前沿 | 复旦团队研发用于脑卒中康复的便携式居家脑机接口

研究要点

脑卒中是全球第二大死因，也是导致长期残疾的主要原因之一，每年影响数百万人群，给全球医疗系统带来沉重负担。脑卒中后患者常面临运动功能障碍、感觉缺陷、认知损伤等多种问题，其中上肢和手部运动功能障碍最为常见，严重阻碍患者康复及回归家庭与社会，因此亟需有效的康复策略来促进功能恢复。传统物理治疗和运动康复存在效果有限、难以适应患者个体需求等局限，其依赖的重复性训练无法充分应对患者不同程度的损伤、认知困难及参与度差异。

脑卒中康复中的经颅磁刺激与脑机接口

近年来，经颅磁刺激（TMS）、经颅直流电刺激（tDCS）等非侵入性脑调控技术成为替代方案，其中TMS凭借能精准靶向特定皮质区域、调节皮层兴奋性、增强神经可塑性的优势，被临床指南认可为安全无痛改善脑卒中患者运动功能的有效手段，其潜在机制包括重新激活受损神经通路和促进运动网络重组。但临床应用中，TMS仍存在临床结果不可预测、无法根据患者动态脑活动实时调整治疗方案等问题。

临床闭环EEG-TMS监测与调节 ©研究团队/nature

而脑机接口（BCI）技术通过实时监测脑功能，在闭环脑卒中康复中展现出潜力，此前虽有研究将脑机接口训练与重复性经颅磁刺激（rTMS）结合取得一定效果，但受限于设备庞大、缺乏实时调整、诊断与治疗存在延迟等缺陷，临床转化受阻。同时，脑卒中后上肢和手部运动功能康复是一个长期过程，既需要医疗机构的住院康复，也需要持续的居家康复来提升疗效，这进一步凸显了开发便携、个性化、实时响应的康复设备的必要性。

非侵入式技术的“强强结合”

近日，复旦大学脑科学研究院、信息科学与工程学院、上海市第五人民医院等多团队联合研发的Magnetic NeuroRing（意为“磁性神经环”）便携式脑机接口系统，在国际权威期刊《npj Biomedical Innovations》发表研究成果。这款集成了实时脑电监测与靶向磁刺激的创新设备，结合两个主流非侵入式脑信号采集和脑刺激设备的优点，成功突破传统脑卒中康复治疗的传统局限，实现了临床与居家场景的无缝衔接，为脑卒中患者上肢及手部运动功能恢复提供了个性化、动态化的解决方案。

本研究中的便携式脑电图-经颅磁刺激系统——Magnetic NeuroRing，由一个可穿戴环组成，能够以500Hz的频率采集脑电图数据。它可以连接蓝牙进行无线数据传输，从而为脑卒中后的康复治疗提供具有适应性且用户友好的应用。©研究团队/nature

Magnetic NeuroRing的核心创新在于将8通道脑电图（EEG）监测与闭环连续theta脉冲刺激（cTBS）技术深度整合。该设备采用3D扫描技术定制结构轻量化的患者专属头罩，精度高达0.6毫米，能将电极与刺激线圈精准定位在大脑运动皮质区域。头罩外层由柔性热塑性聚氨酯制成、内层辅以碳纤维增强聚酰胺提供结构支撑和刚性，轻便舒适且结构稳固，配合蓝牙无线传输功能，让患者居家使用时也能轻松操作。

患者预期康复成果示意图，展示了三种手部姿势的完成情况：手掌放平、手指张开和手掌握拳。©研究团队/nature

其工作原理基于大脑运动意图的实时捕捉与动态干预：分布在运动相关区域（FC3、FC4、CP3、CP4、FT7、FT8、TP7、TP8）的8个镀金黄铜电极，以500Hz采样率采集脑电信号，实时传输与分析EEG数据。工作过程中，系统通过分析事件相关去同步化（ERD）这一核心生物标志物，精准识别患者的运动意图；当连续5次运动尝试中ERD/ERS值低于阈值时，系统会自动启动磁刺激模块，向过度活跃的大脑区域递送抑制性cTBS刺激，重新平衡脑卒中后受损的半球间神经动态。

磁刺激模块则配备磁悬浮线圈，由无氧铜漆包线和纯铁芯组成，能产生均匀的磁场分布，线圈表面磁场强度约36mT，在皮层处仍能达到有效刺激强度，同时最大限度减少非靶向效应；此外，内置的磁针指示器会通过可闻声信号提示刺激启动，方便用户与医护人员确认。

前瞻性验证表现优异

在实验验证方面，研究招募了9名健康受试者和9名临床医生进行评估，并纳入脑卒中患者开展病例研究。临床验证数据显示，该设备在安全性、可用性与感知有效性方面均获得高分评价，分别达到4.7/5、4.5/5和4.6/5。在健康受试者实验中，自适应cTBS刺激成功调节了静息态与任务相关的神经指标，与大型临床设备的研究结果一致，证实了其诱导神经可塑性变化的可行性。

两名脑卒中患者经干预后，已能顺利完成手掌平放、手指伸展、握拳等功能性动作；对比实验显示，使用该设备的实验组两周内Fugl-Meyer上肢功能评分平均提升7.0分，显著高于传统治疗对照组的3.0分，凸显了其在促进运动功能恢复上的优势。

a 干预前后脑电图信号的频谱，显示干预后α-β波段的频谱功率有所增加。b 经颅磁刺激干预前后FC4电极位点的事件相关频谱扰动（ERSP）图，显示干预后低频波段有显著激活。c 干预前后的地形图，干预后激活（蓝色）明显增强。©研究团队/nature

与传统临床闭环TMS设备相比，Magnetic NeuroRing具备显著优势：不仅体积小巧、支持居家自主治疗，还通过强化学习算法实现了治疗参数的动态优化潜力，其双模式设计可无缝衔接医院临床评估与居家长期康复，解决了脑卒中康复过程中“院内有效、院外中断”的关键问题。

不过，本研究是在一小群健康参与者中对Magnetic NeuroRing系统进行的初步前瞻性验证。未来，团队计划进一步扩大样本量和纳入脑卒中患者，改进Magnetic NeuroRing系统的自适应算法、整合多模态传感器和个性化刺激策略来构建治疗方案，以改善临床效果，同时探索其在其他神经系统疾病治疗中的应用可能。

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