一种可穿戴重复经颅磁刺激（rTMS）设备：突破局限，开启神经调控新篇

《Nature Communications》：A wearable repetitive transcranial magnetic stimulation device

当前，重复经颅磁刺激（rTMS）因设备笨重、功耗大，限制了其在自由行为、家庭及社区场景的应用。研究人员开展可穿戴 rTMS 设备研发，成功开发出重 3kg、功耗降至商用设备 10% 的设备。该成果为 rTMS 应用带来新突破，具有重要意义。

　　在神经科学和医学领域，重复经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）是一项极为重要的技术。它能通过磁场作用于大脑，广泛应用于多种神经精神疾病的治疗，如抑郁症等，同时也是认知神经科学研究的关键工具。然而，现有的 rTMS 设备却像一个个 “大块头”，不仅体积庞大，功耗还高得惊人，动辄达到千瓦级别。这使得它们只能乖乖地待在医院等固定场所，无法跟随人们在日常生活中自由使用，极大地限制了其应用范围。比如，在现实世界中人们自由活动时，就没办法利用 rTMS 来探究神经调制的奥秘；神经康复训练时，也无法借助 rTMS 提升神经可塑性和康复效果；而且，高昂的治疗成本和对专业医护人员的依赖，让很多患者难以负担，影响了治疗的持续性和效果 。

为了解决这些难题，中国科学院自动化研究所的研究人员勇挑重担，开展了一项意义重大的研究。他们致力于研发一款可穿戴的 rTMS 设备，经过不懈努力，成功开发出名为 rTMS-tiny 的设备。这款设备就像给 rTMS 技术装上了 “翅膀”，让它能够摆脱束缚，走进人们的日常生活。该研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了广泛关注。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是采用轻量化磁芯线圈技术，通过优化磁芯线圈设计，在降低重量的同时保证刺激强度；二是运用高功率密度、高压脉冲驱动技术，实现了设备的高效运行和高频率重复脉冲输出；此外，还借助电磁模拟软件 COMSOL Multiphysics 进行电磁场模拟，优化线圈设计，并通过多种实验测试设备性能，如测量运动诱发电位（motor-evoked potential，MEP）来验证刺激强度。

下面来详细看看研究结果：

1. 超紧凑电池供电磁刺激器和轻质磁芯线圈实现可穿戴 rTMS：rTMS-tiny 由超紧凑的电池供电磁刺激器和轻质磁芯 8 字形线圈组成。磁芯线圈重 1.7kg，磁刺激器重 1.3kg，二者通过 1.5 米电缆连接。它能产生正弦双相脉冲，最大磁通密度达 1.2 特斯拉，重复输出频率最高 100Hz，满足多数 rTMS 应用需求。而且，通过特殊设计和材料选择，在室温自然冷却下，线圈温度在多次刺激后也能保持在安全范围内。
2. 弯曲双 T 型磁芯线圈实现超低功耗且不增加重量：研究人员设计的弯曲双 T 型磁芯 8 字形线圈（T2-Bent-D63），结合了磁芯线圈和双锥线圈的优点。通过缩小线圈直径减轻重量，弯曲线圈增强穿透能力，使诱导电场强度接近商用 Magstim D70 线圈，且功耗大幅降低，仅为其 10% 左右。
3. 电池供电的超紧凑磁刺激器实现高频重复脉冲输出：T2-Bent-D63 磁芯线圈降低了线圈电流和电容容量，为开发轻质紧凑的电池供电磁刺激器创造了条件。研究人员利用高功率密度、高压脉冲驱动技术，开发出重仅 1.3kg 的 rTMS-tiny 磁刺激器。该刺激器采用双相脉冲输出，能量回收效率高，并配备高效的高压 DC/DC 转换模块，输出功率大、效率高，能满足设备高频重复脉冲输出的需求。
4. rTMS-tiny 系统的整体性能测试：对 rTMS-tiny 系统与 Magstim 的 Super Rapid2 Plus 传统 TMS 系统进行对比测试。结果显示，二者脉冲宽度相似，rTMS-tiny 线圈表面最大磁通密度更大，电场强度相当，但 rTMS-tiny 单脉冲能量损失显著降低，仅为 Magstim 的不到 10%。在不同频率刺激下，rTMS-tiny 均能保持稳定输出，且在多种治疗模式下，线圈温度在安全范围内。此外，rTMS-tiny 由锂电池供电，续航能力可满足多次标准治疗，连接外部电源时可连续运行。
5. 人体刺激强度测试：在人体刺激强度测试中，对 15 名健康志愿者进行实验，对比 rTMS-tiny 和 Magstim 的刺激强度。结果表明，rTMS-tiny 的最大刺激强度约为 Magstim 的 90 - 100%（基于静息运动阈值，resting motor threshold，RMT），约为 90%（基于 MEP 振幅）。这意味着 rTMS-tiny 在人体刺激强度方面与商用设备相当，具备实际应用的潜力。
6. 自由行走过程中的 rTMS 神经调制：研究人员还利用 rTMS-tiny 探究了自由行走过程中的神经调制现象。实验发现，自由行走时肢体肌肉的神经活动会影响其他肢体肌肉的活动，且 MEP 振幅在自由行走时比静止状态显著增加。这一结果首次证明了自由行走过程中的远程效应，展示了可穿戴 rTMS 在自由行为中实现稳定神经调制的能力，为中风康复等研究开辟了新方向。

在研究结论和讨论部分，rTMS-tiny 的出现意义非凡。它在保持与商用设备相当的刺激强度和重复频率的同时，大大降低了功耗和体积，实现了可穿戴的功能。这不仅使高频 rTMS 在日常生活中成为可能，推动了家庭和社区治疗的发展；还为神经科学研究提供了新工具，有助于深入探究自然场景和自由行为中大脑功能的动态变化。此外，可穿戴 rTMS 有望变革神经精神疾病的治疗模式，减轻患者负担，提高治疗依从性。不过，从传统临床设备到可穿戴设备的转变也带来了挑战，如电气和医疗安全问题。研究人员采取了多种措施保障安全，未来还需临床医生、工程师和监管机构共同努力，制定标准协议，确保设备安全、有效、易用。总之，这项研究为 rTMS 技术的发展和应用带来了新的曙光，让人们对未来神经调控和疾病治疗充满期待。