全球首款可穿戴经颅磁刺激设备研制成功

3月20日，记者从中国科学院自动化研究所（以下简称自动化所）获悉，该所脑网络组与脑机接口北京市重点实验室宣布，成功研发出一款革命性的电池供电可穿戴重复经颅磁刺激设备（rTMS），重量小于3公斤，其性能与商用大型设备相当，为rTMS技术在家庭、社区及自由行动中的全场景应用提供了更多可能。相关成果已发表在国际学术期刊《自然—通讯》（Nature Communications）上。

 rTMS尺寸示意图。图片来自论文，下同

脑机接口技术将大脑与机器建立联系，实现脑与外部设备的信息交换，按照信息流的方向可分为“脑控”和“控脑”两类。“脑控”实现了脑信号解码到外部设备的信息转换，而“控脑”也叫神经调控，通过电、磁、声、光、热等手段，将物理能量写入大脑来干预神经元的活动，实现机器到脑的信息交换。相较于药物治疗，物理神经调控技术因其副作用小、靶向性好，是临床脑疾病治疗的利器。目前，以深部脑刺激（DBS）为代表的有创神经调控技术已在治疗帕金森症等领域取得很大进展。然而，在无创神经调控中，由于头皮、颅骨、脑脊液、脑膜等多层颅脑结构，将脑组织层层保护，使得精确、有效的无创神经调控变得异常困难，始终是神经调控领域中一块难啃的“硬骨头”。

1985年，英国谢菲尔德大学教授安东尼·巴克尔等人发明了经颅磁刺激技术（TMS），其利用时变磁场在脑内产生感应电流，从而实现对神经元的非侵入性调控，可以直接激活神经元产生动作电位。其作为一种阈上的无创神经调控手段，与磁共振成像（MRI）、正电子发射成像（PET）、脑磁图（MEG）并称“脑科学四大技术”，也是其中唯一的“写入”信号的技术。相较于电休克（ECT）等阈上调控手段，TMS无需麻醉、副作用小、安全性高，在脑健康领域展现出巨大潜力。如今，重复经颅磁刺激已被美国食品药品监督管理局批准用于抑郁症（成人和青少年）、偏头痛、强迫症和烟瘾的治疗，其他疾病如精神分裂、帕金森、卒中等的治疗和康复应用正在探索进行中。然而，传统rTMS的脉冲发放频率很高（可达50 Hz以上），在线圈中产生几千安培的电流，设备功率在几千瓦到几十千瓦，配套的电源和散热设施使得设备重达数十公斤，极大限制了其在临床和科研中的应用。如何将rTMS小型化、甚至实现可穿戴，是科研人员和工程师久攻不克的技术难题。

据该论文第一作者、自动化所副研究员戚自辉介绍，研究团队通过轻量级磁芯线圈设计和高功率密度高压脉冲驱动技术的突破，成功将设备的功耗、重量降至进口商用设备的10%，且和现有传统商业TMS设备的刺激强度十分接近。在人体试验中，该设备成功诱发了手部和腿部的运动诱发电位（MEP），首次在自由行走过程中实现了rTMS神经调控，揭示了中枢神经系统和不同肢体肌肉活动之间的动态相互作用。

rTMS设备（手持式和背带式）

研究人员称，可穿戴rTMS设备在临床和科研中具有巨大的应用潜力。首先，它为抑郁症等神经精神疾病的治疗提供了全新场景的解决方案，患者可在医院、家庭、工作场所甚至旅途中接受不间断、及时的治疗，实现随时、随地、随身的使用。这一优势显著扩大了TMS治疗的受众群体，在满足患者个性化的治疗需求同时，降低就医成本并提高治疗依从性。其次，该设备为研究自然场景下脑功能的动态变化提供了全新工具，通过扰动大脑活动来研究行为或认知的变化，有助于验证自由运动过程中不同脑区的功能。

论文共同第一作者、自动化所高级工程师刘浩表示，这种可穿戴的rTMS设备未来可与脑电、近红外等非侵入式脑信号检测技术结合，通过对脑信号的实时解码来优化rTMS调控过程，形成可穿戴式闭环rTMS神经调控系统，将提升现有rTMS的治疗稳定性，让闭环脑机接口从实验室走向真实场景的大规模应用成为可能。

“可穿戴rTMS设备的成功研发是神经精神疾病治疗领域的一项重大突破，它将为患者带来更便捷、更有效的治疗选择，同时也为脑科学研究提供了新的工具。”脑网络组与脑机接口北京市重点实验室主任、研究员蒋田仔表示：“我们相信，这项使能技术将会在脑健康和脑机接口领域发挥重要的作用。”

该论文的共同第一作者为戚自辉和刘浩，蒋田仔为通讯作者。论文的主要合作者包括左年明、宋明、樊令仲、杨正宜、金芳以及王一航、卢雪峰等。该研究得到了国家科技创新2030—“脑科学与类脑研究”重大项目定向委托任务和国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58095-9