腦機(jī)接口原理、發(fā)展歷程、技術(shù)路徑、產(chǎn)業(yè)鏈與應(yīng)用分析

腦機(jī)接口自提出以來(lái)已經(jīng)歷長(zhǎng)期發(fā)展，逐步走向成熟。

腦機(jī)接口的原理基礎(chǔ)是神經(jīng)科學(xué)，利用傳感器采集并放大神經(jīng)電生理信號(hào)。 大腦中樞神經(jīng)元膜電位的變化會(huì)產(chǎn)生鋒電位（spikes）或動(dòng)作電位（action potentials），并且神經(jīng)細(xì)胞突觸間傳遞的離子移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)電位（field potentials）。可以利用傳感器采集并放大這些神經(jīng)電生理信號(hào)，例如在不同 位置和深度采集場(chǎng)電位，可以收集到頭皮腦電信號(hào)（electroencephalograpm， EEG）、皮層腦電信號(hào)（electrocortico graphy，ECoG）和局部場(chǎng)電位（local field potentials，LFP）。

腦機(jī)接口概念為 1973 年提出，至今超過(guò) 50 周年，當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用普及 期，有望進(jìn)一步走向成熟商用。

基礎(chǔ)研究期：1973 至 1992 年，特點(diǎn)是基礎(chǔ)理論得到發(fā)展。P300、SSVEP、 運(yùn)動(dòng)想象等范式誕生。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證期：1993 至 2012 年，特點(diǎn)為上中游逐漸成熟以為科研實(shí)驗(yàn)提 供技術(shù)和設(shè)備，實(shí)驗(yàn)的廣泛開(kāi)展使得技術(shù)不斷積累和迭代。2004 年美 國(guó) FDA 批準(zhǔn) BrainGate 可植入人體為廣泛開(kāi)展臨床試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。多 例知名實(shí)驗(yàn)證實(shí)人體和動(dòng)物可通過(guò)不同范式實(shí)現(xiàn)腦控機(jī)械臂、腦控光 標(biāo)等外設(shè)。

應(yīng)用期：2013 至 2032 年，可進(jìn)一步分為兩個(gè)階段，階段一是應(yīng)用萌芽 期，從 2013 年至 2022 年，特點(diǎn)為應(yīng)用解決方案出現(xiàn)和增多，應(yīng)用范 圍由醫(yī)療擴(kuò)展到非醫(yī)療。植入式領(lǐng)域，腦機(jī)接口治療特定神經(jīng)疾病成 效顯著，醫(yī)療應(yīng)用潛力不斷被發(fā)掘拓展。非植入式領(lǐng)域，腦機(jī)接口數(shù)字 處方和康復(fù)設(shè)備陸續(xù)獲得上市準(zhǔn)許。工業(yè)、教育、營(yíng)銷(xiāo)領(lǐng)域已經(jīng)商用； 康養(yǎng)、娛樂(lè)、交通領(lǐng)域解決方案日漸增多。階段二是應(yīng)用普及期，從 2023 年開(kāi)始，預(yù)計(jì)到 2032 年結(jié)束，有望在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)“應(yīng)用解決方案 效果良好，多類(lèi)解決方案走向成熟商用”的目標(biāo)。在此階段內(nèi)，伴隨神 經(jīng)科學(xué)和工程技術(shù)的進(jìn)步，生物相容性等傳統(tǒng)難題被逐步解決，里程 碑式應(yīng)用成果頻出，臨床效果不斷被驗(yàn)證。腦機(jī)接口技術(shù)在重建和改 善人類(lèi)運(yùn)動(dòng)功能，增強(qiáng)和擴(kuò)大感知能力，融合虛擬與現(xiàn)實(shí)環(huán)境多方面 有望發(fā)揮巨大潛力。腦機(jī)接口系統(tǒng)功能將趨于完備，成本和安全風(fēng)險(xiǎn) 也將在可控范圍，預(yù)計(jì)到 2032 年全球多家廠商的腦機(jī)接口系統(tǒng)成熟商 用。

根據(jù)信號(hào)采集方式的不同，腦機(jī)接口技術(shù)可以分為非侵入式、半侵入式和 侵入式三種類(lèi)型。對(duì)于輸出型腦機(jī)接口來(lái)說(shuō)，如何獲取腦電信號(hào)至關(guān)重要。 人的頭部從外向里看，依次是頭皮、顱骨、硬腦膜、大腦皮層等結(jié)構(gòu)，傳感 器（電極）的植入位置越深，采集到的腦電信號(hào)質(zhì)量越好、頻率越高，但受 試者的安全風(fēng)險(xiǎn)越大。

非侵入式腦機(jī)接口：不會(huì)破壞人的身體和組織，只在頭皮表面采集極 其細(xì)微的大腦信號(hào)，具有可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)全腦信號(hào)、系統(tǒng)簡(jiǎn)單易操作、生物 相容性和安全性好、成本低等特點(diǎn)。但由于隔著顱骨和頭皮，只能采集 到低頻（20 赫茲以下）的腦內(nèi)神經(jīng)脈沖，獲得的腦電信號(hào)容易受到外 界干擾、摻雜大量噪音，信號(hào)質(zhì)量和分辨率較低, 對(duì)信號(hào)感知處理技術(shù) 要求高。

半侵入式腦機(jī)接口：通過(guò)微創(chuàng)手術(shù)將體內(nèi)機(jī)植入到顱骨內(nèi)、大腦皮層 之外，電極覆蓋在硬腦膜外（硬膜起到保護(hù)神經(jīng)組織的作用），可以獲 得較高的信號(hào)強(qiáng)度和分辨率，在保證顱內(nèi)信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，不破壞神 經(jīng)組織，降低免疫反應(yīng)和愈傷組織的風(fēng)險(xiǎn)。

侵入式腦機(jī)接口：通過(guò)神經(jīng)外科手術(shù)等方式直接將電極植入到大腦皮 層，可以獲取高頻（可達(dá)上千赫茲）信號(hào)。但由于需要開(kāi)放式創(chuàng)口植入， 會(huì)帶來(lái)感染風(fēng)險(xiǎn)；需要把電極長(zhǎng)期放置在腦中，電極插入腦組織，可能 導(dǎo)致膠質(zhì)細(xì)胞的免疫反應(yīng)，細(xì)胞可能會(huì)包裹電極導(dǎo)致信號(hào)變差，電極 則有可能因結(jié)痂而產(chǎn)生其他風(fēng)險(xiǎn)。隨著電極失效，需要手術(shù)取出或再 次植入，產(chǎn)生新的風(fēng)險(xiǎn)。由于侵入式腦機(jī)接口創(chuàng)傷大、風(fēng)險(xiǎn)高，利用這 種方式的患者往往需要長(zhǎng)期在醫(yī)院進(jìn)行訓(xùn)練，很難回歸家庭。近年來(lái)， 隨著微納加工技術(shù)和電極材料不斷發(fā)展，侵入式腦機(jī)接口向著柔性、 小型化、高通量和集成化發(fā)展，為醫(yī)療場(chǎng)景大規(guī)模落地奠定基礎(chǔ)，但依 然無(wú)法覆蓋全腦范圍。

侵入式和非侵入式兩種技術(shù)路徑分別朝向不同類(lèi)型應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)展，在一定 時(shí)期內(nèi)仍將并存和相互結(jié)合。從目前的科技水平來(lái)看，兩種技術(shù)路徑均存在 不同的難題有待解決，也決定了二者無(wú)法彼此取代對(duì)方，而將形成侵入式多 面向醫(yī)療領(lǐng)域和科研實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，非侵入式面向消費(fèi)領(lǐng)域的情形，在某種情形 下甚至二者產(chǎn)生結(jié)合。

全球不同區(qū)域發(fā)展現(xiàn)況來(lái)看，中美聚焦不同技術(shù)路線方式。從目前實(shí)際進(jìn) 展來(lái)看，中美雙方都已有企業(yè)/產(chǎn)品進(jìn)入了臨床階段，半侵入式的由于對(duì)患 者傷害更小，免疫反應(yīng)也更小，因此整體表現(xiàn)、進(jìn)展相對(duì)更佳。

腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈上游包括腦電信號(hào)采集設(shè)備（核心器件為電極/探針）、腦電 信號(hào)處理設(shè)備（核心為芯片）、外控外聯(lián)設(shè)備、系統(tǒng)軟件等，中游為腦機(jī)接 口設(shè)備和平臺(tái)，下游為各行業(yè)應(yīng)用。

腦機(jī)接口設(shè)備的核心部件包括電極、芯片和腦電采集設(shè)備。其中電機(jī)作為 腦機(jī)接口的關(guān)鍵采集器件，決定著所采集腦電信號(hào)的質(zhì)量和最終的控制效 果。芯片需要承載腦電信號(hào)采集、處理、反饋等功能。

電極：侵入式腦機(jī)接口的電極主要有剛性和柔性電極，柔性電極對(duì)大 腦的損傷小，將成為未來(lái)電極的主要方向，其彈性模量和剪切模量與 腦組織類(lèi)似，可以適應(yīng)大腦的彎曲拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，柔性材料應(yīng)具備良好的 生物相容性、柔韌性和微加工工藝兼容性，當(dāng)前凝膠已成為柔性電極 材料的熱門(mén)選擇。非侵入式電極以頭皮 EEG 記錄電極最為常見(jiàn)，按材 料主要可分為干電極、半干電極和濕電極，目前非侵入式電極的主要 研發(fā)方向包括改進(jìn)材料以提升導(dǎo)電率，以及改進(jìn)結(jié)構(gòu)以促進(jìn)電極與皮 膚充分接觸。

芯片：主要包含通用芯片和 ASIC 兩種方案，由于需要承載腦電信號(hào)采 集、處理、反饋等功能，技術(shù)難點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)低功耗、高通量、小型化， 侵入式芯片要求更高。隨著高通量采集與實(shí)時(shí)計(jì)算的高需求，將數(shù)據(jù) 處理與計(jì)算集成于一體的專用 DSP 芯片未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)。

腦電采集設(shè)備：以腦電圖（EEG）設(shè)備為主，一般由電極（電極帽）、 放大器、記錄器和其他功能部件（連接、數(shù)據(jù)線、電源）組成。隨著 老 齡化發(fā)展和居家監(jiān)測(cè)需求提升，對(duì)腦電采集設(shè)備的輕量便攜和多模態(tài) 同步采集需求更加旺盛。 腦機(jī)接口核心硬件中，電極生物相容性材料、芯片運(yùn)算能力與功耗是關(guān)鍵 痛點(diǎn)。科研應(yīng)用方面，對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定采集高質(zhì)量腦電信號(hào)的需求越來(lái)越強(qiáng)，提 升材料生物相容性解決電極與人腦之間的矛盾是侵入式技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵點(diǎn)。 對(duì)于傾向于 ToC 商業(yè)化的非侵入式技術(shù)來(lái)說(shuō)，設(shè)備輕便易于佩戴至關(guān)重要， 這將是非侵腦機(jī)企業(yè)長(zhǎng)期關(guān)注的發(fā)展點(diǎn)。

腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈下游的技術(shù)和產(chǎn)品主要聚焦于特定應(yīng)用場(chǎng)景，可劃分為醫(yī) 療健康、生活消費(fèi)、工業(yè)生產(chǎn)、交通駕駛應(yīng)用等若干類(lèi)別。

醫(yī)療健康領(lǐng)域：眾多腦機(jī)接口企業(yè)致力于研發(fā)面向神經(jīng)、精神和感官三大方向疾病的診治方案，如診治聽(tīng)力障礙、認(rèn)知障礙、睡眠障礙、抑 郁癥、卒中、成癮、自閉癥以及疼痛等。從成熟度看，聽(tīng)力障礙、震顫 治療、抑郁癥治療、運(yùn)動(dòng)康復(fù)等個(gè)別應(yīng)用領(lǐng)域，已有人工耳蝸、腦起搏 器、基于腦電的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備等產(chǎn)品取得三類(lèi)或二類(lèi)醫(yī)療器械注 冊(cè)證。視障治療、成癮戒除等相關(guān)技術(shù)大多處于臨床試驗(yàn)階段。

生活消費(fèi)領(lǐng)域：相關(guān)企業(yè)推出的腦機(jī)接口產(chǎn)品可面向多類(lèi)群體，如助 力漸凍癥、運(yùn)動(dòng)功能障礙等殘障人士實(shí)現(xiàn)腦控打字以及操控各類(lèi)設(shè)備， 極大提升他們的生活自理能力和生活質(zhì)量。另一方面，這些產(chǎn)品可用 于監(jiān)測(cè)健康人群的大腦健康狀況，幫助舒緩壓力，實(shí)現(xiàn)沉浸式游戲操 控，甚至輔助藝術(shù)創(chuàng)作，優(yōu)化消費(fèi)體驗(yàn)，提高認(rèn)知能力并改善睡眠質(zhì) 量。

工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和交通駕駛領(lǐng)域：腦機(jī)接口技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)礦下、井 下、道路、太空等不同作業(yè)場(chǎng)合中人員的疲勞狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情 況，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，從而避免事故發(fā)生。例如，山西帝儀、北京華腦等 企業(yè)在該領(lǐng)域開(kāi)展探索嘗試。

腦機(jī)技術(shù)當(dāng)前多應(yīng)用于腦疾病“監(jiān)測(cè)”階段，未來(lái)有望全方位布局腦疾病治 療方案。當(dāng)前腦機(jī)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛，主要圍繞在短期內(nèi)的 “監(jiān)測(cè)、改善/恢復(fù)、替代、增強(qiáng)”四個(gè)階段為主。其中“監(jiān)測(cè)”階段的功 能體現(xiàn)在輔助腦電波的監(jiān)測(cè)和腦疾病確診，“替代”為輔助重大殘疾群體恢 復(fù)正常生活。

部分腦機(jī)接口產(chǎn)品開(kāi)始走向 C 端，市場(chǎng)仍待發(fā)掘。腦機(jī)在醫(yī)療行業(yè)中相關(guān) 應(yīng)用設(shè)備以“監(jiān)測(cè)”和“替代”兩大類(lèi)型為主。“監(jiān)測(cè)”設(shè)備功能為：通過(guò) 設(shè)備接收到患者腦電波后更精準(zhǔn)的判斷病種類(lèi)型，確認(rèn)下一步的診療方案。 “替代”設(shè)備功能為：通過(guò)外部機(jī)械設(shè)備盡可能恢復(fù)殘障人士的正常生活。 除此之外面對(duì)消費(fèi)領(lǐng)域，腦機(jī)玩家開(kāi)始嘗試睡眠、注意力監(jiān)測(cè)等產(chǎn)品面向大 眾消費(fèi)者，目前還沒(méi)有走向大規(guī)模消費(fèi)場(chǎng)景。