BCI | ECoG | 腦機(jī)接口

LFP|CMRR| 生物計(jì)算

隨著生命科學(xué)、醫(yī)藥研發(fā)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、LFP、生物計(jì)算、靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、基因測(cè)序等技術(shù)的快速發(fā)展，腦科學(xué)逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，隨之而來(lái)的腦機(jī)接口技術(shù)同時(shí)得到快速發(fā)展。

腦科學(xué)是人類(lèi)社會(huì)面臨的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一，腦機(jī)接口是人類(lèi)進(jìn)一步探索自然和人類(lèi)有效探索手段之一。我們站在通往未知世界的偉大征程的起點(diǎn)，探索大腦必然是艱難而富有挑戰(zhàn)的。在國(guó)家戰(zhàn)略和頂層設(shè)計(jì)的指引下，隨著科技創(chuàng)新的不斷推進(jìn)和人民群眾的期待，腦機(jī)接口技術(shù)將在面向世界科技前沿、國(guó)家重大需求和人民生命健康的科技創(chuàng)新主戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮重要作用。

為此，中國(guó)信通院近日發(fā)出《腦機(jī)接口總體愿景與關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告》，勾畫(huà)腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展的藍(lán)圖和愿景期望。

注：由于篇幅有限需要更多腦機(jī)接口詳細(xì)資料，請(qǐng)?jiān)诠娞?hào)末尾留下您的郵箱，小編會(huì)將PDF文件發(fā)您郵箱，共同進(jìn)步。

藍(lán)海大腦腦機(jī)接口深度學(xué)習(xí)一體機(jī)

腦機(jī)接口的總體愿景

一、腦機(jī)接口發(fā)展概述

大腦是思想、情感、感知、行動(dòng)和記憶的來(lái)源。大腦的復(fù)雜性賦予人類(lèi)智慧，同時(shí)也讓每個(gè)人都獨(dú)一無(wú)二。近年來(lái)，研究大腦認(rèn)知的神經(jīng)科學(xué)在分子細(xì)胞、關(guān)鍵部件、軟硬件開(kāi)發(fā)、應(yīng)用系統(tǒng)、儀器儀表等諸多方面取得了重大進(jìn)展和突破，使腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用逐漸成為可能。

腦機(jī)接口(Brain-computerinterface，BCI)是指在有機(jī)生命的大腦和具有處理或計(jì)算能力的設(shè)備之間建立一個(gè)信息交換的連接通道，從而實(shí)現(xiàn)信息交換和控制。腦機(jī)接口根據(jù)信號(hào)采集方式的不同可以分為植入式和非植入式兩種技術(shù)路線。

植入式腦機(jī)接口是一種有創(chuàng)方法，是指對(duì)顱骨深處組織進(jìn)行信號(hào)采集和記錄。常用的技術(shù)包括皮層腦電圖(ECoG)、單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位( Spike)和局部場(chǎng)電位(LFP)。也有一些技術(shù)使用干預(yù)作為一種手段，以一種侵入性較小的方式將電極送入顱內(nèi)血管，以收集EEG信號(hào)。植入式腦機(jī)接口記錄的信號(hào)時(shí)空分辨率高，信息量大，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地控制復(fù)雜任務(wù)。

植入式腦機(jī)接口技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，最有可能率先落地并帶來(lái)市場(chǎng)收益的是神經(jīng)替代、神經(jīng)調(diào)控相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品。神經(jīng)替代腦機(jī)接口技術(shù)是為了彌補(bǔ)特殊人群因器官損傷導(dǎo)致的信息收發(fā)能力缺損，采用腦機(jī)接口技術(shù)把感覺(jué)信息直接寫(xiě)入腦，或是將腦意圖信息腦內(nèi)讀出，解碼后實(shí)現(xiàn)對(duì)外交互， 完成意愿動(dòng)作。

神經(jīng)替代腦機(jī)接口技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已進(jìn)入臨床科研階段，主要針對(duì)感覺(jué)或運(yùn)動(dòng)神經(jīng)損傷(如癱瘓、失語(yǔ)、失明)做基本功能替代或功能重建。神經(jīng)調(diào)控腦機(jī)接口技術(shù)是實(shí)時(shí)分析精神狀態(tài)，精準(zhǔn)刺激調(diào)控大腦中神經(jīng)活動(dòng)的異常狀態(tài)。對(duì)于記憶力減退、中重度抑郁癥、精神分裂癥、毒癮等疾病，神經(jīng)控制腦機(jī)接口技術(shù)比藥物治療更準(zhǔn)確、更高效。目前，由于精神疾病發(fā)病的理論模型尚未建立，治療靶點(diǎn)不明。因此神經(jīng)調(diào)節(jié)腦機(jī)接口技術(shù)主要是探索神經(jīng)機(jī)制并嘗試治療，可以幫助提高此類(lèi)疾病的診療水平，并不能廣泛應(yīng)用于臨床治療。

非植入式腦機(jī)接口技術(shù)可以應(yīng)用到更廣泛的生活和生產(chǎn)領(lǐng)域，正在康復(fù)訓(xùn)練、教育娛樂(lè)、智能生活、制造業(yè)等諸多方面逐漸為人類(lèi)帶來(lái)益處。在非植入式腦機(jī)接口領(lǐng)域，業(yè)界普遍關(guān)注工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域的研究。借助虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、眼動(dòng)儀、外骨骼等外設(shè)，利用非植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)進(jìn)行多場(chǎng)景應(yīng)用探索如運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練；利用用戶腦波創(chuàng)作音樂(lè)和控制電器；利用用戶情感識(shí)別數(shù)據(jù)個(gè)性化推薦用戶潛在喜歡的產(chǎn)品；識(shí)別和感知用戶情緒，進(jìn)行預(yù)警提示，實(shí)現(xiàn)疲勞駕駛預(yù)警和安全生產(chǎn)等。

二、總體愿景

我們站在通往未知世界的偉大征程的起點(diǎn)，探索大腦必然是艱難而富有挑戰(zhàn)的。在國(guó)家戰(zhàn)略和頂層設(shè)計(jì)的指引下，隨著科技創(chuàng)新的不斷推進(jìn)和人民群眾的期待，腦機(jī)接口技術(shù)將在面向世界科技前沿、國(guó)家重大需求和人民生命健康的科技創(chuàng)新主戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮重要作用。

因此提出“腦智芯連，思行無(wú)礙”總體愿景，并以這一愿景的實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，試圖勾勒出不久的將來(lái)。為促進(jìn)“腦智芯連，思行無(wú)礙”這一愿景目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)滿足 “準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定、易用和安全”五大需求。腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)具有準(zhǔn)確的大腦意圖解碼算法；高效的信息解碼效率，快速地反饋?lái)憫?yīng)和執(zhí)行任務(wù)；穩(wěn)定的設(shè)備性能與抗干擾能力；易用、 輕便、舒適的使用體驗(yàn)；安全的植入、采集和信息傳送保障。

腦機(jī)接口系統(tǒng)的五大需求支撐愿景實(shí)現(xiàn)

腦機(jī)接口應(yīng)從性能指標(biāo)和可用性指標(biāo)兩個(gè)方面有效衡量BCI是否滿足五項(xiàng)要求。性能指標(biāo)主要體現(xiàn)在四個(gè)容易量化的指標(biāo)上：響應(yīng)時(shí)間、識(shí)別準(zhǔn)確率、輸出指令數(shù)和菲茨吞吐量。可用性指標(biāo)主要體現(xiàn)在易用性、長(zhǎng)效性、魯棒性、安全性和互操作性五個(gè)指標(biāo)上。這些指標(biāo)在不同的技術(shù)路線和不同的應(yīng)用場(chǎng)景下有不同的要求，但基本涵蓋了腦機(jī)接口技術(shù)和系統(tǒng)需求的各個(gè)方面。經(jīng)過(guò)分析和產(chǎn)業(yè)研究，報(bào)告還給出了促進(jìn)愿景目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)指標(biāo)的建議值，從而為行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了一定的參考。

腦機(jī)接口系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)

腦機(jī)接口總體愿景的實(shí)現(xiàn)也離不開(kāi)關(guān)鍵核心技術(shù)的支撐。關(guān)鍵技術(shù)包括采集技術(shù)、模擬技術(shù)、范式編碼技術(shù)和解碼算法技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)為不同的場(chǎng)景衍生出不同的應(yīng)用。

腦機(jī)接口發(fā)展大事件

Phillip Kennedy及其同事用錐形營(yíng)養(yǎng)性(neurotrophic-cone)電極植入術(shù)在猴上建造了第一個(gè)皮層內(nèi)腦機(jī)接口。

1999年，哈佛大學(xué)的Garrett Stanley試圖解碼貓的丘腦外側(cè)膝狀體內(nèi)的神經(jīng)元放電信息來(lái)重建視覺(jué)圖像。他們記錄了177個(gè)神經(jīng)元的脈沖列，使用濾波的方法重建了向貓播放的八段視頻，從重建的結(jié)果中可以看到可辨認(rèn)的物體和場(chǎng)景。

杜克大學(xué)的Miguel Nicolelis是支持用覆蓋廣大皮層區(qū)域的電極來(lái)提取神經(jīng)信號(hào)、驅(qū)動(dòng)腦機(jī)接口的代表。他認(rèn)為，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠降低單個(gè)電極或少量電極采集到的神經(jīng)信號(hào)的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性。Nicolelis在1990年代完成在大鼠的初步研究后，在夜猴內(nèi)實(shí)現(xiàn)了能夠提取皮層運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的信號(hào)來(lái)控制機(jī)器人手臂的實(shí)驗(yàn)。到2000年為止，Nicolelis的研究組成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠在夜猴操縱一個(gè)游戲桿來(lái)獲取食物時(shí)重現(xiàn)其手臂運(yùn)動(dòng)的腦機(jī)接口。這個(gè)腦機(jī)接口可以實(shí)時(shí)工作。它也可以通過(guò)因特網(wǎng)遠(yuǎn)程操控機(jī)械手臂。不過(guò)由于猴子本身不接受來(lái)自機(jī)械手臂的感覺(jué)反饋，這類(lèi)腦機(jī)接口是開(kāi)環(huán)的。Nicolelis小組后來(lái)的工作使用了恒河猴。

其它設(shè)計(jì)腦機(jī)接口算法和系統(tǒng)來(lái)解碼神經(jīng)元信號(hào)的實(shí)驗(yàn)室包括布朗大學(xué)的John Donoghue、匹茲堡大學(xué)的Andrew Schwartz、加州理工的Richard Anderson。這些研究者的腦機(jī)接在某一時(shí)刻使用的神經(jīng)元數(shù)為15-30，比Nicolelis的50-200個(gè)顯著要少。Donoghue小組的主要工作是實(shí)現(xiàn)恒河猴對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕上的光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)控制來(lái)追蹤視覺(jué)目標(biāo)。其中猴子不需要運(yùn)動(dòng)肢體。Schwartz小組的主要工作是虛擬現(xiàn)實(shí)的三維空間中的視覺(jué)目標(biāo)追蹤，以及腦機(jī)接口對(duì)機(jī)械臂的控制。這個(gè)小組宣稱(chēng)，他們的猴子可以通過(guò)腦機(jī)接口控制的機(jī)械臂來(lái)喂自己吃西葫蘆。Anderson的小組正在研究從后頂葉的神經(jīng)元提取前運(yùn)動(dòng)信號(hào)的腦機(jī)接口。此類(lèi)信號(hào)包括實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在期待獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)所產(chǎn)生信號(hào)。

除了以上所提及的這些用于計(jì)算肢體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的腦機(jī)接口以外，還有用于計(jì)算肌肉的電信號(hào)的腦機(jī)接口。此類(lèi)腦機(jī)接口的一個(gè)應(yīng)用前景是通過(guò)刺激癱瘓病人的肌肉來(lái)重建其自主運(yùn)動(dòng)的功能。

2006年，布朗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成首個(gè)大腦運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口設(shè)備植入手術(shù)，能夠用來(lái)控制鼠標(biāo)。

2008年，匹茲堡大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家宣稱(chēng)利用腦機(jī)接口，猴子能用操縱機(jī)械臂給自己喂食——這標(biāo)志著該技術(shù)發(fā)展已經(jīng)容許人們將動(dòng)物腦與外部設(shè)備直接相連。

2012年，腦機(jī)接口設(shè)備已能夠勝任更復(fù)雜和廣泛的操作，得以讓癱瘓病人對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行操控，自己喝水、吃飯、打字與人交流。

2014年巴西世界杯開(kāi)幕式，高位截癱青年Juliano Pinto在腦機(jī)接口與人工外骨骼技術(shù)的幫助下開(kāi)出一球。

2016年，Nathan Copeland用意念控制機(jī)械手臂和美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬握手。

2019 年 1 月，Chmielewski 作為約翰斯·霍普金斯大學(xué)一項(xiàng)腦機(jī)接口研究的參與者，通過(guò)一次長(zhǎng)達(dá) 10 小時(shí)的手術(shù)，將六個(gè)微電極陣列（MEA）植入大腦兩側(cè)。隨后，研究者一直試圖通過(guò)不斷的改善和訓(xùn)練，讓他獲得同時(shí)控制兩個(gè)假肢的能力。

2020年8月29日，埃隆·馬斯克自己旗下的腦機(jī)接口公司Neuralink舉行發(fā)布會(huì)，找來(lái)“三只小豬”向全世界展示了可實(shí)際運(yùn)作的腦機(jī)接口芯片和自動(dòng)植入手術(shù)設(shè)備。

2022年3月，中國(guó)神經(jīng)外科領(lǐng)域的一項(xiàng)新突破，腦機(jī)接口柔性電極技術(shù)在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上發(fā)表。這項(xiàng)突破是一種腦機(jī)接口柔性電極技術(shù)，由首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院研發(fā)，是提高手術(shù)精準(zhǔn)度、保護(hù)神經(jīng)功能的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)將僅有2微米大小的電極點(diǎn)組成的新型柔性電極，通過(guò)手術(shù)放到大腦上，幫助醫(yī)生更精確“看”到大腦內(nèi)部神經(jīng)等，從而最大限度保護(hù)大腦功能。

2022年6月25日，我國(guó)自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首款介入式腦機(jī)接口完成動(dòng)物試驗(yàn)。

2022年12月，馬斯克“腦機(jī)接口”研究，涉嫌違反美國(guó)動(dòng)物福利法規(guī)定，被曝接受調(diào)查。

各國(guó)腦科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球各主要經(jīng)濟(jì)體均髙度重視腦科學(xué)的發(fā)展，推出了各自的腦計(jì)劃?？傮w來(lái)看，在腦科學(xué)研究領(lǐng)域，美國(guó)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，歐洲、加拿大、澳大利亞、俄羅 斯、日韓等為第二梯隊(duì)，以色列、中國(guó)等新興力量已嶄露頭角。

一、美國(guó)

2014年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)啟動(dòng)了 “通過(guò)推動(dòng)創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)開(kāi) 展大腦研究(BRAIN)計(jì)劃”，開(kāi)啟了 “BRAIN 1.0時(shí)代"。2018年4月，NIH 成立腦科學(xué)技術(shù)2.0工作組，并于2019年6月將《美國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃2.0》報(bào)告提 交給美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院咨詢委員會(huì)。這標(biāo)志著美國(guó)正式進(jìn)入“BRAIN 2.0時(shí)代"。

二、歐盟

2013年，歐盟啟動(dòng)了為期10年的人腦計(jì)劃(Human Brain Project, HBP), 旨在通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬大腦，建立一套全新的、革命性的生成、分析、整合、 模擬數(shù)據(jù)的信息通信技術(shù)平臺(tái)，并促進(jìn)相應(yīng)研究成果的應(yīng)用性轉(zhuǎn)化。但在2015年，歐盟人腦計(jì)劃放棄了在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)人腦計(jì)算機(jī)仿真的研究目標(biāo)，轉(zhuǎn)而主攻認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和仿腦計(jì)算。

該計(jì)劃也進(jìn)而轉(zhuǎn)變成一個(gè)擁有6大信息及技術(shù)平臺(tái)、12 個(gè)子項(xiàng)目的國(guó)際組織。這6大信息及技術(shù)平臺(tái)包括：神經(jīng)信息平臺(tái)，用于登記、搜索、分析神經(jīng)科學(xué)數(shù)據(jù)；大腦模擬平臺(tái)，用于重建并模擬大腦；高性能計(jì)算平臺(tái)，用計(jì)算和儲(chǔ)存設(shè)備去運(yùn)行復(fù)雜的仿真計(jì)算并分析大量數(shù)據(jù)集；醫(yī)學(xué)信息平臺(tái)，用于搜索真實(shí)的病人數(shù)據(jù)，從而理解不同大腦疾病的異同；神經(jīng)形態(tài)計(jì)算平臺(tái)，借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，模仿大腦微回路并應(yīng)用類(lèi)似于大腦學(xué)習(xí)方式的原則；神經(jīng)機(jī)器 人平臺(tái)，通過(guò)將大腦模型與仿真機(jī)器人體和周?chē)h(huán)境連接起來(lái)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，該計(jì)劃成功舉辦了第10?12屆歐洲神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)聯(lián)盟（FENS）的神經(jīng)科學(xué)大會(huì)（FENS論壇2016、2018、2020）。

三、日本

2014年，日本科學(xué)家發(fā)起神經(jīng)科學(xué)研究計(jì)劃，即日本腦計(jì)劃（Brain/MINDS）,旨在通過(guò)研究靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物（穢猴）建立腦發(fā)育及疾病發(fā)生的動(dòng)物模型。該計(jì)劃受到日本文部科學(xué)省、日本醫(yī)學(xué)研究與發(fā)展委員會(huì)為期10年共400億日元（約合 3.65億美元）的資助。2018年，日本成功繪制出了穢猴大腦的3D圖譜。

同年9月，日本正式啟動(dòng)人腦計(jì)劃（Brain/MINDS Beyond），研究對(duì)象從穢 猴大腦拓展到人類(lèi)大腦，主攻以下5個(gè)方向：發(fā)現(xiàn)和干預(yù)初期的神經(jīng)疾病，分析從健康狀態(tài)到患病狀態(tài)的大腦圖像，開(kāi)發(fā)基于人工智能的腦科學(xué)技術(shù)，比較研究人類(lèi)和靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的神經(jīng)環(huán)路，劃分腦結(jié)構(gòu)功能區(qū)域并開(kāi)展同源性研究。

2019年，日本通過(guò)對(duì)2973個(gè)個(gè)體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，精神分裂癥、躁郁癥、自閉癥譜系障礙、重度抑郁癥患者的月并月氐體白質(zhì)結(jié)構(gòu)存在相似變異，并且與正常個(gè)體差別顯著。這為疾病分類(lèi)提供了新的理論支持，在腦科學(xué)研究進(jìn)程中具有重大意義。

四、中國(guó)

2016年，旨在探索大腦秘密、攻克大腦疾病、開(kāi)展類(lèi)腦研究的中國(guó)腦計(jì)劃 正式啟動(dòng)。該計(jì)劃以闡釋人類(lèi)認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)（認(rèn)識(shí)腦）為“主體”，以研發(fā)重 大腦疾病診治新手段和腦機(jī)智能新技術(shù)為“兩翼”，主要解決大腦三個(gè)層面的認(rèn) 知問(wèn)題：一是大腦對(duì)外界環(huán)境的感官認(rèn)知，如注意力、學(xué)習(xí)、記憶以及決策制定 等；二是對(duì)人類(lèi)及靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物自我意識(shí)的認(rèn)知，即通過(guò)動(dòng)物模型研究人類(lèi)及靈長(zhǎng) 類(lèi)動(dòng)物的自我意識(shí)、同情心及意識(shí)的形成；三是對(duì)語(yǔ)言的認(rèn)知，探究語(yǔ)法及廣泛的句式結(jié)構(gòu)，用以研究人工智能技術(shù)。

腦機(jī)接口應(yīng)滿足的需求

一、腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)滿足的需求

1、準(zhǔn)確

在腦部疾病診斷、行為輔助決策、外圍交互控制等應(yīng)用場(chǎng)景下，共性需求是系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地做出識(shí)別準(zhǔn)確率高的判斷，即系統(tǒng)虛警概率低，識(shí)別準(zhǔn)確，使外部計(jì)算設(shè)備能夠?qū)Υ竽X的需求做出正確的反饋。識(shí)別正確率是系統(tǒng)的核心要求之一。

2、高效

腦機(jī)接口技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要前提是高效。最好能達(dá)到和肢體響應(yīng)一樣甚至更快的效率，實(shí)現(xiàn)人機(jī)快速響應(yīng)。指令交互、打字、控制機(jī)械外骨骼等應(yīng)用場(chǎng)景下出現(xiàn)秒級(jí)延遲會(huì)給用戶體驗(yàn)帶來(lái)比較負(fù)面的影響。這就需要系統(tǒng)快速解碼識(shí)別大腦的意圖并給出反饋，而反應(yīng)時(shí)間是衡量快速反應(yīng)的核心關(guān)鍵指標(biāo)。系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能需要范式編碼、算法解碼和系統(tǒng)通信技術(shù)的配合。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還要兼顧“快”、“準(zhǔn)”、“穩(wěn)”三個(gè)方面的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3、穩(wěn)定

腦機(jī)接口本質(zhì)上是一套通信系統(tǒng)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，都需考慮系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的穩(wěn)定和抗干擾能力，即系統(tǒng)的長(zhǎng)效性和魯棒性。長(zhǎng)效性是指系統(tǒng)需要保持長(zhǎng)期性能穩(wěn)定。系統(tǒng)能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)各項(xiàng)能指標(biāo)不出現(xiàn)較大波動(dòng)。魯棒性是指系統(tǒng)在一定的外部干擾情況下，依然能夠保持穩(wěn)定的工作性能指標(biāo)。在植入式腦機(jī)接口應(yīng)用場(chǎng)景中，由于電極易于失效，系統(tǒng)更側(cè)重長(zhǎng)效性指標(biāo)；而在非植入式場(chǎng)景，于信號(hào)易受干擾，更加側(cè)重系統(tǒng)魯棒性。

4、易用

易用包括兩層意思:“輕便”和“便捷”?！拜p便”是指非植入情況下腦機(jī)接口系統(tǒng)輕便易攜帶，植入情況下植入體體積小重量輕。笨重的腦機(jī)接口系統(tǒng)一方面可能會(huì)造成用戶觸摸時(shí)的身體壓迫和不適，不利于長(zhǎng)期使用。另一方面也不利于開(kāi)展，難以采集大范圍的腦信號(hào)，從而難以實(shí)現(xiàn)更大范圍的場(chǎng)景應(yīng)用。

“便捷”是指腦機(jī)接口系統(tǒng)操作方便。一方面需要要降低用戶操作的復(fù)雜性，避免復(fù)雜的調(diào)試和維護(hù)。尤其在消費(fèi)場(chǎng)景下，需要盡可能縮短設(shè)備部署時(shí)間和人機(jī)適應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速交互。這就需要盡量減少和壓縮模型的訓(xùn)練時(shí)間和調(diào)試時(shí)間，提高用戶對(duì)產(chǎn)品的接受度。另一方面普及了無(wú)線信號(hào)傳輸，擺脫了有線束縛，使用起來(lái)更加方便。另外，可以考慮用智能外設(shè)進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，比如智能耳機(jī)等終端設(shè)備，提高使用的舒適性和便攜性。

5、安全

作為一個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)，在安全性方面需要考慮的因素包括：系統(tǒng)需要在軟件和硬件方面有效防御外部惡意攻擊，避免數(shù)據(jù)竊取或惡意篡改，系統(tǒng)需要內(nèi)置安全自檢機(jī)制；在機(jī)制和制度保障方面，需要有合法合規(guī)的信息技術(shù)倫理制度、法規(guī)、倡議、指南和標(biāo)準(zhǔn)，以保證神經(jīng)隱私和神經(jīng)權(quán)利不受侵犯，保障系統(tǒng)使用者的健康和安全。對(duì)于植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)，在電極材料的選擇上要考慮散熱性能，并保證植入后人體的安全性。應(yīng)限制植入物的質(zhì)量、形狀、功耗和應(yīng)用場(chǎng)合，以避免損傷生物組織。對(duì)于非植入式腦機(jī)接口技術(shù)，使用不當(dāng)可能存在潛在的人身安全隱患，因此有必要對(duì)腦機(jī)接口系統(tǒng)的使用安全提出嚴(yán)格要求。

二、腦機(jī)接口系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)

目前，腦機(jī)接口技術(shù)正從“學(xué)術(shù)科學(xué)探索”走向“應(yīng)用轉(zhuǎn)化落地”。為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)落地發(fā)展，下面從性能和可用性兩個(gè)方面提出了滿足五項(xiàng)要求的腦機(jī)接口系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)。性能指標(biāo)包括響應(yīng)時(shí)間、識(shí)別準(zhǔn)確率、輸出指令數(shù)量和菲茨吞吐量，可用性指標(biāo)包括易用性、長(zhǎng)效性、魯棒性、安全性和互操作性。易用性指標(biāo)進(jìn)一步體現(xiàn)在準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)、輕便性和舒適性上。

腦機(jī)接口系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)

1、性能指標(biāo)

在腦機(jī)接口的研究中，信息傳輸速率(ITR)常被用作評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的指標(biāo)。ITR的大小與系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、識(shí)別正確率和輸出指令數(shù)量相關(guān)，是綜合反映BCI系統(tǒng)多方面性能的指標(biāo)。然而，僅將ITR作為性能指標(biāo)往往不能反映反應(yīng)時(shí)間、識(shí)別準(zhǔn)確率和輸出指令量各自的重要性，甚至可能導(dǎo)致某些關(guān)鍵指標(biāo)被忽略。因此，響應(yīng)時(shí)間、識(shí)別準(zhǔn)確率、輸出指令數(shù)和菲茨吞吐量四個(gè)方面對(duì)BCI系統(tǒng)的性能同樣起著至關(guān)重要的作用。

1）響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間指腦機(jī)接口系統(tǒng)響應(yīng)用戶單次腦意圖所需的時(shí)間，包括單次響應(yīng)所需的信號(hào)采集時(shí)間、腦信息解碼時(shí)間(也稱(chēng)計(jì)算時(shí)間)和系統(tǒng)通信時(shí)間三部分。其中，所需信號(hào)采集時(shí)間是指腦機(jī)接口系統(tǒng)采集生理信號(hào)進(jìn)行解碼所需的時(shí)間。腦信息解碼時(shí)長(zhǎng)是指系統(tǒng)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行解碼以理解用戶意圖所需的時(shí)間。系統(tǒng)通信時(shí)長(zhǎng)是系統(tǒng)中模塊之間數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r(shí)間延遲。響應(yīng)時(shí)間能有效反映腦機(jī)接口系統(tǒng)的通信效率，也是反映人機(jī)交互流暢度的關(guān)鍵指標(biāo)。在不同的范式和應(yīng)用場(chǎng)景下，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間差異很大。

對(duì)于頭皮腦電圖和皮層腦電圖等實(shí)時(shí)較高的電信號(hào)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，比較理想的響應(yīng)時(shí)間是：在腦狀態(tài)檢測(cè)場(chǎng)景下建議不大于 10 秒，在神經(jīng)調(diào)控場(chǎng)景和對(duì)外交互場(chǎng)景下建議不大于 1 秒。對(duì)于以功能近紅外光譜(Functional near-infraredspectroscopy,fNIRS)為代表的信號(hào)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于血流動(dòng)力學(xué)數(shù)變化較觸發(fā)事件具有滯后性，因此此類(lèi)系統(tǒng)的交互響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

2）識(shí)別準(zhǔn)確率

識(shí)別準(zhǔn)確率是指腦機(jī)接口系統(tǒng)為識(shí)別人腦意圖進(jìn)行解碼的正確率，是衡量系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)。在腦機(jī)打字、腦控機(jī)器人等特定場(chǎng)景下，識(shí)別準(zhǔn)確率往往用任務(wù)成功率來(lái)表示。任務(wù)成功率是指成功控制任務(wù)的次數(shù)與控制任務(wù)執(zhí)行的總次數(shù)之比。理想的識(shí)別準(zhǔn)確率在腦狀態(tài)檢測(cè)的情況下不應(yīng)低于85%，在神經(jīng)調(diào)節(jié)的情況下不應(yīng)小于95%，在外部交互的情況下不應(yīng)小于95%。對(duì)腦機(jī)接口離線數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)參時(shí)，往往因?yàn)闃颖玖枯^小而容易造成模型的過(guò)擬合。

3）可輸出指令數(shù)量

可輸出指令數(shù)量就是腦機(jī)接口系統(tǒng)能夠解碼腦意圖種類(lèi)，該指標(biāo)能夠反映系統(tǒng)的交互能力。能輸出的指令越多，系統(tǒng)可解碼的大腦意識(shí)就越豐富，能執(zhí)行任務(wù)的行為就越豐富。因此，在睡眠檢測(cè)、情感識(shí)別、腦機(jī)打字等場(chǎng)景中?？奢敵鲋噶顢?shù)量對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能有很高的參考價(jià)值。從理想值來(lái)看，建議睡眠檢測(cè)場(chǎng)景不少于5種睡眠，情緒識(shí)別場(chǎng)景不少于4種情緒，腦機(jī)打字場(chǎng)景不少于40種輸出字符。在機(jī)器人、機(jī)械臂、無(wú)人機(jī)等復(fù)雜外部設(shè)備的控制中，自由度不應(yīng)少于6種。可輸出的指令數(shù)量與實(shí)際需求有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體場(chǎng)景需求確定最佳范圍。

4）菲茨吞吐量

控制能力是指腦機(jī)接口系統(tǒng)將大腦神經(jīng)活動(dòng)轉(zhuǎn)化為外設(shè)在實(shí)際場(chǎng)景中完成復(fù)雜控制操作的能力。腦機(jī)接口系統(tǒng)的控制能力和工作效率可以用菲茨吞吐量指標(biāo)來(lái)衡量。腦機(jī)接口系統(tǒng)的菲茨吞吐量定義為：難度系數(shù)與移動(dòng)到目標(biāo)位置所需時(shí)間的比值，其中難度系數(shù)是交互移動(dòng)距離與目標(biāo)大小比值的對(duì)數(shù)。菲茨吞吐量來(lái)源于菲茨定律(Fitts Law)，是一種人體運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型，主要用于人機(jī)交互和人機(jī)工程學(xué)。難度系數(shù)和吞吐量分別用于衡量任務(wù)和控制效果。在腦機(jī)接口的研究中，菲茨吞吐量經(jīng)常被用來(lái)作為系統(tǒng)控制效果的衡量指標(biāo)。

以腦控虛擬鼠標(biāo)移動(dòng)為例，虛擬鼠標(biāo)從初始物體A移動(dòng)到目標(biāo)物體B的難度系數(shù)由AB之間的距離和目標(biāo)物體B的尺寸決定，AB之間的距離越大，目標(biāo)物體B的尺寸越小，難度系數(shù)越大。在不同的難度系數(shù)下，虛擬鼠標(biāo)到達(dá)目標(biāo)所需的時(shí)間不同。菲茨吞吐量是一個(gè)綜合考慮移動(dòng)速度和控制精度的指標(biāo)。數(shù)值越高，腦機(jī)接口系統(tǒng)的控制效果越好。通常0.7 bits/s的Fitz吞吐量可以達(dá)到更平滑的控制效果，1 bits/s是更理想的指標(biāo)。

2、可用性指標(biāo)

可用性也是腦機(jī)接口系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，是性能指標(biāo)之外的另一個(gè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)維度。系統(tǒng)可用性的度量指標(biāo)包括：易用性、長(zhǎng)效性、魯棒性、安全性和互操作性。

1）易用性

易用性又可通過(guò)腦機(jī)接口系統(tǒng)的使用準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)、輕便性和舒適性三個(gè)指標(biāo)反映。

準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)指人員使用腦機(jī)接口系統(tǒng)前所需的準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)和人機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)的總和。準(zhǔn)備時(shí)間包括調(diào)試準(zhǔn)備時(shí)間、阻抗調(diào)整時(shí)間等。人機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)與系統(tǒng)用戶使用熟練程度以及解碼算法是否需要現(xiàn)場(chǎng)采集訓(xùn)練數(shù)據(jù)有關(guān)。此外，部分腦機(jī)接口系統(tǒng)需要為不同的用戶定制不同的解碼算法參數(shù)，這也會(huì)導(dǎo)致人機(jī)合作的訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)，從而降低系統(tǒng)的可用性。非植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)的理想準(zhǔn)備時(shí)間建議不超過(guò)3分鐘。植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)需要復(fù)雜的植入過(guò)程，因此需要很長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間。有必要盡可能地優(yōu)化植入方法，以提高系統(tǒng)易用性。

輕便性指腦機(jī)接口系統(tǒng)的輕質(zhì)與便攜。輕質(zhì)是指對(duì)用戶來(lái)說(shuō)符合人體工學(xué)，不會(huì)造成明顯的傷害和負(fù)擔(dān)。通常以重量指標(biāo)衡量輕便性，為保證人體頸椎以上部分不受傷。理想的頭戴式腦機(jī)接口系統(tǒng)重量不應(yīng)超過(guò)500克，不超過(guò)200克將是更理想的目標(biāo)。便攜是指易用和攜帶，信號(hào)傳輸方式是衡量便攜的重要指標(biāo)之一。比較理想的便攜方式是擺脫有線連接，以藍(lán)牙、Wi-Fi、超寬帶或其他先進(jìn)的無(wú)線通信方式傳輸數(shù)據(jù)。

舒適性體現(xiàn)在范式設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)、選材等方面。目前，業(yè)界廣泛使用的范式大多源于20世紀(jì)90年代。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，范式雖然為實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)，但交互方式普遍不符合人類(lèi)的自然行為。因此，用戶對(duì)消費(fèi)產(chǎn)品的接受度和配合度較低，甚至其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也受到限制。因此，舒適性由定量定性的體驗(yàn)、滿意度等來(lái)衡量，尤其是對(duì)于腦機(jī)接口的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的落地。

2）長(zhǎng)效性

長(zhǎng)效性是指系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)使用的時(shí)間，是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要考慮因素。在非植入場(chǎng)景中，長(zhǎng)效性體現(xiàn)在系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。比如在娛樂(lè)游戲時(shí)，系統(tǒng)的性能不會(huì)因?yàn)橛脩舫龊沟雀蓴_而下降。在植入場(chǎng)景下，長(zhǎng)效性是系統(tǒng)不會(huì)受到生物組織分泌和免疫系統(tǒng)的干擾，導(dǎo)致性能力下降，續(xù)航時(shí)間需要能夠保證持續(xù)8小時(shí)以上的腦電信號(hào)傳輸和分析。因此建議在理想的非植入場(chǎng)景下，單次穩(wěn)定可用時(shí)間應(yīng)不低于3小時(shí)。在植入場(chǎng)景下，一些國(guó)家規(guī)定穩(wěn)定可用時(shí)間不得少于一年。一般情況下，醫(yī)療器械的理想植入時(shí)間在10年以上。

3）魯棒性

魯棒性指用于衡量腦機(jī)接口系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力。腦機(jī)接口系統(tǒng)需要在各種外界干擾環(huán)境下使用。正常環(huán)境本身就有大量的干擾信號(hào)，此外還有強(qiáng)磁環(huán)境、超聲診療環(huán)境、放射治療環(huán)境等。這就要求腦機(jī)接口系統(tǒng)能夠有效屏蔽其環(huán)境中的大部分外界干擾，保證交互響應(yīng)時(shí)間、識(shí)別準(zhǔn)確率等性能指標(biāo)保持在較高水平。此外，大腦在使用過(guò)程中的狀態(tài)并不是一成不變的，因此魯棒性還體現(xiàn)在自適應(yīng)能力上，可以隨著用戶狀態(tài)的變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，保證系統(tǒng)的性能指標(biāo)在小范圍內(nèi)波動(dòng)。

4）安全性

安全性是腦機(jī)接口系統(tǒng)可用性的重要指標(biāo)。一是要保證腦機(jī)接口系統(tǒng)的整體安全和數(shù)據(jù)安全。硬件和軟件具備基礎(chǔ)的安全防范能力和手段，保護(hù)措施到位，確保能夠有效抵御外部攻擊，避免系統(tǒng)被篡改做出錯(cuò)誤指令。同時(shí)要保證用戶的信息不被泄露，尤其是需要聯(lián)網(wǎng)使用的設(shè)備，比如解碼算法、云系統(tǒng)等，需要保證信息安全；二是保證人身健康安全。在滿足常規(guī)安全要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)制定更適合BCI系統(tǒng)的特殊安全要求。三是應(yīng)符合科技倫理安全。要制定完整的科技倫理體系，確保隱私信息不泄露、風(fēng)險(xiǎn)可控、生命權(quán)得到尊重、人類(lèi)福祉得到增進(jìn)、公平正義得到保障。

5）互操作性

互操作性是腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)用和廣泛發(fā)展的重要指標(biāo)，反映了腦機(jī)接口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)接入、雙向連接和交互控制的能力。一方面，互操作性體現(xiàn)在同類(lèi)型系統(tǒng)之間一致的框架和接口上；另一方面，腦機(jī)接口系統(tǒng)可以在計(jì)算機(jī)、手機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)設(shè)備等其他智能終端上實(shí)現(xiàn)互操作和即插即用。系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)這方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，開(kāi)發(fā)相關(guān)接口和可互操作的系統(tǒng)平臺(tái)。互用性能力指數(shù)可以通過(guò)系統(tǒng)符合互用性標(biāo)準(zhǔn)的程度來(lái)衡量。

腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)

腦機(jī)接口作為新興技術(shù)，為大腦與外界的直接交互提供了新的解決方案，在新一輪技術(shù)升級(jí)中被寄予厚望。腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)落地有賴(lài)于關(guān)鍵技術(shù)的突破和創(chuàng)新。目前全球在腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)研究方面發(fā)展 蓬勃， 但依然存在亟需解決的若干問(wèn)題。對(duì)此，業(yè)界也正在嘗試多種手段予以突破。

腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)包括采集技術(shù)、刺激技術(shù)、范式編碼技術(shù)、解碼算法技術(shù)、外設(shè)技術(shù)和系統(tǒng)化技術(shù)。其中，采集技術(shù)的研發(fā)集中在采集端和信號(hào)處理端。常規(guī)采集技術(shù)包括電采集、磁采集和近紅外采集，其中電采集是主流研發(fā)方向，而磁和近紅外采集技術(shù)由于成本和技術(shù)成熟度的限制，離應(yīng)用還比較遠(yuǎn)。

信號(hào)處理端涉及模擬芯片和數(shù)字芯片。目前腦機(jī)接口系統(tǒng)使用的數(shù)字芯片多為業(yè)界通用芯片，因此主要介紹模擬芯片的發(fā)展。刺激技術(shù)重點(diǎn)介紹腦深部刺激閉環(huán)控制的進(jìn)展和腦機(jī)接口技術(shù)在盲人輔助領(lǐng)域的最新進(jìn)展。范式編碼和解碼算法技術(shù)介紹了當(dāng)前主流研究進(jìn)展。由于外控技術(shù)和系統(tǒng)化技術(shù)的創(chuàng)新多在于 工程集成，因此不在此介紹。

腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景按照信息流動(dòng)可以分為三類(lèi)：腦狀態(tài)檢測(cè)、神經(jīng)調(diào)控、外交互。從信息流的角度來(lái)看，腦狀態(tài)檢測(cè)是指信息從大腦流向外部和外設(shè)，神經(jīng)調(diào)控是指信息從外部和外設(shè)流向大腦，對(duì)外交互是指信息的雙向流動(dòng)。

腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)

一、采集技術(shù)

1、植入式電極

植入式微電極是腦機(jī)交互的關(guān)鍵基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)、腦疾病的診斷和治療、腦機(jī)交互通信等領(lǐng)域。植入式微電極通過(guò)把以離子為載體的神經(jīng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成以電子為載體的電流或電壓信號(hào)，從而獲得大腦神經(jīng)電活動(dòng)的信息。植入大腦的微電極可以準(zhǔn)確記錄電極附近單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位，具有較高的空間和時(shí)間分辨率，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)。傳統(tǒng)的植入式微電極由金屬、硅等硬質(zhì)材料制成，硬質(zhì)電極主要有密歇根電極和猶他電極。隨著微納加工技術(shù)和電極材料的不斷發(fā)展，微電極趨向于柔性、小型化、高通量和集成化，形成了以微絲電極、硅基電極和柔性電極為主的多元化發(fā)展局面。

高性能柔性微電極對(duì)于長(zhǎng)期穩(wěn)定的慢性記錄具有重要意義。微電極與腦組織存在機(jī)械不匹配，會(huì)對(duì)生物體的正?；顒?dòng)造成繼發(fā)性腦損傷，因此不適合長(zhǎng)期慢性實(shí)驗(yàn)。具有高生物相容性的柔性微電極器件有利于緩解免疫反應(yīng)，提高信號(hào)質(zhì)量，對(duì)實(shí)現(xiàn)腦活動(dòng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的慢性記錄具有重要意義。

高通量微電極將為拓展全腦神經(jīng)科學(xué)的研究奠定重要基礎(chǔ)。為了獲得更豐富的神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)，需要神經(jīng)微電極同時(shí)記錄盡可能多的單個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)。現(xiàn)有植入微電極的通量遠(yuǎn)小于大腦神經(jīng)元的數(shù)量，因此開(kāi)發(fā)新型高通量微電極，實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率的腦電信號(hào)批量采集，對(duì)于神經(jīng)環(huán)路活動(dòng)跟蹤、全腦尺度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能分析等基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究非常重要。

多功能微電極能有效促進(jìn)多種興奮模式綜合調(diào)節(jié)。植入式微電極集電刺激、藥物注射和光刺激功能于一體，不僅可以讀取生物體的腦活動(dòng)信息，還可以調(diào)節(jié)生物體的生命活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生物體與外部設(shè)備的雙向通訊。研究多功能神經(jīng)微電極裝置，構(gòu)建閉環(huán)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)癲癇等腦部疾病的診治和神經(jīng)功能的恢復(fù)。

2、非植入式電極

非植入式電極具有廣泛的應(yīng)用。非植入式電極可以直接在頭皮上采集腦電信號(hào)，無(wú)需手術(shù)植入。因此也被稱(chēng)為無(wú)創(chuàng)電極，其安全性和無(wú)創(chuàng)性更容易被用戶接受，因此被廣泛應(yīng)用于非臨床腦部疾病診療、消費(fèi)腦科學(xué)應(yīng)用等場(chǎng)景。

傳統(tǒng)的濕電極盡管信號(hào)質(zhì)量好， 但其專(zhuān)業(yè)的操作需求，耗時(shí)長(zhǎng)，用后清洗等固有缺點(diǎn)無(wú)法規(guī)避。因此無(wú)膏的干電極技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)以適應(yīng)新的應(yīng)用場(chǎng)景和需求?；诮饘俨牧匣?qū)щ娋酆衔锊牧系亩嗄_柱式/爪式干電極、基于導(dǎo)電纖維刷毛式干電極、基于微機(jī)械加工工藝的微針電極及電容式電極等，提高使用便捷性的同時(shí)，也通過(guò)材料改進(jìn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不斷地降低電極與皮膚的接觸阻抗，提高使用舒適度和應(yīng)用性。

改進(jìn)的干電極是電極行業(yè)的主流選擇。隨著基于頭皮腦電的腦機(jī)接口系統(tǒng)在便攜性、快速應(yīng)用性和舒適性等方面的應(yīng)用需求日益增加，電極的改進(jìn)成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的濕電極雖然信號(hào)質(zhì)量好，但其固有的操作要求專(zhuān)業(yè)、耗時(shí)長(zhǎng)、使用后需清洗等缺點(diǎn)無(wú)法避免。因此，無(wú)漿料干法電極技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，以滿足新的應(yīng)用場(chǎng)景和要求?；诮饘俨牧匣?qū)щ娋酆衔锊牧系亩嘧阒?爪型干電極、基于導(dǎo)電纖維的刷型干電極、基于微加工技術(shù)的微針電極和電容電極等。不僅提高了使用的便利性，還通過(guò)材料改進(jìn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，不斷降低電極與皮膚的接觸阻抗，從而提高使用舒適度和適用性。

凝膠半干電極具有潛在的廣闊應(yīng)用前景。干電極實(shí)現(xiàn)了腦機(jī)接系統(tǒng)的便捷應(yīng)用，但其與頭皮的電連接僅靠微量的汗液，接觸阻抗高，且強(qiáng)烈依賴(lài)于壓力，因此舒適度和信號(hào)質(zhì)量及穩(wěn)定性成為該項(xiàng)術(shù)需要突破的技術(shù)難題。半干電極利用材料或結(jié)構(gòu)特性，釋放少量電液到頭皮，以降低電極與頭皮的界面阻抗?；诓牧象w系的凝膠干電極物理化學(xué)特性可調(diào)，通過(guò)材料組分配比的優(yōu)化可兼顧電化學(xué)性和機(jī)械特性，從而得到使用舒適度較好且信號(hào)質(zhì)量可與濕電極匹敵 的性能，是一種極具應(yīng)用前景的電極技術(shù)。

3、芯片

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和電路與神經(jīng)科學(xué)融合的不斷探索，腦信號(hào)采集技術(shù)正朝著小型化、輕量化、高通量和分布式采集的方向發(fā)展。BCI的應(yīng)用、算法、硬件和范式的研究?jī)?nèi)容逐漸豐富。植入式和非植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)通過(guò)電極和采集硬件對(duì)腦信號(hào)進(jìn)行采集、處理和解碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腦科學(xué)基礎(chǔ)理論、腦疾病和腦控制外設(shè)的探索和研究。腦信號(hào)采集芯片是將腦信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的核心硬件，也是讀取和解碼腦信號(hào)、診斷和調(diào)節(jié)腦疾病的工具。

根據(jù)腦信號(hào)的生理特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，定制化腦信號(hào)采集芯片的設(shè)計(jì)存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。精密放大器是腦信號(hào)采集芯片的核心模塊，需要滿足腦機(jī)接口應(yīng)用場(chǎng)景中多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的要求。對(duì)于腦信號(hào)來(lái)說(shuō)，其幅度較弱(幾十μV到幾個(gè)mV)，頻率低(0.5 Hz到數(shù)kHz)，因此容易受到外界噪聲的干擾，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量較差。為了保持最佳的信號(hào)質(zhì)量，需要對(duì)腦信號(hào)采集模塊的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如信號(hào)噪聲、共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)、增益匹配、運(yùn)動(dòng)偽影等。腦信號(hào)采集的諸多參數(shù)相互制約，多個(gè)參數(shù)的整體優(yōu)化是腦信號(hào)采集芯片設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題之一。

信號(hào)噪聲是腦信號(hào)采集過(guò)程中最大的干擾源之一。由于前端放大器的閃爍噪聲與腦信號(hào)在頻譜上有部分重疊，所以簡(jiǎn)單的濾波很難提取純凈腦信號(hào)。因此，采用斬波放大技術(shù)將采集的信號(hào)調(diào)制到更高的頻率，以避免放大器的閃爍噪聲。斬波技術(shù)在交流耦合儀表放大器中實(shí)現(xiàn)了噪聲和功耗之間的良好平衡，但在斬波調(diào)制過(guò)程中，放大器的輸入阻抗會(huì)降低到兆歐范圍以下，導(dǎo)致信號(hào)在進(jìn)入放大器之前發(fā)生衰減。為解決輸入阻抗降低的問(wèn)題，有團(tuán)隊(duì)提高了正反饋環(huán)路的輸入阻抗。還有團(tuán)隊(duì)使用電容組來(lái)校準(zhǔn)輸入阻抗升壓電路的電容，也有團(tuán)隊(duì)使用調(diào)整電路耦合的方式來(lái)切換斬波器和輸入電容器的設(shè)置，以避免斬波器調(diào)制導(dǎo)致的輸入阻抗降低。

共模抑制比是衡量系統(tǒng)對(duì)環(huán)境干擾響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于微弱的腦信號(hào)，高共模抑制比可以保證信號(hào)不被共模干擾掩蓋，從而提高信號(hào)質(zhì)量。此外，在多通道神經(jīng)信號(hào)采集過(guò)程中，由于電極植入腦內(nèi)后的一系列生物相容性問(wèn)題，電極的阻抗可能會(huì)隨著植入時(shí)間的增加而明顯增大(數(shù)月后可達(dá)100 kω至數(shù) MΩ)，進(jìn)而影響腦信號(hào)的信噪比以及特定系統(tǒng)的共模抑制比。為了保證采集信號(hào)的質(zhì)量，前端放大器電路采用共模反饋技術(shù)和共模前饋技術(shù)，提高系統(tǒng)級(jí)共模抑制比。

采集芯片的微型化設(shè)計(jì)是植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)的核心技術(shù)挑戰(zhàn)之一。為了將采集芯片縮小到可植入的尺寸范圍，片上有源/無(wú)源器件的小型化是相關(guān)研究中的一個(gè)技術(shù)難題。采用電容耦合的全差分放大器結(jié)構(gòu)，利用晶體管搭建的偽電阻結(jié)構(gòu)，可以大大減小芯片上無(wú)源器件的面積。同時(shí)，偽電阻提供了更大的阻抗和更低的高通截止頻率，適用于設(shè)計(jì)微型化的腦信號(hào)采集芯片。采用時(shí)分復(fù)用/正交頻分復(fù)用等技術(shù)，通過(guò)一個(gè)固定的采集單元同步采集多個(gè)通道的腦信號(hào)，也可以顯著減小片上面積。

針對(duì)不同的腦機(jī)接口應(yīng)用和采集芯片面臨的一些技術(shù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多團(tuán)隊(duì)都提出了解決方案。例如，為了解決采集過(guò)程中電極間直流偏置引起斬波放大器輸出飽和的問(wèn)題，一種直流伺服反饋環(huán)技術(shù)通過(guò)積分器從輸出中提取DC分量并反饋到輸入，有效抑制了電極間直流偏置。

針對(duì)采集芯片的超低功耗要求，有團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于反相器結(jié)構(gòu)的超低壓斬波放大器，非常適合植入場(chǎng)景。針對(duì)芯片微型化的問(wèn)題，放大器和DAC相結(jié)合的數(shù)模混合反饋技術(shù)可以大大減小采集芯片的片上面積。

針對(duì)腦信號(hào)采集過(guò)程中的共模干擾，基于電荷泵的共模反饋技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)反饋輸入端的共模干擾信號(hào)，可以有效抵抗高達(dá)15V的共模干擾。對(duì)于采集芯片的無(wú)線供電，將線圈的無(wú)線傳感傳輸技術(shù)應(yīng)用于植入式腦機(jī)接口芯片。通過(guò)外部傳輸線圈、中繼線圈和片上耦合線圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)采集芯片的無(wú)線供電和采集腦電信號(hào)的無(wú)線傳輸。

體表網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸技術(shù)解決了無(wú)線供電時(shí)線圈難以對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題。采集的信號(hào)和能量利用受試者的體表進(jìn)行無(wú)線傳輸，適用于可穿戴式腦機(jī)接口場(chǎng)景。在提高系統(tǒng)集成度方面，目前已有基于AI的集信號(hào)采集、存儲(chǔ)、信號(hào)分類(lèi)識(shí)別于一體的腦機(jī)接口片上系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了較高的系統(tǒng)集成度。對(duì)于高通量植入式腦機(jī)接口芯片，有公司設(shè)計(jì)了具有動(dòng)作電位識(shí)別的高集成度采集芯片，與數(shù)千個(gè)柔性電極結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高通量腦信號(hào)的采集。

二、刺激技術(shù)

1、閉環(huán)腦深部電刺激技術(shù)

腦深部電極刺激(Deep Brain Stimulation,DBS)一種非常具代表性的植入式電極刺激技術(shù)。DBS通過(guò)植入體內(nèi)的腦起搏器發(fā)放電脈沖，刺激癲癇、帕金森的病灶腦區(qū)，抑制病灶區(qū)神經(jīng)元的異常無(wú)規(guī)則放電，進(jìn)而抑制相關(guān)癥狀，使患者恢復(fù)自如活動(dòng)和自理能力。傳統(tǒng)的 DBS 調(diào)參需要基于微電極信號(hào)分析、刺激效果分析、影像定位、 核磁分析等多技術(shù)手段選擇治療觸點(diǎn)。借助腦機(jī)接口技術(shù)， 腦內(nèi)電極不僅具有單向刺激功能，還可進(jìn)行周?chē)窠?jīng)元信號(hào)采集，以做到精準(zhǔn)觸點(diǎn)選擇。就技術(shù)發(fā)展進(jìn)度看，目前可以做到信號(hào)采集之后由醫(yī)生根據(jù)生物標(biāo)志物和與患者的交互反饋進(jìn)行觸點(diǎn)選擇，未來(lái)還將向自適應(yīng)角度發(fā)展，自適應(yīng)技術(shù)研發(fā)方向包括：

通過(guò)優(yōu)化的信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)控。如在機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上對(duì)患者腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分類(lèi)，為醫(yī)生提供分類(lèi)結(jié)果以助于診斷，提升觸點(diǎn)選擇的精準(zhǔn)度。另外，在患者體態(tài)姿勢(shì)發(fā)生變化導(dǎo)致電極與靶組織之間距離改變時(shí)，例如咳嗽、打噴嚏、深呼吸時(shí)，可根據(jù)誘發(fā)復(fù)合動(dòng)作電位調(diào)控刺激以避免發(fā)生瞬時(shí)過(guò)度刺激。

通過(guò)刺激參數(shù)空間拓展改善自適應(yīng)調(diào)控。刺激參數(shù)空間包括觸點(diǎn)、幅度、頻率、脈寬的選擇。目前在常用單極恒頻刺激的基礎(chǔ)上已開(kāi)發(fā)交叉電脈沖模式、變頻刺激及多觸電不同頻刺激技術(shù)，極大地拓寬了刺激參數(shù)空間， 實(shí)現(xiàn)更好的癥狀調(diào)控。

依托多樣生物標(biāo)志物實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)刺激調(diào)控。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外知名 DBS廠商正在嘗試基于生物標(biāo)志物實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)刺激調(diào)控，例如檢測(cè)神經(jīng)遞質(zhì)濃度，通過(guò)血清素、去甲腎上腺素、多巴胺脫氧血紅蛋白度、氧合血紅蛋白的濃度識(shí)別治療效果并作為依據(jù)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整刺激幅度。也有基于血流水平、范圍或預(yù)定血流值矩陣等血流信息調(diào)節(jié)刺激幅度、脈沖寬度、脈沖率和占空比等指標(biāo)。

通過(guò)磁共振相融 DBS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)控下的腦網(wǎng)絡(luò)探索。現(xiàn)有磁共振兼容 DBS 技術(shù)解決了在強(qiáng)磁場(chǎng)下電極發(fā)熱、移位及感應(yīng)電流等安全隱患，使植入 DBS 的患者能在 3.0T 磁共振下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的同步刺激及掃描。在解決臨床需求的同時(shí)，也使DBS成為探索刺激相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)變化的直接媒介，通過(guò)功能磁共振解析刺激相關(guān)局部及整體腦網(wǎng)絡(luò)改變，為新靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)及適應(yīng)癥的拓展提供依據(jù)。

2、視覺(jué)調(diào)控技術(shù)

植入式視覺(jué)調(diào)控技術(shù)對(duì)盲人群體提高生活質(zhì)量具有重大意義，相關(guān)研究已經(jīng)開(kāi)展。全球絕大多數(shù)研究團(tuán)隊(duì)在開(kāi)環(huán)視覺(jué)重建的研究中，研究方向逐漸從視網(wǎng)膜刺激向皮層刺激轉(zhuǎn)移。目前主要集中在電刺激初級(jí)視覺(jué)皮層( V1 )以獲得人工視覺(jué)感知。這就需要進(jìn)行刺激電極的植入。最新的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)植入了超過(guò) 10 塊猶他陣列，通道數(shù)達(dá)到 1024 。 該系統(tǒng)還包括采集視頻的攝像頭，采集到的圖像信息通過(guò)信號(hào)處理獲得簡(jiǎn)單的二維灰度圖像(目前還沒(méi)有具有色彩的植入式人工視知覺(jué)輸入)，并據(jù)此刺激初級(jí)視覺(jué)皮層神經(jīng)元。受試者通過(guò)植入電極可以在有限的視野范圍內(nèi)看到一些灰度調(diào)制的低分辨率點(diǎn)陣圖像。目前的研 究結(jié)果表明，用小電流電刺激初級(jí)視覺(jué)皮層神經(jīng)元( V1 neurons)會(huì) 激活直徑數(shù)百微米的皮層區(qū)域，從而獲得簡(jiǎn)單的視覺(jué)知覺(jué)，稱(chēng)為光幻視(phosphenes)。電刺激可以改變大腦皮層的信息流， 影響到正常視覺(jué)觀測(cè)內(nèi)容。由于電刺激是相對(duì)粗糙的刺激方式， 因此獲得的視覺(jué)感知也相對(duì)粗糙。目前研究致力于通過(guò)多個(gè)電極同時(shí)刺激，讓受試者感知到具體圖像或連貫動(dòng)作。2020 年發(fā)表在 Science 上的研究結(jié)果表明， 通過(guò)植入大規(guī)模 1024 通道電極并進(jìn)行訓(xùn)練，可以使非人靈長(zhǎng)類(lèi)正確識(shí)別字母，辨識(shí)運(yùn)動(dòng)方向等。如何通過(guò)不同模式刺激增強(qiáng)受試者感知連貫形狀的能力，并最大限度向其傳遞視覺(jué)信息依然是未來(lái)研究重點(diǎn)。

目前的植入式視覺(jué)調(diào)控研究多為開(kāi)環(huán)腦機(jī)接口系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)腦機(jī)接口系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)精確刺激模型，且電刺激也難以與真實(shí)的視覺(jué)刺激保持一致， 因此存在不可控風(fēng)險(xiǎn)且難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)視覺(jué)輸入。因此閉環(huán)視覺(jué)調(diào)控是未來(lái)重要的技術(shù)探索方向。

三、范式編碼技術(shù)

大腦的各種思維與響應(yīng)活動(dòng)千變?nèi)f化，且同時(shí)發(fā)生，因此很難直接從中準(zhǔn)確解碼特定類(lèi)型的活動(dòng)。在腦機(jī)接口系統(tǒng)中，用范式來(lái)表征對(duì)預(yù)定義的大腦意圖的編碼方案。范式定義為：在編碼任務(wù)中， 對(duì)希望識(shí)別的大腦意圖用可檢測(cè)、可區(qū)分、可采集的腦信號(hào)予以對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦意圖的可識(shí)別輸出。在過(guò)去的幾十年中，出現(xiàn)了許多腦機(jī)接口范式，常見(jiàn)典型的有運(yùn)動(dòng)想象范式、穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位范式、P300范式。這些范式往往根據(jù)是否有外部刺激和輔助而分為被動(dòng)式和主動(dòng)式范式。

1、被動(dòng)式范式

視覺(jué)誘發(fā)電位刺激范式 P300 朝向界面布局優(yōu)化、人臉圖像拼寫(xiě)和融合物理刺激方向發(fā)展。傳統(tǒng)的視覺(jué) P300 電位刺激范式下，拼寫(xiě)器允許受試者通過(guò)閃爍不同的行和列來(lái)選擇目標(biāo)，但沒(méi)有考慮兩個(gè)相鄰符號(hào)連續(xù)閃爍對(duì)結(jié)果的影響。近年有大量研究針對(duì) P300 電位刺激范式的拼寫(xiě)界面布局開(kāi)展優(yōu)化工作，有效消除了相鄰符號(hào)閃爍帶來(lái)的影響。一些研究發(fā)現(xiàn)面部符號(hào)可以比傳統(tǒng) P300 字符拼寫(xiě)范式誘導(dǎo)更高的 P300 電位。因此許多研究嘗試用人臉圖像代替數(shù)字或字母符號(hào)，使每個(gè)符號(hào)在以一定頻率閃爍時(shí)都會(huì)變成人臉圖像，而不是簡(jiǎn)單的顏色或大小變化，實(shí)現(xiàn)了 P300 電位刺激范式的解碼性能提升。最近也有研究發(fā)現(xiàn)，在視覺(jué) P300 電位刺激范式中添加其他形式的物理刺激可以提高使用者的表現(xiàn)，例如使用偏光鏡增強(qiáng)刺激、基于積極情緒的視聽(tīng)組合刺激、引入聲音和視頻刺激等方式。因此將 P300 電位與其他物理刺激融合的范式研究也是近年的熱點(diǎn)。

穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(Steady-state visual evoked potentials，SSVEP) 刺激范式朝向更高效、更舒適和更自然發(fā)展。SSVEP 范式腦機(jī)接口主要應(yīng)用方向包括：高速率腦機(jī)接口打字交互系統(tǒng)、特殊群體腦機(jī)報(bào)警系統(tǒng)、自然場(chǎng)景的腦機(jī)目標(biāo)選擇系統(tǒng)等。為支撐上述三大應(yīng)用場(chǎng)景，SSVEP范式的主要發(fā)展趨勢(shì)包括：

更高效：SSVEP 范式編碼從最初 4 目標(biāo)編碼已發(fā)展至 160 目標(biāo)編碼，且編碼的識(shí)別響應(yīng)性能也在持續(xù)提升，因而實(shí)現(xiàn)的高速率 SSVEP-BCI 系統(tǒng)的性能也在不斷提升。后續(xù) SSVEP 會(huì)持續(xù)研究更高效、可分性更好的范式編碼。

更舒適：SSVEP 范式刺激的最佳頻帶為 8~15Hz，該頻帶的多目標(biāo)閃爍刺激雖然實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)性能優(yōu)異，但也容易誘發(fā)視覺(jué)疲勞， 因而在實(shí)際落地應(yīng)用中受到了一定的阻力。目前 SSVEP 舒適刺激的方式主要包括降低亮度變化率、提高刺激頻率、減小刺激目標(biāo)面積以及采用空間編碼(外周視野) 刺激等。上述研究已取得了較大的進(jìn)展，并不斷繼續(xù)推進(jìn)中。

更自然：SSVEP 刺激范式的每個(gè)刺激塊需要按固定頻率進(jìn)行閃爍且具有一定的面積，因而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中僅與腦機(jī)打字場(chǎng)景最貼合， 即將字符繪于對(duì)應(yīng)的閃爍目標(biāo)塊上即可。目前已有部分 SSVEP 范式采用空間編碼的方式將中央視野區(qū)域空出，在視野外周進(jìn)行刺激編碼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更貼近自然應(yīng)用場(chǎng)景的應(yīng)用。也有適當(dāng)降低 SSVEP 閃爍塊面積并與生活場(chǎng)景結(jié)合的編碼思路，受限于刺激面積變小對(duì)響應(yīng)強(qiáng)度的影響，為保障系統(tǒng)的識(shí)別正確率與響應(yīng)速度，此類(lèi)應(yīng)用的 SSVEP 編碼目標(biāo)數(shù)較少。此外，SSVEP 的主要響應(yīng)腦區(qū)位于后腦枕 葉，因而往往需要佩戴腦電帽，不利于生活自然場(chǎng)景使用。為解決該問(wèn)題， 部分研究采用時(shí)頻混合或時(shí)空頻融合的編碼方式，嘗試提升無(wú)毛發(fā)區(qū)的 SSVEP 響應(yīng)強(qiáng)度，取得了一定的進(jìn)展。為了 SSVEP 腦機(jī)接口在生活場(chǎng)景落地，上述研究仍在持續(xù)推進(jìn)中。

2、主動(dòng)式范式

運(yùn)動(dòng)想象(Motor Imagery, MI)范式朝向更精細(xì)發(fā)展。運(yùn)動(dòng)想象是一種非常重要的主動(dòng)式腦機(jī)接口范式，用于識(shí)別大腦對(duì)四肢和舌頭的運(yùn)動(dòng)意圖。其無(wú)需外界條件刺激和明顯的動(dòng)作輸出就能誘發(fā)大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的特定響應(yīng)?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于基于腦機(jī)接口的假肢、機(jī)械臂和輪椅等設(shè)備控制、字符拼寫(xiě)及臨床中風(fēng)康復(fù)治療等場(chǎng)景。

基于運(yùn)動(dòng)想象范式的腦機(jī)接口已經(jīng)發(fā)展多年，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，大肢體部位的 MI 控制已經(jīng)基本發(fā)展成熟， 而對(duì)更細(xì)微運(yùn)動(dòng)做出想象并有效識(shí)別(例如不同手指的伸縮、握拳、不同手勢(shì)的運(yùn)動(dòng)想象等)是運(yùn)動(dòng)想象范式編碼的發(fā)展方向。

運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位范式朝向多肢體運(yùn)動(dòng)意圖解碼和連續(xù)運(yùn)動(dòng)解碼發(fā)展。運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位(Movement-related cortical potential, MRCP) 是一種可以從低頻頭皮腦電中捕捉到的與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、執(zhí)行相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)。MRCP 主要由三部分組成，即與運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備相關(guān)的準(zhǔn)備電位(Readiness potential, RP)、與運(yùn)動(dòng)發(fā)生、起始相關(guān)的運(yùn)動(dòng)電位( Motor Potential, MP ) 以及與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行、運(yùn)動(dòng)性能相關(guān)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)電位(Movement-monitoring potential ，MMP)。相較于 SSVEP 和 P300 等被動(dòng)式腦機(jī)接口范式， MRCP 和運(yùn)動(dòng)想象是不依賴(lài)于外部刺激的、由人體真實(shí)運(yùn)動(dòng)意圖誘發(fā)的主動(dòng)式腦機(jī)接口范式。而相較于運(yùn)動(dòng)想象，MRCP 不依賴(lài)于重復(fù)的運(yùn)動(dòng)想象。因此， MRCP 具有自然、真實(shí)、可以反映人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)意圖等優(yōu)點(diǎn)。典型的 MRCP 范式包括點(diǎn)到點(diǎn)的上肢運(yùn)動(dòng)(如 center-out)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)追蹤式的上肢運(yùn)動(dòng)(如 PTT)、指定動(dòng)作類(lèi)型的上肢或下肢運(yùn)動(dòng)(如手腕內(nèi)旋/外旋)等。由于 MRCP 具有可反映運(yùn)動(dòng)意圖的特性， 其對(duì)發(fā)展與運(yùn)動(dòng)康復(fù)、運(yùn)動(dòng)功能診斷、日常生活輔助等相關(guān)的運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口具有重要價(jià)值。目前，MRCP 主要發(fā)展趨勢(shì)包括從單肢體到多肢體的運(yùn)動(dòng)意圖解碼、從離散分類(lèi)問(wèn)題到連續(xù)回歸問(wèn)題的連續(xù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)解析、與神經(jīng)假肢、外骨骼、機(jī)械臂等 外設(shè)結(jié)合的人體運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)和康復(fù)治療等。

四、解碼算法技術(shù)

1、植入式主流解碼技術(shù)

卡爾曼濾波器成為當(dāng)前主流解碼方法。以運(yùn)動(dòng)控制為例， 早期的植入式腦機(jī)接口解碼大都使用維納濾波器線性解碼系統(tǒng)。此類(lèi)解碼系統(tǒng)不包含運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程模型，而是將群體神經(jīng)元的反應(yīng)作為輸入，將空間坐標(biāo)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速率作為輸出，通過(guò)最優(yōu)線性估計(jì)的方法進(jìn)行解碼。早期很多腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)室都用該方法進(jìn)行解碼。后來(lái)，為滿足控制過(guò)程中的解碼連續(xù)性需求，需要有運(yùn)動(dòng)模型作參考以修正和優(yōu)化解碼器輸出，卡爾曼濾波器成為當(dāng)前的主流解碼方法，其在離線、實(shí)時(shí)以及臨床試驗(yàn)中都得到了廣泛的應(yīng)用?？柭鼮V波的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，而且可以不需考慮神經(jīng)元具體編碼內(nèi)容即可解碼，因此可以實(shí)時(shí)快速解 碼。其缺點(diǎn)在于解碼效果一般，且每次實(shí)驗(yàn)之前都需較長(zhǎng)的校準(zhǔn)時(shí)間，另外，卡爾曼濾波解碼的系統(tǒng)魯棒性相對(duì)較差。為解決這些問(wèn)題，國(guó)際上提出了很多方法，其中最具前景的方法主要包括類(lèi)腦解碼器設(shè)計(jì)和神經(jīng)學(xué)習(xí)。

類(lèi)腦解碼器成為新一代解碼方法。最近一些皮層神經(jīng)元群體編碼特性研究結(jié)果表明，雖然大量的神經(jīng)元被記錄并用于腦機(jī)接口的解碼，但因大腦神經(jīng)元的信息編碼相對(duì)于運(yùn)動(dòng)是冗余的，用于控制的神經(jīng)元 群體反應(yīng)維度要低于神經(jīng)元數(shù)量。因此在理論上可以找到一個(gè)隱藏或潛在的低維狀態(tài)空間來(lái)描述在該控制條件下的有效神經(jīng)元群體反應(yīng)，并將這個(gè)狀態(tài)空間中的潛變量映射到相關(guān)行為或運(yùn)動(dòng)控制變量用于運(yùn)動(dòng)控制。將這些編碼特性應(yīng)用于解碼器設(shè)計(jì)，得到類(lèi)腦的解碼器可用于腦機(jī)接口控制。目前學(xué)術(shù)研究結(jié)果表明，此類(lèi)穩(wěn)定子空間是存在的。此方法的優(yōu)勢(shì)是雖然記錄到的神經(jīng)元群體信號(hào)有高噪聲且會(huì)發(fā)生變化， 但其在子空間上的動(dòng)力學(xué)過(guò)程一直穩(wěn)定，因此可以有效去除不穩(wěn)定記錄以及神經(jīng)元發(fā)放變化帶來(lái)的干擾，從而獲得更為魯棒的腦機(jī)接口系統(tǒng)。

神經(jīng)學(xué)習(xí)提供新的解碼思路。當(dāng)前還有一種前沿的腦機(jī)接口解碼方法是通過(guò)訓(xùn)練大腦進(jìn)行學(xué)習(xí)來(lái)使用腦機(jī)接口，即神經(jīng)學(xué)習(xí)(也稱(chēng)腦機(jī)學(xué)習(xí))。腦機(jī)接口系統(tǒng)中存在兩個(gè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，一個(gè)是解碼器的機(jī)器學(xué)習(xí)，另外一個(gè)就是具有強(qiáng)大學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)系統(tǒng)。腦機(jī)接口初期的實(shí)驗(yàn)都體現(xiàn)了大腦學(xué)習(xí)本身的重要意義，但如何讓大腦學(xué)會(huì)使用腦機(jī)接口的解決方案尚不完善。腦機(jī)接口系統(tǒng)在使用過(guò)程中，閉環(huán)控制的練習(xí)可以導(dǎo)致神經(jīng)元為適應(yīng)用戶的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而發(fā)生變化。因此，閉環(huán)過(guò)程中的解碼器與開(kāi)環(huán)時(shí)的解碼器可能完全不同，結(jié)果表明提供快速的反饋比過(guò)濾錯(cuò)誤更為重要，因此誕生了改進(jìn)閉環(huán)性能的技術(shù)，一般被稱(chēng)為閉環(huán)解碼器適應(yīng)(Closed-Loop Decoder Adaptation ，CLDA)。此類(lèi)方法根據(jù)閉環(huán)腦機(jī)接口使用期間記錄的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)改進(jìn)解碼器，讓解碼器根據(jù)用戶當(dāng)前神經(jīng)信號(hào)的性質(zhì)來(lái)決定解碼器的結(jié)構(gòu)。此外，用戶的神經(jīng)系統(tǒng)也在實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)如何應(yīng)用這個(gè)解碼器。兩者的相互結(jié)合以及相互促進(jìn)得到了一個(gè)“腦機(jī)雙學(xué)習(xí)”的融合式腦機(jī)接口系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以在神經(jīng)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)依然輸出穩(wěn)定的表現(xiàn)，且僅需少量校準(zhǔn)即可即插即用，同時(shí)魯棒性極高，在適應(yīng)新的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)有同時(shí)保留已學(xué)控制技巧并探索新控制方式的特性，因此極大的提高了腦機(jī)接口系 統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可能性。

2、非植入式主流解碼技術(shù)

分解算法是非植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)的主流解碼算法。分解算法廣泛應(yīng)用于腦機(jī)接口系統(tǒng)的去噪與意圖解碼。分解算法通常使用矩陣分解或提取空間濾波器來(lái)增加不同類(lèi)別意圖的解碼可分離性。大多數(shù)分解算法都是為特征提取而設(shè)計(jì)的，矩陣特征分解后通常需要連接到分類(lèi)器。獨(dú)立成分分析(ICA)是使用廣泛的分解算法之一。ICA 一方面可對(duì)不同源信號(hào)進(jìn)行特征分析，另一方面還可用于去噪(例如去除眨眼成分、偽影信號(hào)等)。在解碼腦意圖時(shí)，不同腦機(jī)接口范式的分解算法存在差異。運(yùn)動(dòng)想象范式解碼多采用通用空間模式(CSP)及衍生算法。CSP 可最大化不同分布的方差信號(hào)， 例如對(duì)左右手運(yùn)動(dòng)想象進(jìn)行分類(lèi)。在 CSP 基礎(chǔ)上逐漸衍生出濾波器組 CSP (FBCSP)、提議判別濾波器組 CSP(DFBCSP)、臨時(shí)約束的稀疏組空間模式(TSGSP) 等。穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP)解碼多采用典型相關(guān)分析(CCA) 及衍生算法。CCA 算法有效解決了以往非空域分解算法難于處理的導(dǎo)聯(lián)挑選問(wèn)題。近十年學(xué)者提出諸多 CCA 改進(jìn)算法，例如濾波器組CCA(FBCCA)、任務(wù)相關(guān)成分分析(TRCA)、集成 TRCA(eTRCA)、任務(wù)相關(guān)成分分析算法( mTRCA 、TDCA 等)。視覺(jué) P300 電位解碼算法依托 xDAWN 算法和 DCPM 算法。目前有增強(qiáng) P300 誘發(fā)電位的xDAWN 算法以及將空間模式提取和模式匹配結(jié)合的DCPM 算法。

近十年以黎曼幾何為代表的流形算法在腦機(jī)接口系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。黎曼幾何算法通常可以用于對(duì)稱(chēng)正定(SPD) 矩陣的空間上應(yīng)用運(yùn)算， 進(jìn)而提供一個(gè)統(tǒng)一的框架來(lái)處理不同的腦機(jī)接口范式。例如基于最小均值距離(MDM)和帶有測(cè)地線濾波(FgMDM) 算法對(duì) MI任務(wù)進(jìn)行分類(lèi)。MDM 類(lèi)似于使用歐式距離而不是黎曼距離的最近鄰算法。FgMDM 將協(xié)方差投影到切線空間，將線性判別分析(LDA) 應(yīng)用于切線向量，然后將它們投影回帶有選定分量的 SPD 空間。黎曼框架由于具有擴(kuò)展性，因此易于多場(chǎng)景應(yīng)用并與機(jī)器學(xué)習(xí)方法結(jié)合。

深度學(xué)習(xí)算法在近年被引入腦機(jī)接口解碼研究?；?CNN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 Shal-lowConvNet 和 DeepConvNet 模仿了 FBCSP 中的時(shí)間和空間濾波器，性能接近 FBCSP。進(jìn)一步利用深度可分離卷積代替普通卷積提出的 EEGNet 在 SSVEP 范式應(yīng)用中取得了很好的效果。CNN 網(wǎng)絡(luò)模型具有的批處理歸一化功能也可用于視覺(jué)P300 范式的解碼。進(jìn)一步還有諸多深度學(xué)習(xí)的改進(jìn)模型，例如CNN-RNN架構(gòu)、CNN-LSTM 架構(gòu)。還有一些研究側(cè)重于腦機(jī)接口的數(shù)據(jù)擴(kuò)增，進(jìn)而得到更多的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提升解碼效果。典型的數(shù)據(jù)擴(kuò)增網(wǎng)絡(luò)模型包括循環(huán)的對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(RGAN)、增強(qiáng) MI 數(shù)據(jù)的 C-LSTM 模型等。

遷移學(xué)習(xí)算法的進(jìn)步是腦機(jī)接口走向應(yīng)用落地的關(guān)鍵。許多機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)自相同的特征分布。此類(lèi)算法在腦機(jī)接口應(yīng)用中，雖然面向單個(gè)被試在短時(shí)間內(nèi)可以取得良好性能，但在不同被試或相同被試不同時(shí)間的情況下性能則大幅下降。這些問(wèn)題被稱(chēng)為跨被試和跨時(shí)間的可變性問(wèn)題。為了減輕這兩個(gè)問(wèn)題的影響， 通常需要一個(gè)校準(zhǔn)階段來(lái)在每個(gè)會(huì)話開(kāi)始時(shí)收集足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，但這會(huì)明顯增加系統(tǒng)使用的準(zhǔn)備時(shí)間。遷移學(xué)習(xí)旨在利用源域中的先驗(yàn)信息改進(jìn)目標(biāo)域中預(yù)測(cè)函數(shù)的學(xué)習(xí)過(guò)程，解決跨主體的可性問(wèn)題。腦機(jī)接口的早期遷移學(xué)習(xí)算法側(cè)重于分解算法的改進(jìn)。而后黎曼幾何法進(jìn)一步促進(jìn)了腦機(jī)接口的遷移學(xué)習(xí)算法進(jìn)步。近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)算法也開(kāi)始應(yīng)用于遷移學(xué)習(xí)領(lǐng)域。此外，其他領(lǐng)域的遷移學(xué)習(xí)方法也在腦機(jī)接口研究中有一定的借鑒， 例如信息幾何(STIG)的光譜傳輸算法在快速序列視覺(jué)呈現(xiàn)范式(RSVP) 的驗(yàn)證；融合轉(zhuǎn)移分量 分析(TCA) 和聯(lián)合分布適應(yīng)(JDA) 提出的用于腦機(jī)接口的流形嵌 入知識(shí)轉(zhuǎn)移(MEKT)方法。

典型應(yīng)用場(chǎng)景及需求

一、腦狀態(tài)檢測(cè)

1、腦功能評(píng)估與輔助診斷

1) 場(chǎng)景描述

腦機(jī)接口系統(tǒng)已逐步應(yīng)用于腦功能評(píng)估與輔助診斷。由于頭皮腦電(Electroencephalograph,EEG)信號(hào)具有高度非線性且隨機(jī)特點(diǎn)，使用信號(hào)處理技術(shù)可以很容易區(qū)分正常和異常的大腦活動(dòng)， 因此腦部受傷等癥狀或疾病都可以使用腦電圖來(lái)診斷許多與神經(jīng)病學(xué)相關(guān)的疾病，例如癲癇、睡眠障礙、腫瘤、抑郁癥、自閉癥等疾病。

2）關(guān)鍵需求

在準(zhǔn)確方面，基于腦信號(hào)解碼的疾病輔助診斷已逐漸在臨床上應(yīng)用落地。經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀的調(diào)研，此類(lèi)系統(tǒng)最關(guān)鍵的指標(biāo)即為識(shí)別正確率，通常需要達(dá)到 90%以上。當(dāng)然，也并非一味追求高識(shí)別正確率，而由不同疾病以及支撐技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀決定。

在高效方面，腦功能評(píng)估與輔助診斷對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)交互速度要求相對(duì)不高，大致有 15 分鐘出結(jié)果即可。當(dāng)然根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平而言，實(shí)際操作中還是越快越好。但是對(duì)人機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)要求較高， 因?yàn)橐钟舭Y、自閉癥等患者的測(cè)試配合度通常遠(yuǎn)低于常人，準(zhǔn)備過(guò)程的時(shí)需要盡量縮短。

在穩(wěn)定方面，腦疾病輔助診斷設(shè)備的需求不高，通常是在固定的使用環(huán)境應(yīng)用，對(duì)外界干擾可以做一定的場(chǎng)地限制。

在易用方面，腦疾病輔助診斷設(shè)備的需求相對(duì)較低，檢測(cè)過(guò)程通常不會(huì)持續(xù)太久，且在臨床環(huán)境使用，使用者對(duì)輕便的需求相對(duì)不明顯，只要不對(duì)使用者造成明顯負(fù)擔(dān)即可。

2、腦紋識(shí)別

1）場(chǎng)景描述

在當(dāng)前的數(shù)字信息社會(huì)中，個(gè)人身份驗(yàn)證技術(shù)是個(gè)人和企業(yè)安全系統(tǒng)中必不可少的工具。腦紋具有高隱蔽性、不可竊取性、不可仿制性以及必須活體等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此在機(jī)密性、安全性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合中，可以使用腦電波進(jìn)行身份識(shí)別。

2）關(guān)鍵需求

在準(zhǔn)確方面，基于腦電信號(hào)的身份驗(yàn)證、識(shí)別將在個(gè)人消費(fèi)支付、軍事設(shè)備控制上應(yīng)用落地。經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀的調(diào)研， 我們認(rèn)為腦電身份驗(yàn)證系統(tǒng)最關(guān)鍵的指標(biāo)即為驗(yàn)證識(shí)別正確率，通常需要大 于等于 99%。

在高效方面，基于腦電的身份驗(yàn)證和識(shí)別對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)交互速度有一定要求。在穩(wěn)定采集腦電信號(hào)的前提下，一般需要 1 分鐘內(nèi)輸出結(jié)果。在公安刑偵、金融支付等場(chǎng)合均需要應(yīng)用任務(wù)能快速部署，因此設(shè)備的準(zhǔn)備過(guò)程耗時(shí)需要盡量縮短。

在穩(wěn)定方面，腦電身份驗(yàn)證識(shí)別對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高。具體體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是具有跨任務(wù)狀態(tài)的穩(wěn)定性；二是具有跨時(shí)段的穩(wěn)定性；三是具有跨系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前兩者的穩(wěn)定性可以通過(guò)算法模型來(lái)增強(qiáng)。最后的跨系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要腦機(jī)接口行業(yè)盡快建立起數(shù)據(jù)采集的通用標(biāo)準(zhǔn)。

在易用方面，腦電身份驗(yàn)證識(shí)別對(duì)系統(tǒng)便攜易用需求相對(duì)較高，驗(yàn)證識(shí)別過(guò)程通常不能持續(xù)太久，最好是干電極、金屬電極或者生物凝膠電極等易用操作傳感設(shè)備，避免使用操作繁瑣的濕電極。

3、安全監(jiān)控

1）場(chǎng)景描述

傳統(tǒng)的安全生產(chǎn)監(jiān)管模式長(zhǎng)期以來(lái)都是圍繞制度安全和設(shè)備安全展開(kāi)， 對(duì)人員狀態(tài)突變?cè)斐傻陌踩鹿薀o(wú)法預(yù)測(cè)預(yù)警，當(dāng)事故發(fā)生 后無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行及時(shí)發(fā)現(xiàn)救助，也無(wú)法從人員角度對(duì)安全隱患 進(jìn)行排查分析。腦機(jī)接口系統(tǒng)基于對(duì)大腦狀態(tài)的實(shí)時(shí)讀取和解析，將 作業(yè)人員和生產(chǎn)作業(yè)安全相關(guān)的大腦狀態(tài)進(jìn)行了綜合數(shù)字化呈現(xiàn)，結(jié) 合大數(shù)據(jù)技術(shù)賦能人員安全生產(chǎn)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)人員安全事故的預(yù)測(cè)預(yù)警、 事故發(fā)生的自動(dòng)報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)反饋?zhàn)跃?，也讓管理者能夠從人員安全數(shù) 據(jù)的角度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)隱患排查。因此腦機(jī)接口系統(tǒng)可用于?；飞a(chǎn)、 施工作業(yè)、應(yīng)急救援、冶煉生產(chǎn)等眾多場(chǎng)景。

2）關(guān)鍵需求

在準(zhǔn)確方面，由于涉及作業(yè)人員的安全，系統(tǒng)必須具有極高識(shí)別正確率，確保在極端狀態(tài)下準(zhǔn)確及時(shí)的進(jìn)行事故預(yù)警和報(bào)警。為此，要保留適度的算法冗余度，在降低誤報(bào)率的條件下盡量提升準(zhǔn)確度，確保在安全事故發(fā)生時(shí)準(zhǔn)確率達(dá)到 99%以上。

在高效方面，復(fù)雜工況環(huán)境要求腦機(jī)接口系統(tǒng)做到無(wú)干擾快速響應(yīng)。為此，要搭建以高精度微弱腦電信號(hào)采集和實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)， 結(jié)合高效穩(wěn)定的無(wú)線傳輸技術(shù)，具有互操作性的跨平臺(tái)應(yīng)用程序接口，最終實(shí)現(xiàn)即戴即用、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和秒級(jí)響應(yīng)。

在穩(wěn)定方面，工業(yè)場(chǎng)景的規(guī)?；逃靡鉀Q三個(gè)主要問(wèn)題，一是在工況作業(yè)等高噪聲強(qiáng)干擾場(chǎng)景中獲取高信噪比的腦電信號(hào)，需要積累各種作業(yè)工況環(huán)境中腦電參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，不斷優(yōu)化工程算法濾波器，提升整體信號(hào)質(zhì)量；二是少量通道條件下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜腦狀態(tài)實(shí)時(shí)分析計(jì)算。工業(yè)場(chǎng)景的條件限制導(dǎo)致只能采用少量信息通道，這對(duì)低信息量條件下的實(shí)時(shí)腦狀態(tài)分析對(duì)算法提出了更高的要求；三是腦機(jī)接口系統(tǒng)在工業(yè)場(chǎng)景規(guī)?；逃弥?，不同群體和個(gè)體之間的差異對(duì)于魯棒性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化算法， 迭代數(shù)據(jù)模型，提升腦機(jī)接口系統(tǒng)的魯棒性。

在易用方面，在真實(shí)惡劣環(huán)境中應(yīng)用要確保高精度微弱腦電信號(hào)采集設(shè)備小型化、便攜化、可穿戴。這需要在已有防護(hù)裝備中進(jìn)行便攜化腦機(jī)接口系統(tǒng)的嵌入式改造，并在電極性能、人因工程、材料設(shè) 計(jì)、防水防塵等諸多方面進(jìn)行優(yōu)化定型， 既要滿足現(xiàn)場(chǎng)人員無(wú)痕式佩戴的舒適度體驗(yàn)，又要適應(yīng)各種高溫、高濕、高粉塵的外界強(qiáng)干擾環(huán)境，保證高精度腦電信號(hào)的穩(wěn)定采集和傳輸效率。

二、神經(jīng)調(diào)控

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)利用植入性或非植入性技術(shù)， 采用電刺激或藥物手段改變中樞神經(jīng)、外周神經(jīng)或自主神經(jīng)系統(tǒng)活性從而來(lái)改善患病人群 的癥狀。腦機(jī)接口相關(guān)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)主要包括腦深部電極刺激 (DBS)、迷走神經(jīng)刺激(VNS)、經(jīng)顱磁刺激 (TMS)、經(jīng)顱交流刺激 (tACS)、經(jīng)顱直流刺激(tDCS)、經(jīng)顱超聲刺激(TUS)、經(jīng)顱電刺 激和神經(jīng)反饋(Neurofeedback)技術(shù)。

1、有創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控

1）場(chǎng)景描述

DBS 是典型的有創(chuàng)型神經(jīng)調(diào)控技術(shù)。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)脈沖電刺激實(shí)現(xiàn)調(diào)控。其電流、頻率、脈寬等參數(shù)通過(guò)醫(yī)生“試錯(cuò)”的方式對(duì)調(diào)控效果進(jìn)行觀察并調(diào)整。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)步，閉環(huán)的神經(jīng)調(diào)控通過(guò)增加感知模塊可以對(duì)不同腦狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，這種刺激效果更靈活，更適應(yīng)、更自動(dòng)化， 從而達(dá)到更好的治療效果和更小的副作用。國(guó)外已經(jīng)進(jìn)入成熟商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域包括癲癇、帕金森、強(qiáng)迫癥等，正在探索中的疾病包括成癮、抑郁、阿爾茲海默癥等神經(jīng)疾病。

2）關(guān)鍵需求

在準(zhǔn)確方面，應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的神經(jīng)調(diào)控設(shè)備產(chǎn)生的脈沖刺激有一定限制，對(duì)神經(jīng)組織損失較小且可逆，同時(shí)神經(jīng)調(diào)控具備短期和長(zhǎng)期的兩種作用機(jī)制，因此，對(duì)識(shí)別正確率未作苛刻要求。

在高效方面，人機(jī)交互響應(yīng)速度隨病種而導(dǎo)致要求不同。癲癇等疾病對(duì)快速響應(yīng)的要求較高，在腦電已發(fā)生改變且臨床癥狀出現(xiàn)前做出判斷， 并以刺激方式抑制癲癇發(fā)作?，F(xiàn)有的商業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)顯示，約 4 秒計(jì)算時(shí)間能完成癲癇發(fā)作的監(jiān)測(cè)和刺激的反饋。對(duì)于抑郁、帕金 森等疾病，對(duì)快速響應(yīng)交互性要求則相對(duì)較低，不大于 4 秒即可。

在穩(wěn)定方面，采用微創(chuàng)或有創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)能夠在一定程度上避免顱骨對(duì)采集和刺激信號(hào)造成衰減，因此在復(fù)雜環(huán)境下通常能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)穩(wěn)定交互以及快速應(yīng)用體驗(yàn)。但要防止在極端惡劣環(huán)境條件下應(yīng)用此技術(shù)(例如，電磁干擾、極端溫度、壓力變化)，從而對(duì)設(shè)備產(chǎn)生信號(hào)干擾， 從實(shí)踐來(lái)看， 已有證據(jù)表明 RFID 設(shè)備、高壓氧倉(cāng)、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境有可能導(dǎo)致信號(hào)偽跡， 從而產(chǎn)生誤刺激。閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控的應(yīng)用由于以有創(chuàng)或微創(chuàng)為主，因此對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定使用要求較高。一方面要求神經(jīng)界面能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定進(jìn)行采集和刺激，減少由于纖維蛋白增生 導(dǎo)致的采集和刺激失效；另一方面要求功耗更低以降低人體損害，以及電池容量更大以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期工作，避免頻繁更換電池等二次手術(shù)造成新的創(chuàng)傷。從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展來(lái)看， 神經(jīng)刺激器的工作有效期已經(jīng)從傳統(tǒng)的三至五年延長(zhǎng)至十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，并已開(kāi)發(fā)安全的可充電技術(shù)，滿足在人體內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作需求。

在易用方面，植入醫(yī)療器械為滿足更加輕便的需求當(dāng)前多通過(guò)微創(chuàng)方案解決。傳統(tǒng)的神經(jīng)刺激器體積較大，約 30cm3 左右， 且需要在胸內(nèi)和腦內(nèi)植入并通過(guò)引線連接。采用微創(chuàng)技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)輕便性目標(biāo)，植入體的體積僅需顱骨切除，或者磨骨即可植入，從而減少手術(shù)創(chuàng)傷以及術(shù)后并發(fā)癥幾率，因此有創(chuàng)植入正在朝向微創(chuàng)植入方向發(fā)展。

2、無(wú)創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控

1）場(chǎng)景描述

孤獨(dú)癥(又稱(chēng)自閉癥)譜系障礙是一種嚴(yán)重的神經(jīng)發(fā)育疾病， 據(jù)美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心(CDC) 2021 年 12 月調(diào)查結(jié)果顯示， 在過(guò)去二十年里美國(guó)自閉癥患病率持續(xù)上升， 2018 年調(diào)查的 8 歲兒童中自閉癥患病率為 2.27%，高于上一個(gè)報(bào)告期(2016 年) 的 1.85%。我國(guó)的自閉癥患病率調(diào)查數(shù)據(jù)為至少 1%。作為腦機(jī)接口技術(shù)的重要研究和應(yīng)用方向，基于神經(jīng)反饋的數(shù)字療法是自閉癥領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的前沿和必然趨勢(shì)。國(guó)際公認(rèn)的應(yīng)用行為分析 ( applied behavior analysis,ABA) 療法有效率一般不超過(guò) 50%?，F(xiàn)已有實(shí)踐表明， 疑似 或確診的孤獨(dú)癥譜系障礙患者在康復(fù)過(guò)程中，針對(duì)社交與交流缺陷， 通過(guò)非侵入式可穿戴腦機(jī)接口系統(tǒng)，結(jié)合智能神經(jīng)反饋訓(xùn)練技術(shù)，進(jìn)行基于大腦實(shí)時(shí)信號(hào)的評(píng)測(cè)和閉環(huán)干預(yù)，并與應(yīng)用行為分析、言語(yǔ)治療、作業(yè)(職能) 治療等方法結(jié)合，能夠促進(jìn)神經(jīng)可塑性，提高社交腦功能，提升行為訓(xùn)練效果。

2）關(guān)鍵需求

在準(zhǔn)確方面，需要以醫(yī)療級(jí)別腦電波 90%以上的信號(hào)精度記錄腦電波，以 85%以上的識(shí)別正確率解碼社交腦的腦電生物學(xué)指標(biāo)，并以符合患者學(xué)習(xí)風(fēng)格的方式提供反饋。

在高效方面，需要能夠在 200Hz 以上的采樣率、2000ms 以內(nèi)的解碼和反饋速度，以非人工的方式為患者提供有效的強(qiáng)化。

在穩(wěn)定方面，有實(shí)踐表明，通過(guò)符合患者學(xué)習(xí)風(fēng)格的方式構(gòu)建交互方式， 讓超過(guò) 95%的患者堅(jiān)持每周使用系統(tǒng) 3 次以上，總時(shí)長(zhǎng)超過(guò)每周 3 小時(shí)則使用效果較好。且腦機(jī)接口系統(tǒng)與應(yīng)用軟件的通訊方式在實(shí)踐中表明，需要有穩(wěn)定的短距離無(wú)線連接能力，通信線路在 3 小 時(shí)內(nèi)應(yīng)保持不中斷。

在易用方面，應(yīng)用軟件需要具有互操作性，能適配多種主流操作系統(tǒng)、多款市面主流終端設(shè)備，操作需要降低門(mén)檻、降低專(zhuān)業(yè)知識(shí)門(mén)檻，讓康復(fù)機(jī)構(gòu)初級(jí)康復(fù)師、患者及家屬均可快速入門(mén)使用。系統(tǒng)也應(yīng)不需要涂抹導(dǎo)電膏和佩戴有線設(shè)備等，這樣能促進(jìn)患者在醫(yī)院以外的地方接受治療。

三、對(duì)外交互

1、協(xié)助溝通

1）場(chǎng)景描述

腦機(jī)接口可為漸凍癥、中風(fēng)康復(fù)患者等失去語(yǔ)言交流功能的人員實(shí)現(xiàn)腦電打字系統(tǒng)，提高患者的生活質(zhì)量。未來(lái)還可應(yīng)用于人與人之間的隱秘交互，該交互過(guò)程無(wú)聲響和無(wú)肢體動(dòng)作。

腦機(jī)打字從技術(shù)應(yīng)用角度可分為植入式腦機(jī)接口打字系統(tǒng)與非植入式腦機(jī)接口打字系統(tǒng)。上述兩種系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵特征的需求存在差異。

植入式腦機(jī)接口打字系統(tǒng)對(duì)使用者會(huì)造成一定的腦部創(chuàng)傷，但由于采集的信號(hào)質(zhì)量更高，因此具有更強(qiáng)的系統(tǒng)性能。因此植入式腦機(jī)打字系統(tǒng)在快速響應(yīng)、高準(zhǔn)確率、長(zhǎng)期穩(wěn)定方面需求強(qiáng)烈。同時(shí)受限于植入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，存在穩(wěn)定交互、快速應(yīng)用、輕便易用 方面的需求，使用者只需要在固定、安全、噪聲穩(wěn)定的環(huán)境長(zhǎng)期使用即可。

非植入式腦機(jī)接口打字系統(tǒng)相比植入式腦機(jī)打字系統(tǒng)采集的信號(hào)質(zhì)量較低， 但具有快速應(yīng)用、安全無(wú)創(chuàng)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)在快速響應(yīng)交互、識(shí)別正確率方面的要求較高，但系統(tǒng)性能低于植入式系統(tǒng)。非植入式腦機(jī)打字系統(tǒng)在快速應(yīng)用體驗(yàn)、輕便性、抗干擾實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定交互方面也有很高的需求。但在長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定交互方面要求較植入式系統(tǒng)相對(duì)較低。

最近，也有通過(guò)介入式植入電極的腦機(jī)接口打字系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)顱內(nèi)血管的支架式電極采集信號(hào)，避免了對(duì)腦組織的創(chuàng)傷。此種植 入方式的腦機(jī)接口系統(tǒng)除了在快速響應(yīng)、高準(zhǔn)確率及輕便易用方面有很高的要求，而且對(duì)長(zhǎng)效性的要求也非常高。

2）關(guān)鍵需求

在準(zhǔn)確方面，識(shí)別正確率指標(biāo)是腦機(jī)打字系統(tǒng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，通常腦機(jī)打字系統(tǒng)的正確率應(yīng)高于 95%才具有較好的實(shí)用效果。

在高效方面，腦機(jī)打字系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一就是響應(yīng)時(shí)間。腦機(jī)打字系統(tǒng)的單次響應(yīng)時(shí)間理想值在 0.5 秒~1.5 秒之間， 響應(yīng)時(shí)間低于 0.5 秒時(shí)較難保持識(shí)別正確率，單次響應(yīng)時(shí)間超過(guò) 1.5 秒也將導(dǎo)致用戶體驗(yàn)較差。

在穩(wěn)定方面，目前的腦機(jī)打字系統(tǒng)大多應(yīng)用于固定環(huán)境，因此對(duì)抗干擾性能的要求并不迫切。但從需求出發(fā)， 在未來(lái)腦機(jī)打字系統(tǒng)用于人與人之間隱秘交互方面則需具備較強(qiáng)的抗干擾穩(wěn)定交互能力。植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)都需要保證至少 1 年的穩(wěn)定使用時(shí)長(zhǎng)，1 年是長(zhǎng)期 隨訪期的最低要求，也是可以開(kāi)展臨床試驗(yàn)的最低要求。作為醫(yī)療器械，穩(wěn)定使用時(shí)長(zhǎng)最好在十年以上。

在易用方面，植入式腦機(jī)打字系統(tǒng)的輕便性要求相對(duì)較低，在脖子以上的非植入式系統(tǒng)配重不應(yīng)大于 500g，最好小于 200g，同時(shí)最好能減少導(dǎo)電膏的使用。在準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)方面植入式需要手術(shù)花費(fèi)一定時(shí)間。非植入式腦機(jī)打字系統(tǒng)目前需要在 10 分鐘內(nèi)完成裝配準(zhǔn)備調(diào)試， 該時(shí)間越短越好。在人機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)方面， 植入式與非植入式系統(tǒng)均希望采用“冷啟動(dòng)”的方式，即使用者可直接開(kāi)展系統(tǒng)應(yīng)用，機(jī)器在使用過(guò)程中快速迭代解碼算法，在 10 分鐘甚至更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到針對(duì)個(gè)體優(yōu)化的腦信息解碼精準(zhǔn)度。

2、面向醫(yī)療康復(fù)的外設(shè)控制

1）場(chǎng)景描述

據(jù)估計(jì)，世界上近 1%的人口患有腦血管疾病后遺癥。這些后遺癥包括運(yùn)動(dòng)功能受損、一般認(rèn)知缺陷、生成或處理語(yǔ)言困難以及情緒狀態(tài)的改變， 這些現(xiàn)象是中風(fēng)后常見(jiàn)現(xiàn)象。這些患者中近 30%患有慢性運(yùn)動(dòng)障礙，其中偏癱是中風(fēng)后最常見(jiàn)的致殘病癥。因此，卒中后康復(fù)的主要目標(biāo)是恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，更有效的康復(fù)干預(yù)措施需求迫切。迄今為止，運(yùn)動(dòng)康復(fù)是腦機(jī)接口在中風(fēng)領(lǐng)域研究最多的應(yīng)用。

用于神經(jīng)康復(fù)的腦機(jī)接口系統(tǒng)僅需通過(guò)記錄和解碼患者進(jìn)行特定心理任務(wù)產(chǎn)生的局部腦信號(hào)，就可以向外部康復(fù)設(shè)備傳輸指令。其主要目標(biāo)是促進(jìn)相關(guān)大腦區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)，并促進(jìn)神經(jīng)重塑。采集的腦信號(hào)通常通過(guò)以下方式由外部設(shè)備反饋給患者：一是向患者提供關(guān)于想象的視覺(jué)運(yùn)動(dòng)任務(wù)反饋，例如在虛擬環(huán)境中加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)想象訓(xùn)練；二是通過(guò)康復(fù)機(jī)器人等外部器械帶動(dòng)患者的運(yùn)動(dòng)損傷部位運(yùn)動(dòng)，完成 “閉環(huán)”的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)回路。

2）關(guān)鍵需求

在準(zhǔn)確方面，面向醫(yī)療康復(fù)的腦機(jī)接口系統(tǒng)解碼準(zhǔn)確率是患者完成有效康復(fù)的基本保證，系統(tǒng)的解碼精度高不僅能夠準(zhǔn)確的完成康復(fù)流程，促進(jìn)神經(jīng)元的康復(fù)能力提升，并且更高的準(zhǔn)確性會(huì)提高患者的信心和動(dòng)力水平，更好地提升治療效果。此外，更高的準(zhǔn)確度也可能使患者更具有參與度，而準(zhǔn)確性較低的腦機(jī)接口康復(fù)系統(tǒng)因無(wú)效反饋頻出，可能導(dǎo)致患者產(chǎn)生挫敗感，因此對(duì)康復(fù)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此應(yīng)盡量控制運(yùn)動(dòng)意圖解碼正確率不低于 85%。

在高效方面，快速解碼也是康復(fù)系統(tǒng)中不可缺少部分，外部設(shè)備的運(yùn)作是根據(jù)患者的大腦活動(dòng)進(jìn)行改變的，康復(fù)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的根據(jù)患者腦活動(dòng)做出相應(yīng)動(dòng)作，從而有利于增強(qiáng)患者的代入感。因此，從受試者開(kāi)始進(jìn)行腦活動(dòng)到外部設(shè)備做出動(dòng)作響應(yīng)需盡量保持在 3s 以內(nèi)，以提升患者的使用感及康復(fù)系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

在穩(wěn)定方面，康復(fù)類(lèi)腦機(jī)系統(tǒng)需要具備一定的抗干擾能力及長(zhǎng)期使用穩(wěn)定特性。一方面，康復(fù)類(lèi)腦機(jī)接口系統(tǒng)的目標(biāo)不僅限于在醫(yī)院中的輔助康復(fù)訓(xùn)練，還希望在未來(lái)能擴(kuò)展至患者家中或戶外活動(dòng)場(chǎng)景，這就需要系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗環(huán)境噪聲能力。此外，康復(fù)類(lèi)腦機(jī)接口系統(tǒng)也需要長(zhǎng)期穩(wěn)定，尤其是在醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)景中，如不能在較長(zhǎng)的時(shí)間保持性能穩(wěn)定，則會(huì)造成臨床醫(yī)生與患者的使用困擾。

在易用方面，康復(fù)范式的設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一， 對(duì)于不同的運(yùn)動(dòng)損傷患者需要制定不同的康復(fù)范式，例如下肢運(yùn)動(dòng)損傷與手部運(yùn)動(dòng)損傷的患者需要分別制定下肢以及上肢的康復(fù)范式，并且和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合設(shè)計(jì)更具有沉浸感的康復(fù)范式能夠讓患者有代入感，增強(qiáng)受損神經(jīng)元的參與程度。因此，需要對(duì)患者進(jìn)行全面的臨床和神經(jīng)生理學(xué)評(píng)估， 以全面分析和制定個(gè)性化的康復(fù)計(jì)劃。此外，有必要探索在沒(méi)有感覺(jué)反饋的情況下是否可以實(shí)現(xiàn)與臨床類(lèi)似的康復(fù)效果。如果僅使用視覺(jué)或虛擬現(xiàn)實(shí)反饋即可獲得同等康復(fù)效果，則可以帶來(lái)更便攜、 更簡(jiǎn)單且價(jià)格合理的家用康復(fù)系統(tǒng)。

展望與建議

一、未來(lái)展望

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的科學(xué)探索與技術(shù)論證，腦機(jī)接口已從科幻成為科學(xué)，并處于從科學(xué)研究到產(chǎn)業(yè)落地的關(guān)鍵時(shí)期。就腦機(jī)接口目前的發(fā)展情況， 在今后一段時(shí)間， 腦機(jī)接口的基礎(chǔ)學(xué)科研究和應(yīng)用落地都將得到長(zhǎng)足發(fā)展，從而有望促進(jìn)腦機(jī)接口市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。

1、技術(shù)展望

在基礎(chǔ)學(xué)科研究方面，一方面，腦機(jī)接口技術(shù)自身受外界成熟條件影響得以長(zhǎng)足發(fā)展，由于神經(jīng)科學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的不斷成熟完善，腦機(jī)接口技術(shù)在采集、刺激、編碼和解碼等方面取得進(jìn)一步突破，腦機(jī)接口產(chǎn)品的“準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定、易用、安全”能力有效提升；另一方面，腦機(jī)接口技術(shù)將加速神經(jīng)技術(shù)與類(lèi)腦計(jì)算技術(shù)的融合，助力腦科學(xué)研究更好的認(rèn)清大腦工作機(jī)理， 實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)大腦、解碼大腦和調(diào)控大腦的目的。當(dāng)前腦科學(xué)研究在大腦學(xué)習(xí)、情感記憶等機(jī)理研究方面達(dá)到突破閾值，未來(lái)可能在高級(jí)智能方向形成大力突破，進(jìn)而對(duì)當(dāng)前以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的人工智能技術(shù)造成顛覆性影響，引發(fā)以人工智能為代表的計(jì)算技術(shù)革新。

2、應(yīng)用展望

在應(yīng)用方面，腦機(jī)接口的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用實(shí)踐將具有顯著的社會(huì)效益。體現(xiàn)在：一是促進(jìn)人民健康生活水平質(zhì)量提升，特別是對(duì)神經(jīng)疾病群體(漸凍癥、癲癇、帕金森等) 生活質(zhì)量改善起到顯著推動(dòng)作用，推動(dòng)醫(yī)療、康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化；二是推動(dòng)前沿科技創(chuàng)新，人才短缺、老齡化嚴(yán)重威脅、抗災(zāi)救援等問(wèn)題一直困擾人類(lèi)生活， 人類(lèi)能力的增強(qiáng)對(duì)于彌合差距和滿足行業(yè)需求至關(guān)重要，腦機(jī)接口技術(shù)將推動(dòng)人體增強(qiáng)和替代技術(shù)發(fā)展，對(duì)人類(lèi)生活和社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生顛覆性影響。三是助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展，腦科學(xué)與多領(lǐng)域融合將呈現(xiàn)應(yīng)用行業(yè)廣、輻射范 圍大的特點(diǎn)。

3、市場(chǎng)展望

盡管當(dāng)前腦機(jī)接口核心軟硬件產(chǎn)品全球市場(chǎng)估算在十多億美元，神經(jīng)調(diào)控軟硬件產(chǎn)品全球市場(chǎng)規(guī)模約百億美元，但如滿足報(bào)告所提出的愿景， 則有助于推動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的數(shù)字療法走向應(yīng)用，屆時(shí)則撬動(dòng)達(dá)到數(shù)千乃至萬(wàn)億規(guī)模的睡眠調(diào)控、消費(fèi)娛樂(lè)、神經(jīng)疾病治療市場(chǎng)。根據(jù)中國(guó)殘聯(lián)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)肢體殘疾 2472 萬(wàn)人，視覺(jué)障礙群體將近 1800 萬(wàn)，有聽(tīng)力殘疾人數(shù)達(dá) 2780 萬(wàn)人。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)老年癡呆患病率有 6%，抑郁癥和焦慮癥的患病率接近 7%，其它神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者過(guò)千萬(wàn)，并隨著老齡化程度提高而快速增長(zhǎng)。因此預(yù)測(cè)神經(jīng)重塑、神經(jīng)替代、神經(jīng)調(diào)控腦機(jī)接口技術(shù)將擁有數(shù)十萬(wàn)億規(guī)模的市場(chǎng)空間。

二、發(fā)展建議

腦機(jī)接口應(yīng)用落地離不開(kāi)關(guān)鍵技術(shù)的突破，工程技術(shù)的革新，科 研工具平臺(tái)的支撐，標(biāo)準(zhǔn)體系的推動(dòng)、測(cè)試驗(yàn)證體系的完善， 科技倫理的共識(shí)。因此，腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中對(duì)“多學(xué)科協(xié)作、多行業(yè)協(xié)同”的訴求非常強(qiáng)烈。有必要面向腦機(jī)接口領(lǐng)域形成 “產(chǎn)學(xué)研用醫(yī) 政”協(xié)同創(chuàng)新體系，因此建議：

一是以科研資源共享機(jī)制推動(dòng)學(xué)術(shù)協(xié)同。腦機(jī)接口的技術(shù)發(fā)展離不開(kāi)數(shù)據(jù)、儀器、人才等科研資源。構(gòu)建面向腦機(jī)接口領(lǐng)域科研資源共享機(jī)制，搭建科研資源共享平臺(tái)，有效地支撐知識(shí)創(chuàng)造和科學(xué)研究，促進(jìn)科研團(tuán)隊(duì)協(xié)作，促進(jìn)交叉學(xué)科間合作，為高水平科學(xué)研究和高層次人才培養(yǎng)提供有力保障。

二是以聯(lián)盟合作方式推動(dòng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同。成立腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，從科學(xué)研究、產(chǎn)品研發(fā)、測(cè)試應(yīng)用、臨床實(shí)踐、標(biāo)準(zhǔn)制定與政策配套等方面凝聚產(chǎn)業(yè)力量，搭建行業(yè)內(nèi)溝通交流合作的良好平臺(tái)，組織國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家形成合力，互通有無(wú)。推動(dòng)協(xié)同創(chuàng)新，使政府、企業(yè)和科研高校之間形成密切溝通合作模式， 促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化，引領(lǐng)應(yīng)用場(chǎng)景探索開(kāi)拓等。協(xié)調(diào)組織核心技術(shù)攻關(guān)研究和基礎(chǔ)關(guān)鍵研發(fā)要素設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)軟硬件等共性產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)，推動(dòng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。

三是以標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試研究推動(dòng)應(yīng)用落地。落實(shí)《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》中“推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化與科技創(chuàng)新互動(dòng)發(fā)展”的工作思路。在“腦智芯連，思行無(wú)礙”行業(yè)發(fā)展總體愿景目標(biāo)下，針對(duì)腦機(jī)接口系統(tǒng)關(guān)鍵需求和性能指標(biāo)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)研究和測(cè)評(píng)驗(yàn)證等工作，從而促進(jìn)采集、編碼、解碼等核心技術(shù)的演進(jìn)，以定量化的標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系對(duì)腦機(jī)接口產(chǎn)品進(jìn)行效能評(píng)估，推動(dòng)腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)化工作的高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)應(yīng)用早落地，造福人民生命健康。

四是以科技倫理保障應(yīng)用安全。一方面開(kāi)展多方對(duì)話與合作，梳理原則清單，共同制定具有可操作性的倫理準(zhǔn)則和行業(yè)公約，另一方面，面向腦機(jī)接口領(lǐng)域，在技術(shù)、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)方面加強(qiáng)科技倫理制度化建設(shè)，建立健全科技倫理審查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度。

藍(lán)海大腦認(rèn)為，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的科學(xué)探索與技術(shù)論證，腦機(jī)接口已從科幻成為科學(xué)，并處于從科學(xué)研究到產(chǎn)業(yè)落地的關(guān)鍵時(shí)期。就目前的發(fā)展情況，在今后一段時(shí)間，腦機(jī)接口的基礎(chǔ)學(xué)科研究和應(yīng)用落地都將得到長(zhǎng)足發(fā)展，從而有望促進(jìn)腦機(jī)接口市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。