全球首款可穿戴經顱磁刺激設備研制成功

3月20日，記者從中國科學院自動化研究所（以下簡稱自動化所）獲悉，該所腦網絡組與腦機接口北京市重點實驗室宣布，成功研發出一款革命性的電池供電可穿戴重復經顱磁刺激設備（rTMS），重量小于3公斤，其性能與商用大型設備相當，為rTMS技術在家庭、社區及自由行動中的全場景應用提供了更多可能。相關成果已發表在國際學術期刊《自然—通訊》（Nature Communications）上。

 rTMS尺寸示意圖。圖片來自論文，下同

腦機接口技術將大腦與機器建立聯系，實現腦與外部設備的信息交換，按照信息流的方向可分為“腦控”和“控腦”兩類。“腦控”實現了腦信號解碼到外部設備的信息轉換，而“控腦”也叫神經調控，通過電、磁、聲、光、熱等手段，將物理能量寫入大腦來干預神經元的活動，實現機器到腦的信息交換。相較于藥物治療，物理神經調控技術因其副作用小、靶向性好，是臨床腦疾病治療的利器。目前，以深部腦刺激（DBS）為代表的有創神經調控技術已在治療帕金森癥等領域取得很大進展。然而，在無創神經調控中，由于頭皮、顱骨、腦脊液、腦膜等多層顱腦結構，將腦組織層層保護，使得精確、有效的無創神經調控變得異常困難，始終是神經調控領域中一塊難啃的“硬骨頭”。

1985年，英國謝菲爾德大學教授安東尼·巴克爾等人發明了經顱磁刺激技術（TMS），其利用時變磁場在腦內產生感應電流，從而實現對神經元的非侵入性調控，可以直接激活神經元產生動作電位。其作為一種閾上的無創神經調控手段，與磁共振成像（MRI）、正電子發射成像（PET）、腦磁圖（MEG）并稱“腦科學四大技術”，也是其中唯一的“寫入”信號的技術。相較于電休克（ECT）等閾上調控手段，TMS無需麻醉、副作用小、安全性高，在腦健康領域展現出巨大潛力。如今，重復經顱磁刺激已被美國食品藥品監督管理局批準用于抑郁癥（成人和青少年）、偏頭痛、強迫癥和煙癮的治療，其他疾病如精神分裂、帕金森、卒中等的治療和康復應用正在探索進行中。然而，傳統rTMS的脈沖發放頻率很高（可達50 Hz以上），在線圈中產生幾千安培的電流，設備功率在幾千瓦到幾十千瓦，配套的電源和散熱設施使得設備重達數十公斤，極大限制了其在臨床和科研中的應用。如何將rTMS小型化、甚至實現可穿戴，是科研人員和工程師久攻不克的技術難題。

據該論文第一作者、自動化所副研究員戚自輝介紹，研究團隊通過輕量級磁芯線圈設計和高功率密度高壓脈沖驅動技術的突破，成功將設備的功耗、重量降至進口商用設備的10%，且和現有傳統商業TMS設備的刺激強度十分接近。在人體試驗中，該設備成功誘發了手部和腿部的運動誘發電位（MEP），首次在自由行走過程中實現了rTMS神經調控，揭示了中樞神經系統和不同肢體肌肉活動之間的動態相互作用。

rTMS設備（手持式和背帶式）

研究人員稱，可穿戴rTMS設備在臨床和科研中具有巨大的應用潛力。首先，它為抑郁癥等神經精神疾病的治療提供了全新場景的解決方案，患者可在醫院、家庭、工作場所甚至旅途中接受不間斷、及時的治療，實現隨時、隨地、隨身的使用。這一優勢顯著擴大了TMS治療的受眾群體，在滿足患者個性化的治療需求同時，降低就醫成本并提高治療依從性。其次，該設備為研究自然場景下腦功能的動態變化提供了全新工具，通過擾動大腦活動來研究行為或認知的變化，有助于驗證自由運動過程中不同腦區的功能。

論文共同第一作者、自動化所高級工程師劉浩表示，這種可穿戴的rTMS設備未來可與腦電、近紅外等非侵入式腦信號檢測技術結合，通過對腦信號的實時解碼來優化rTMS調控過程，形成可穿戴式閉環rTMS神經調控系統，將提升現有rTMS的治療穩定性，讓閉環腦機接口從實驗室走向真實場景的大規模應用成為可能。

“可穿戴rTMS設備的成功研發是神經精神疾病治療領域的一項重大突破，它將為患者帶來更便捷、更有效的治療選擇，同時也為腦科學研究提供了新的工具。”腦網絡組與腦機接口北京市重點實驗室主任、研究員蔣田仔表示：“我們相信，這項使能技術將會在腦健康和腦機接口領域發揮重要的作用。”

該論文的共同第一作者為戚自輝和劉浩，蔣田仔為通訊作者。論文的主要合作者包括左年明、宋明、樊令仲、楊正宜、金芳以及王一航、盧雪峰等。該研究得到了國家科技創新2030—“腦科學與類腦研究”重大項目定向委托任務和國家自然科學基金等項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58095-9