在快速发展的脑机接口（BCI）领域，一种记录大脑电信号的新模态在过去十年悄然兴起——血管内皮层电图（ECoG）。这项技术与脑电图、传统ECoG及单/多单元活动记录等成熟方法并列，其灵感源于介入心脏病学的进步，特别是电子器件与医疗干预的整合。该突破催生了支架电极（Stentrode）系统——通过支架安装电极记录大脑电活动，应用于运动神经假体。本文从四个关键维度探讨该技术的临床转化路径：驱动我们努力的患者自主性核心需求、BCI性能评估的障碍与成就、独特血管内入路的显著优势，以及临床转化与产品商业化的必要步骤。

Stentrode脑机接口的开发始于2013年墨尔本大学。一支小型科学家与工程师团队旨在避免开颅手术记录脑活动，该项目受介入心脏病学启发，提出使用支架电极捕获脑信号。由此产生的血管内皮层电图（ECoG）系统，建立在BCI领域的基础工作之上，包括Driller团队1970年代对颅内血管脑电图（EEG）记录的早期探索[1]。他们的开创性论文证明了通过狒狒和人类颅内血管电极，记录传统EEG无法触及脑区自发电位与诱发电位的能力，为现代微创血管内脑信号记录奠定了基础。

基于ECoG的BCI通过颅内电极捕获和解码皮层运动信号，以绕过受损或失能肢体，直接控制计算机或机械臂等外部设备。虽然该技术不能直接恢复运动功能，但它为运动障碍者提供了通过技术与环境交互的机会。通过提供新的交流和控制方式，系统使患者重获自主权，执行因身体限制而无法完成的任务。

Stentrode技术极为简洁，且目标始终是保持极简设计。该装置位于血管内，传感器安装在紧贴血管壁的支架上（图1）。它完全植入体内，隐形、简洁、易用，且关键是通过无线连接接入我们习以为常的数字生态系统。过去10-15年间，这一数字生态系统已成为日常生活不可或缺的部分。2010年代之前，BCI如何影响患者生活尚不明朗；如今，随着手持超级计算机的普及，恢复患者对该技术的访问权将带来变革性影响已显而易见。

图1. Stentrode血管内脑机接口系统

与EEG等非侵入性方法相比，基于ECoG的BCI技术在提供更精确稳定的脑信号记录方面取得重大进展，使其成为控制外部设备的有力工具。其以最小噪声捕获高分辨率皮层信号的能力，推动了重度障碍者的运动控制与交流进步。然而仍存在显著挑战：ECoG的侵入性需手术植入，带来感染及手术并发症风险；长期使用引发电极稳定性与潜在退化担忧；实时从脑信号解码运动意图的复杂性可能限制系统响应速度与准确性。尽管存在障碍，基于ECoG的BCI已在试点研究中展现巨大潜力，为更可靠有效的神经假体应用铺平道路。

当前，从科研探索转向产品开发阶段，我们的核心目标是扩大技术规模，确保其广泛使用的安全性与有效性。迄今已有十名重度运动障碍患者植入Stentrode系统。随着规模化推进，现有神经介入基础设施为Stentrode超越可行性阶段提供了坚实基础。这一成熟网络不仅支持BCI的技术扩展，更确保其在临床实践中的广泛采用潜力。

血管内BCI的可扩展性源于过去十年建立的神经介入基础设施。神经假体临床科学领域即将迎来显著增长。由神经科或康复科医师转型的神经假体医师新群体将成为该领域核心。美国拥有超过2500名神经介入医师和1200间导管室，每年执行约20万例神经血管手术。这一设施网络支持新型神经血管技术的应用，并能覆盖大规模患者群体。在此背景下，我们正计划在美国建立30个临床站点开展Stentrode关键试验。欧盟监管环境仍在探索中，故初期将聚焦美国市场。

BCI发展的重大挑战不仅在于满足患者需求，还需确保患者选择与技术能力精准匹配。我们研究中严格制定患者筛选标准：选择保留运动皮层活动且静脉解剖结构合适的个体，因这些因素对Stentrode成功植入和使用至关重要。被诊断为肌萎缩侧索硬化（ALS）、中风或脊髓损伤的患者，虽丧失运动能力但保留皮层运动信号生成能力，构成适用人群。严谨筛选确保系统有效捕获运动意图并转化为可执行指令[2, 3]。

植入后，Stentrode跨受试者准确捕获运动意图的能力成为关键成功因素[2, 3]。记录的神经信号使患者经培训后可控制数字设备，且研究期间信号保持稳定。即使长期使用仍维持信号保真度，印证了系统的稳健性与长期应用潜力。

安全性是Stentrode开发的另一核心考量。临床试验已全面评估材料降解、设备移位和血管并发症风险。Stentrode的镍钛合金支架与铂电极展现长期稳定性，重要是在12个月试验期内未观察到设备或信号保真度衰减[2]。随访影像证实设备牢固定位于血管内，所有患者均未发生移位或血栓[2, 3]。

整体安全性方面，未报告与设备相关的严重不良事件，头痛或瘀伤等轻微副作用无需干预即消退[2]。Stentrode优异的安全性结合稳定性能，为更广泛临床应用奠定坚实基础。

我们当前工作的核心是解决ALS等患者的自主性迫切需求。现有系统多无法提供持续功能与用户自主权，导致患者严重痛苦与依赖。我们的技术旨在通过实现与数字设备的持续无障碍交互，恢复其丧失的自主权——这对日常活动与交流至关重要。

多名重度运动障碍患者分享了眼动追踪仪的局限经历，但最令人动容的陈述来自一位ALS患者的女婿：“他会躺在那儿三小时只是呆望。他无法求助，无法做任何事。”此类故事反复上演：若需故障排查且房间无人，患者便无法解决阻碍其使用眼动系统的问题。许多系统虽有内置排查功能，但当患者遇障时往往只能静候。家属夜不能寐，担忧亲人无法及时求助。眼动设备未对准或按钮错位等小问题即引发巨大痛苦，甚至有人安装婴儿监视器以期捕捉求助声响。

Vansteensel 2016年的论文[4]是解决该需求的里程碑，亦激励着我们团队。尽管皮层内阵列数据速率较低，但关键启示在于：完全植入系统对患者意义非凡——因其允许患者移动并持续使用系统。重要的是，家用系统仅需极少协助，初始设置无需看护者特殊技能。这对开发普适患者系统至关重要，尤其适用于缺乏频繁校准操作能力的看护者。

该系统的起点是使用少量电极实现简单稳定功能，使患者能控制拼写设备（替代眼动仪）[4]。此能力使其可在眼动仪失效的户外使用设备。值得注意的是，七年后该患者仍在沿用此系统。乌得勒支团队的成就堪称典范，亦给予我们巨大启发——它证明低带宽系统的简洁性如何深刻改变患者生活。

持续自主权问题是BCI技术独具解决潜力却尚未被其他技术攻克的核心难题。脑植入物解码神经元信号已实现重大里程碑：如四肢瘫痪患者控制机械臂/瘫痪肢体、操作计算机打字程序等[2, 4–10]。但尽管取得突破，实现日常家庭使用仍是挑战。BCI通过将患者重新接入数字生态系统来恢复其自主权——该生态在现代生活的自主决策中居核心地位。

为实现BCI在家庭环境中的可靠持续使用，其必须满足特定标准：支持用户自主权、确保功能持续性、仅可靠检测意向性动作[4]。接口需永久可用，传感器连接大脑皮层而不引起不适或负面美观影响[11]。这些设计目标构成将BCI发展为赋能力量的基础。

BCI发展的重大挑战之一是建立性能指标。FDA神经假体指南[12]强调需反映恢复生理功能的终点。通过聚焦运动意图传递与输出，我们的方法旨在构建有效弥合大脑意图与外部设备控制间鸿沟的神经假体，从而恢复关键运动控制功能。

关键的是，因极少患者能自费购买此类设备，必须考量支付方对BCI满足其要求的观点。在美国，医疗保险和医疗补助服务中心（CMS） 是主要支付方——该联邦机构管理国家主要公共医保计划（包括Medicare）。Medicare是覆盖65岁以上群体及部分年轻残疾或特定病症者的国家医保。与商业保险不同，Medicare由政府资助，在决定医疗设备与治疗的覆盖资格中起关键作用。

BCI类医疗设备要在美广泛普及，必须符合CMS标准以获得Medicare报销，证明其具“合理且必要”的健康效益。若无CMS批准，保险可能拒付费用，限制无法自费患者的获取。因此，临床试验不仅需提供FDA要求的安全有效性证据，还需满足CMS标准以确保覆盖与普及。设计能测量BCI主要有效性终点的试验至关重要，以提供具临床意义的性能与效益数据。

随着BCI技术进步，亟需定义超越工程指标、直接反映患者结局的临床意义终点。多种工程输出可用于衡量系统性能要素，各自以不同方式阐述系统特性。Thompson等十年前在BCI学会研讨会上发表论文，将BCI功能拆解为离散与连续类别，为理解解码提供实用框架[13]。但这些特征未必反映临床获益——尽管具洞察力，其仍是工程结果。随着领域步入临床科学，迫切需要建立本质具临床意义的新终点框架。

Thompson等还提出以用户为中心的BCI系统评估方法，涵盖四大要素：可用性（Usability）、情感影响（Affect）、人机工程学（Ergonomics）与生活质量（Quality of Life）[13]。可用性关注用户完成任务效率，含学习性与满意度；情感影响涉及长期使用的情感体验；人机工程学包含认知负荷降低与系统控制便捷性；生活质量涉及系统对用户福祉的整体影响。这些要素强调整体评估BCI性能的必要性，包括用户体验在系统设计与评估中的重要性[14]。易用性、设置时间、非受控环境运行能力、用户体验（患者及看护者）等指标对系统整体可用性至关重要[13–15]。设备能否实现即插即用（无需临床人员或工程师持续支持），是长期成功应用的关键。

基于工程的性能测量（如解码准确率与比特率）对理解BCI技术能力必不可少，但未必直接转化为患者及看护者的实质获益。这些指标揭示BCI功能，但为符合Medicare与CMS报销标准，必须证明设备提供“合理且必要”的优势（尤其在提升患者自主权与生活质量方面）。此外，必须解决看护者需求（如减轻协助负担）以确保实际可持续使用。因此，纳入反映以患者为中心结局的终点至关重要（如恢复日常活动独立性）。通过使临床试验设计与监管预期对齐，可提高FDA获批及Medicare报销普及的可能性，从而增加临床广泛采用几率。

FDA的BCI指南文件[12]将深刻影响BCI神经假体临床指南的考量。其将植入式BCI设备定义为“与中枢或周围神经系统交互，恢复瘫痪或截肢患者丧失运动/感觉能力的神经假体”。尽管BCI定义更广，但此对植入式感觉运动神经假体的聚焦意义重大。

关于神经假体的构成已有广泛讨论，因其具重要临床意义。BCI学会内对BCI定义的深入探讨围绕两个关键定义展开。BCI学会需确立立场，但目前Wolpaw 2002年论文仍具权威性[16]：BCI定义为“记录并解码脑活动以产生控制计算机或其他外部设备输出的系统”。此不同于神经假体——后者是恢复功能的医疗器械，“恢复”一词至关重要。神经假体定义为“可恢复因损伤或疾病受损的运动、感觉或认知功能的医疗设备”，涵盖运动、感觉与认知功能，预期运动与语言神经假体发展。此类设备与恢复脑功能的设备同属一类。人工耳蜗即为神经假体典范——无论刺激或感知，恢复脑功能即使其成为神经假体。Krucoff等[17]指出：“除连接大脑与计算机的BCI功能外，神经假体还替代缺失的生物学功能。”这对临床医学至关重要，因证明生理功能恢复是关键。因此，开发直接测量生理学的终点将量化恢复性能，满足临床成功标准。

所讨论的脑功能涉及运动系统，因不可见且通常难治而鲜少被探讨。神经假体代表运动系统的新治疗范式。FDA的BCI指南文件使用“瘫痪”与“截肢”术语，但实质问题是运动障碍（指南中称为运动能力）。

脑功能包括意志、自由意愿及运动意图（统称运动意图）。皮层因身体肌肉运动意图激活区域，信号经皮层传递至脑干、脊髓、周围神经至肌肉（由运动神经元介导）。以ALS为例，其为运动神经元疾病。运动输出是信号抵达肌肉产生运动的过程（如手指控制数字设备）。

许多病症导致运动障碍，非仅限于瘫痪或截肢。任何阻断运动皮层至肌肉信号传递的疾病均可损害运动功能，包括：中风、脊髓损伤、肌营养不良、关节关节炎、周围神经病（如吉兰-巴雷综合征或慢性炎性脱髓鞘性多神经病）、多灶性运动神经病及ALS。运动神经假体旨在恢复运动意图传递。该技术不适用于皮层无功能者——大脑需具备意图生成能力。在意志保留前提下，此技术可绕过受损通路，建立直接接口以恢复接入数字生态系统的能力。

Stentrode阵列含16个电极，捕获毗邻运动皮层的神经活动，通过16通道传输ECoG信号[2, 3]。设备记录与运动意图相关的神经特征（如图2）。定制解码算法解码运动尝试，将其转化为控制设备的数字运动输出（DMO）。信号输出含短/长点击等指令，使用户执行打字或导航数字环境等任务[2, 3]。

Sawyer等发表的论文将DMO概念化为恢复肌肉功能的框架[18]。我提议DMO概念可作为定义运动神经假体植入式BCI功能的终点。DMO涵盖比特率、信息传输率及准确率等指标，构成评估设备效能的框架。DMO需达成特定要素以实现计算机操作（例如：信号经解码器处理产生离散或连续输出，触发计算机动作（图2））。按不同要素分类构建DMO库，为讨论其效能（内部处理与外部应用层面）提供共同语言。此框架将助力描述对患者有益的成果。

该框架概念化对临床试验至关重要。照护BCI患者的神经科与临床医师需临床科学及语言体系以理解并解释系统运作机制。DMO应具备客观可测性、功能普适性及证明恢复运动意图的能力。当前我们拥有运动意图传递设备、可更新后端网络并连接任意普适设备的系统，以及可由DMO以多种方式控制的计算机操作。

图2. 数字运动输出工作流及Stentrode信号随时间稳定性

(A) Stentrode BCI系统示意图：运动意图检测及转化为数字动作的过程

(B) 四名受试者（P1-P4）植入Stentrode后12个月内皮层信号频率时序数据。各受试者频带数据保持相对稳定，反映研究期间神经活动传递一致性。阴影区域为参与者间频率范围变异性。DMO：数字运动输出。经授权引自[2] © 2023 美国医学会

该技术的未来轨迹激动人心且意义深远。聚焦DMO控制系统的神经假体性能——即便是简单低维DMO输入，结合语言模型或ChatGPT等预测技术，亦可产生重大影响。此类技术可随时间学习患者需求，将离散输入转化为强大输出。

我们正构建具技术普适性的系统，采用通用标准创建患者完全无线隐形的系统。CMS可能要求证明这些应用对患者具临床意义影响及健康效益。但需区分次要应用与系统初始用例。

以中风为例：过去十年通过开通阻塞脑血管取得突破。既往药物“溶栓”效果有限。新设备开通阻塞血管恢复脑功能。初期目标仅为证明血管可开通；随时间推移，证明1-2天后开通无效（因脑组织已损毁）成关键。但功能结局需待设备主要功能（开通血管）验证后方可测量。同理，需先聚焦假体恢复运动系统功能的能力，再建立证明功能获益的结局。

此外，尚无有效工具衡量丧失智能手机使用能力的影响或重获控制权的后果。Fry等近期提出数字工具性日常生活活动（IADL） 或有价值[19]。数字IADL量表可验证恢复接入数字生态系统能力的影响。挑战在于技术创新速度——为生命周期仅12个月（如智能手机）的系统创建有效量表难度极大。技术进步的惊人速度要求建立动态更新系统（如精神疾病诊断与统计手册的持续修订模式）。

BCI的血管内入路具备多重特性，使其对临床医师与患者俱具吸引力。该技术利用人体天然血管通路抵达脑部，避免开颅手术，显著降低侵入性操作风险。除微创性外，该入路美观性好，实现系统完全植入与无线连接。患者获益于短恢复期及设备长期稳定性（因嵌入血管壁）。

图3. 2013年DARPA资助的绵羊脑血管早期Stentrode植入实验

(A) 绵羊血管造影显示Stentrode定位；(B) 作者于澳大利亚霍华德·弗洛里研究所实施绵羊神经介入手术；(C) 神经介入医师植入Stentrode；(D) 导线经颈静脉（颅底左下）插入；(E) 抵达上矢状窦（脑中线），最终到达运动皮层毗邻区（脑顶部）记录运动意图相关脑活动。Stentrode不可见，位于导管末端（图E顶部三个"+"标记处）。

如前述，现有神经介入基础设施确保该技术具扩展性，为广泛临床采用铺平道路。

实施血管内入路需经颈静脉进入脑静脉。含Stentrode的导管从静脉后端穿入（因位于脑部血液引流区而降低卒中风险）。此通路可抵达各脑区复杂血管网络。焦点在于脑中部最大的血管——上矢状窦。支架由双金属层加绝缘材料构成，制造挑战巨大，最终实现完全植入。该无线ECoG BCI位于血管内，传感器安装于血管壁内的自膨胀支架上，定位于M1运动皮层区域之间，导线经颅底天然孔洞引出脑外。

血管内BCI的初始资金源自DARPA“可靠神经接口技术计划”（由Jack Judy发起，Doug Weber接续）。当时各资助团队聚焦皮层内阵列、EEG和ECoG，而我们澳大利亚团队因地理位置与血管入路研究处于边缘。我们使用1992年通用电气血管造影机（类似示波器），虽画质差但仅耗资5000美元且成功运行。团队耗费大量时间手工制作设备，并在血管造影室反复优化静脉导航技术（图3）。

我们逾四年未发表成果，因希望呈现完整且有意义的成果。目标是从血管内实现长期皮层记录，并与硬膜下/硬膜外ECoG阵列对比。研究表明两者效果相当，且我们可在220Hz分离信号与噪声（后人类系统提升至约500Hz）。

我们继而探究设备如何与绵羊血管壁整合——此为核心安全问题：若血管内裸露金属将诱发血栓形成。为确保设备完全包埋于血管壁，内皮化过程是关键安全措施。借鉴心脏支架数十年研究成果，我们发现数月内设备可完全内皮化，从而减少抗凝药物需求并降低血栓风险。

关键未知点是内皮化对信号稳定性的影响——皮层内证据显示信号随时间退化，而Stentrode使用500微米盘状电极记录ECoG，在设备融入血管壁后信号稳定性及体感电位记录反获提升。此传导改善源于电位经静脉壁组织的稳定性增强（相比血液直接接触导致的信号分流）。植入后设备虽不可取出，但心脏支架与治疗特发性颅低压的脑支架经验表明，人体可终生耐受血管内此类装置。

Stentrode的首份完整人类安全性数据于2023年发布[2]。虽技术已迭代，初期实施涉及上矢状窦内设备（记录双侧信号）并连接皮下植入式接收器。早期版本需部分设备置于皮肤表面，虽完全植入但形似可穿戴装置。

功能神经外科中，DBS（脑深部刺激）领域始于精确定位探针。理解血管对侧结构至关重要，需开发新成像技术以在血管域内精准定位。从血管视角定义M1边界的标记物开发复杂但必要，相关技术评估持续进行。Yoo等利用MRI与fMRI识别毗邻血管的运动皮层研究[20–22]，构成当前血管造影定位M1技术的基础。

植入术中，神经介入医师通过血管造影引导导管在脑血管穿行（图3）。导管抵达运动皮层附近目标区域后，预载于导管内的Stentrode被留置血管中——导管回撤时如花朵般展开。初代Stentrode展开困难，术者高度依赖触觉反馈。虽技术障碍已被有效管控，系统改进仍在持续。从外科视角看，该操作较卒中干预更直接（后者需通过静脉多弯路径），本装置呈直线输送。

植入后，设备连接至胸部皮下植入单元，信号检测确保系统功能正常后闭合创口。患者通常48小时内出院，接受双联抗血小板治疗3个月，后续阿司匹林维持12个月。用于横窦支架置入的脑支架表明，患者最终可停用抗血小板治疗（但动脉支架可能需无限期服用阿司匹林）。

自Kennedy首次报道人类植入式BCI设备已近二十年[23]。至2008年，Braingate蓬勃发展，此后见证了皮层内设备最卓越宏大的成果展示。但该技术仍未通过需关键试验的临床转化阶段。尽管众多可行性试验已验证概念，下一步需在大样本人群复制结果、获FDA等监管机构上市批准，并使技术可及且可报销地覆盖广大患者群体。

Synchron公司将很快以FDA提交关键试验为目标。预提交阶段中，安全性问题已与FDA深入讨论。2023年报告的首个人体研究[2]中，主要终点为器械相关卒中或永久性病残（幸未发生）；次要终点含器械移位及导致血管闭塞的血栓（均未观察到）。部分患者出现头痛/瘀伤等非严重不良事件（随时间消退）[2]。结果令人鼓舞，但全面评估安全性仍需更大样本量。

我们计划解决的核心问题包括电极在运动皮层的定位精度。部分电极位于感觉皮层或辅助运动区，但均产生信号。随时间推移，电极精确定位的重要性将更明晰，需培训外科医师实现高定位精度。

识别运动相关特征已揭示若干基础洞见。编码与训练对临床转化构成挑战——因长期训练对患者不切实际。相反，识别与简单熟悉动作（如跺脚）关联的稳定神经特征，可产生高精度DMO并即时生效。我们观察到300-400Hz高频事件与运动起始高度相关且非噪声。这些发现正深入探索以提升解码准确率。

患者故事最能体现技术的现实影响。例如，我们早期一位因晚期ALS近乎完全闭锁的患者，在系统首次成功执行计算机操作时展露的笑容，深刻印证了系统价值。通过iPhone低离散功能DMO，他得以用应用程序报告疼痛问题——此前不可能完成的任务。虽然连续解码整合在推进中，当前焦点仍为离散解码（因其简洁稳定）。

过去十年非凡的进步轨迹昭示：BCI技术即将改变世界，而世界正密切关注——FDA与CMS紧密监督并引导发展。BCI学会此时应挺身而出，在全球担当领导角色，引导变革性技术的发布与实施。我构想BCI学会承担守护者职能，为其部署的所有方面提供关键的科学、伦理及以患者为中心的指导。我呼吁BCI学会秉持坚定审慎的立场，引领非凡时代的到来，确保患者福祉始终置于核心。

原文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-2552/ad9633/meta

来源：脑机接口产业联盟、IOP science

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