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腦機(jī)接口行業(yè)發(fā)展歷程及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-06-24

腦機(jī)接口概述

腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI )是在大腦與外部環(huán)境之間建立起的、不依賴于外周神經(jīng)通路的交流與控制通道，從而實(shí)現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的直接交互。

腦機(jī)接口的基本流程包括腦電采集、信號獲取、信號處理、信號輸出/執(zhí)行、觸發(fā)反饋信號，首先需要通過電極采集到原始腦電數(shù)據(jù)，并通過降噪、放大等方式排除噪聲、電磁等環(huán)境影響，得到高質(zhì)量的腦電數(shù)據(jù)后，基于深度學(xué)習(xí)算法/專家知識將腦電信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)信號，對計(jì)算機(jī)信號進(jìn)行特征提取和分類判斷進(jìn)而形成指令，執(zhí)行指令進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過電、磁、超聲等方式的評估調(diào)節(jié)治療，或通過控制外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，或?qū)υ撨^程直接進(jìn)行科研借鑒。

腦機(jī)接口系統(tǒng)可以根據(jù)腦信號采集的方式，分為侵入式和非侵入式腦機(jī)接口；或根據(jù)腦機(jī)接口范式/感覺刺激/采用的信號進(jìn)行分類，可分為單一范式/單一感覺刺激/單一腦信號的腦機(jī)接口和混合腦機(jī)接口。

不同的深度腦機(jī)接口檢測到的信號的精細(xì)度和特征不同，非侵入式腦機(jī)接口如頭戴式腦電帽，檢測到的信號被稱為 EEG，是距離皮層較近的按特定幾何形態(tài)排布并被同步激活的大量神經(jīng)元突觸活動(dòng)。侵入式腦機(jī)接口可以分為皮層腦電（ECoG）和深部腦電信號，皮層腦電是指直接從皮層獲得的電信號記錄。

深部腦電信號可分為單個(gè)神經(jīng)元信號（Spike）和局部場電位（LFP）。侵入式腦機(jī)接口可以獲得更高強(qiáng)度、高質(zhì)量的信號，但具備較高的經(jīng)濟(jì)成本和較大安全風(fēng)險(xiǎn)；非侵入式腦機(jī)接口采集信號偏弱，但可以有效避免手術(shù)及不良反應(yīng)的發(fā)生。

發(fā)展歷程：從學(xué)術(shù)探索到應(yīng)用試驗(yàn)，國內(nèi)外加速發(fā)展

腦機(jī)接口的發(fā)展歷程可以分為學(xué)術(shù)探索階段、科學(xué)論證階段和應(yīng)用試驗(yàn)階段，目前腦機(jī)接口技術(shù)正在第三個(gè)階段中蓬勃發(fā)展。

學(xué)術(shù)探索階段主要是腦電波以及與大腦不同狀態(tài)相關(guān)的α波和β波的發(fā)現(xiàn)，伴隨著 1969 年研究員埃伯哈德·費(fèi)茲（Eberhard Fetz）設(shè)計(jì)游戲使猴子通過特定思考來觸發(fā)儀表盤的指針轉(zhuǎn)動(dòng)從而獲得游戲獎(jiǎng)勵(lì)，此后科學(xué)家嘗試通過解碼大腦電信號來控制外部設(shè)備，腦機(jī)接口發(fā)展邁入科學(xué)論證階段，在此期間科學(xué)論證的研究日益增多。隨著神經(jīng)科學(xué)與相關(guān)技術(shù)的不斷突破，腦機(jī)接口技術(shù)開始快速發(fā)展。

21 世紀(jì)以來，以 Neuralink 為代表的腦機(jī)接口公司陸續(xù)推出產(chǎn)品，并于 2023 年獲批進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)，腦機(jī)接口領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究、臨床應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新進(jìn)程持續(xù)加速中。國內(nèi)腦機(jī)接口研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅猛。

自上世紀(jì) 90 年代起，我國陸續(xù)在“北上廣”及重點(diǎn)省會城市成立腦科學(xué)研究相關(guān)中心和實(shí)驗(yàn)室，并于 2017 年、2018 年、2023 年分別成立了類腦智能技術(shù)及應(yīng)用國家工程實(shí)驗(yàn)室、北京腦科學(xué)與類腦研究中心、中國腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，推動(dòng)腦機(jī)接口行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。2020 年，浙江大學(xué)完成國內(nèi)首例侵入式腦機(jī)接口人體試驗(yàn)，七旬患者可以完全利用大腦皮層信號精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂和機(jī)械手完成握手、拿取飲料等日?；顒?dòng)。

2023 年，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院在宣武醫(yī)院完成首例無線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口 NEO 人體試驗(yàn)，患者可以通過腦電活動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手套，實(shí)現(xiàn)自主喝水等腦控功能，抓握解碼準(zhǔn)確率超過 90%，此外患者脊髓損傷的 ASIA 臨床評分和感覺誘發(fā)電位響應(yīng)均有顯著改善。

產(chǎn)業(yè)鏈處于早期階段，成熟產(chǎn)業(yè)化道阻且長

腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游、中游和下游三個(gè)環(huán)節(jié)，上游包括腦電采集設(shè)備（非侵入式電極和侵入式微電極）、BCI 芯片、處理計(jì)算機(jī)/數(shù)據(jù)集和處理算法、操作系統(tǒng)級分析軟件和外部嵌套等，參與者包括芯片和腦電采集設(shè)備商、操作系統(tǒng)和軟件商、數(shù)據(jù)分析商等；中游主要包括腦電采集平臺型公司、腦機(jī)接口設(shè)備型公司；下游則包括醫(yī)療健康、教育培訓(xùn)、游戲娛樂、軍事國防等商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域及醫(yī)療機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)、高校等研究應(yīng)用領(lǐng)域。

全球腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈仍處于初期發(fā)展階段，上游設(shè)備尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)，BCI 芯片和算法是核心技術(shù)壁壘。受制于腦機(jī)接口現(xiàn)有規(guī)模有限性及產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)的高成本，目前我國腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不夠完善，芯片領(lǐng)域是我國腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈最薄弱的環(huán)節(jié)，對德州電氣（信號處理芯片 TI AD1299）、意法半導(dǎo)體（程序控制單片機(jī) STM32）等國外廠商有較強(qiáng)依賴性。設(shè)計(jì) BCI 芯片的技術(shù)壁壘主要源自模擬電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、對低功耗的嚴(yán)格要求以及實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸?shù)哪芰Α?

BCI 芯片設(shè)計(jì)方案分為通用方案與專用 ASIC（Application-SpecificIntegrated Circuit）方案，通用方案因其廣泛的適用性而能在多種應(yīng)用場景中發(fā)揮作用，而專用 ASIC 方案則針對特定需求進(jìn)行深度定制，從而在性能和功耗優(yōu)化上表現(xiàn)更為出色，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的企業(yè)和高校，如 Neuralink、布朗大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)等，已著手研發(fā)腦機(jī)接口專用的 ASIC 芯片。

此外，腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈的體系化特征顯著，任一環(huán)節(jié)的低效率（如手術(shù)植入效率的不足）都會直接影響整體植入方案的效果，從而限制應(yīng)用場景的拓展。目前，我國腦機(jī)接口平臺的核心組件仍然高度依賴進(jìn)口，我國在此領(lǐng)域的國產(chǎn)化程度尚顯不足。

為了在全球腦機(jī)接口技術(shù)競爭中占據(jù)有利地位甚至實(shí)現(xiàn)趕超，我國急需提升核心零部件的國產(chǎn)化率、全面加強(qiáng)腦機(jī)接口技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，確保各環(huán)節(jié)的高效銜接，以推動(dòng)國內(nèi)腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

關(guān)鍵技術(shù)：材料、芯片、數(shù)據(jù)處理、醫(yī)學(xué)技術(shù)為核心競爭力

在腦機(jī)接口的工作過程中，腦機(jī)接口材料和芯片、腦機(jī)接口數(shù)據(jù)處理相關(guān)技術(shù)、腦機(jī)接口醫(yī)學(xué)相關(guān)技術(shù)是核心環(huán)節(jié)，需要計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、材料學(xué)、微電子、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)工程、運(yùn)動(dòng)康復(fù)、心理學(xué)多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜覀兊墓餐εc緊密合作，還需數(shù)據(jù)管理、機(jī)器學(xué)習(xí)、軟件工程等數(shù)據(jù)處理方面的技術(shù)手段作為支持。

腦機(jī)接口的核心競爭點(diǎn)之一在材料和芯片，使用壽命長、生物相容性高、可獲取更高分辨率信號的侵入式材料和兼顧電特性/舒適性/便捷性的非侵入式材料能夠從源頭提升信號質(zhì)量；芯片負(fù)責(zé)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，其技術(shù)關(guān)鍵在于提升采集分辨率、減少干擾，材料和芯片共同影響腦機(jī)接口的整體質(zhì)量及應(yīng)用。

腦機(jī)接口數(shù)據(jù)處理技術(shù)的核心在于將腦電信號解碼為指令，研究焦點(diǎn)在于優(yōu)化信號處理和轉(zhuǎn)換算法，涵蓋數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)管理、機(jī)器學(xué)習(xí)及軟件工程，同時(shí)依賴高性能計(jì)算能力，以實(shí)現(xiàn)高效的信號轉(zhuǎn)換。此外，醫(yī)學(xué)技術(shù)是決定腦機(jī)接口能否發(fā)揮應(yīng)用效果的最后一環(huán)，非侵入式接口依賴醫(yī)學(xué)指導(dǎo)而侵入式接口則需臨床醫(yī)生專業(yè)技術(shù)完成植入。

發(fā)展挑戰(zhàn)：技術(shù)和商業(yè)化挑戰(zhàn)不減，倫理安全問題仍需重視

腦機(jī)接口在發(fā)展過程中面臨著交叉學(xué)科的復(fù)雜性、基礎(chǔ)理論框架不足、技術(shù)成熟度低、商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)，以及隱私、數(shù)據(jù)安全及倫理問題，距離成熟產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍有很長的路要走。目前尚無統(tǒng)一的腦機(jī)接口基礎(chǔ)理論框架，也缺乏對系統(tǒng)性能進(jìn)行科學(xué)評判的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。作為跨學(xué)科研究領(lǐng)域，腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展有賴于神經(jīng)科學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科人才的協(xié)作和知識整合。

技術(shù)發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)，當(dāng)前對人腦研究仍相對付錢，神經(jīng)元機(jī)理等腦機(jī)制研究有待深入；硬件方面，腦電采集和分析設(shè)備主要依賴國外廠商且便攜性較差，急需國產(chǎn)化、便攜化、高性能的腦電采集及記錄的硬件作為技術(shù)轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)和技術(shù)落地的載體；軟件方面，目前軟件工作包通常僅針對單一環(huán)節(jié)，增加了研發(fā)成本、周期和跨領(lǐng)域合作門檻，不利于技術(shù)的快速迭代發(fā)展。由于腦機(jī)接口技術(shù)和市場仍屬早期階段，產(chǎn)品合規(guī)性存在疑問，缺乏相關(guān)法律遵循，導(dǎo)致完整的商業(yè)化發(fā)展難以實(shí)現(xiàn)。

腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用還可能會涉及到隱私、數(shù)據(jù)安全和倫理問題，需要引起足夠的重視，如黑客攻擊、意念控制、數(shù)據(jù)竊取等隱私安全問題，以及人性問題、倫理問題、審查問題等。

醫(yī)療健康是腦機(jī)接口最重要的應(yīng)用領(lǐng)域

醫(yī)療健康是目前腦機(jī)接口最大的市場應(yīng)用領(lǐng)域，也是最主要且最接近商業(yè)化的領(lǐng)域，下游應(yīng)用解決方案企業(yè)中醫(yī)療方向占比過半。腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)下游相關(guān)企業(yè)近 350 家，較明晰的應(yīng)用方向不少于 30 種，主要分為醫(yī)療和非醫(yī)療兩類，其中醫(yī)療企業(yè)占比 56%，消費(fèi)、工業(yè)、教育等非醫(yī)療企業(yè)占比 44%。當(dāng)前腦機(jī)接口領(lǐng)域的植入式技術(shù)均面向醫(yī)療，此外也有部分非植入式技術(shù)用在醫(yī)療中。

在醫(yī)療健康領(lǐng)域，BCI 技術(shù)可以跨越常規(guī)的大腦信息輸出通路，實(shí)現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的直接交互，通過 BCI 設(shè)備獲取運(yùn)動(dòng)、視覺、聽覺、語言等大腦區(qū)域的信息并分析，實(shí)現(xiàn)對疾病的監(jiān)測診斷、治療、康復(fù)、管理和預(yù)防。非醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用方向包括工業(yè)安全監(jiān)測、車內(nèi)交互控制和疲勞檢測、對外交互、外設(shè)控制、游戲控制、體育訓(xùn)練和人才選拔、模擬訓(xùn)練和體驗(yàn)、產(chǎn)品優(yōu)化、安全識別認(rèn)證等。

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