運動：作為性能基準，對應有殘留運動功能的不完全性脊髓損傷患者，驗證在理想條件下系統解碼運動意圖的能力。運動想象：用于排除運動偽影，對應無運動功能的完全性脊髓損傷患者，證明系統可僅憑運動意圖驅動，為該人群提供應用基礎。無提示運動：測試自然場景的泛化能力，對應所有患者康復的終極目標，評估系統在自主、隨意運動中的實用性。

HUIYING

回映產品

產品1：便攜無創(chuàng)腦脊接口設備（可ODM定制開發(fā)）

回映這款非侵入性腦脊接口整機設備是一個高度集成的閉環(huán)神經調控系統，其核心工作流程始于一個配備32個電極的便攜式腦電帽，用于無創(chuàng)采集用戶大腦感覺運動皮層的神經信號。這些信號被實時傳輸至內置的信號處理與計算單元，該單元運行著先進的機器學習算法（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)解碼出下肢的運動意圖，并將其量化為一個實時的“運動概率”。一旦該概率值超過預設閾值，計算單元會即刻向經皮脊髓電刺激器發(fā)出觸發(fā)指令。刺激器則通過精準貼附于使用者背部T10脊髓節(jié)段和腹部的電極，輸送出與運動意圖同步的、特定參數（如30Hz，10-15mA）的電刺激，以激活脊髓神經網絡，輔助運動完成。整個系統通過統一的硬件同步機制，確保了從“意念識別”到“脊髓刺激”整個環(huán)路的時間精度，最終形成一個由“大腦意圖驅動、脊髓刺激輔助”的一體化康復設備，旨在通過這種精準的閉環(huán)干預促進脊髓損傷患者的神經功能重塑與運動功能恢復。

便攜無創(chuàng)腦脊接口設備示意圖

產品2：手持式經皮脊髓神經電刺激(tSCS)

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

從臨床應用維度，本系統具有多節(jié)段調控能力：頸段tSCS通過調節(jié)頸膨大（C5-T1）神經環(huán)路，可有效改善中樞性上肢運動功能障礙；腰骶段tSCS作用于腰膨大（L1-S2）神經中樞，能促進下肢運動功能重建（包括直立位平衡及步態(tài)訓練），同時通過門控機制實現疼痛調控?，F有循證醫(yī)學證據支持其在慢性脊髓損傷康復、神經源性膀胱管理及急性痛癥干預等領域的輔助治療價值。

回映經皮脊髓電刺激tSCS設備示意圖

產品3：48通道8腦區(qū)同步高精度經顱電刺激設備

回映電子科技院線級多腦區(qū)高精度經顱電刺激設備(MXN-48)是一款可8腦區(qū)/8人同步干預的高精度經顱電刺激實驗平臺。其已突破了Soterix對該技術的壟斷(Soterix產品Soterix MXN-33 高精度經顱電刺激系統其之前是市面上唯一款可對不同腦區(qū)進行同步精確干預的設備)回映高精度經顱電刺激產品M×N-48其具有48個獨立輸出通道，每個通道的波形，強度等參數都可以獨立設置，可以實現對8個不同腦區(qū)的同步干預，不同腦區(qū)的相位同步性<0.1°，大大增強了tES的神經調控效果?；赜掣呔冉涳B電刺激設備提供了兩種不同的操作模式以供研究者選擇——基礎模式和自由模式?；A模式使用更加方便，設定簡單；自由模式則允許導入自定義電流波形，功能更加強大。
回映自研 48通道8腦區(qū)同步高精度經顱電刺激設備
適用范圍：康復醫(yī)學：運動功能障礙、語言障礙、認知障礙、吞咽障礙、意識障礙、上肢肌張力障礙、卒中后抑郁、卒中后疼痛等精神病學：抑郁癥、焦慮癥、強迫癥、物質成癮、創(chuàng)傷后應激障礙﹑精神分裂癥等兒童康復：腦癱、運動功能障礙、注意缺陷多動障礙、孤獨癥、閱讀障礙、語言發(fā)育遲緩等神經病學：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、單側忽略﹑偏頭痛、神經性疼痛等腦科學研究：記憶、學習、言語等

產品4：手持式高精度經顱電刺激HD-tES設備

回映便攜式高精度經顱電刺激儀(HD-tES)創(chuàng)新地采用type-C轉生物電極的設計使得產品能夠非常便捷地被使用。回映便攜式高精度經顱電刺激儀(HD-tES)通過多電極配置(1個中心電極和4個返回電極)實現高精度電流聚焦,精準刺激目標腦區(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)和增加電極數量,顯著提升刺激的聚焦性和精準性。
回映HD-tES支持多模式刺激,覆蓋多場景需求：HD-tDCS模式：調節(jié)皮層興奮性,適用于中風康復、抑郁癥干預等。HD-tACS模式：精準鎖定腦電頻段(如β-γ頻段改善強迫癥,4Hz增強工作記憶)適配認知障礙治療等。HD-tRNS模式：HD-tRNS 對顯式和隱式計時任務的影響不同,用于研究大腦的計時機制和時間處理能力等。

回映便攜式HD-TES設備示意圖

回映自研type-C轉生物電極示意圖
適用范圍:神經系統疾病治療，意識障礙和認知功能調節(jié)，康復治療，運動和認知功能恢復。產品5：便攜式經顱強交流電刺激儀(Hi-tACS)
該設備采用非侵入性的10-30mA刺激電流直接刺激大腦區(qū)域，進而刺激大腦深部的神經核團、改變神經遞質水平，影響腦電節(jié)律、改善腦區(qū)間的聯絡，從而增強腦功能，治愈疾病。