深度學(xué)習(xí)下的腦機(jī)接口BCI究竟有多遠(yuǎn)？

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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，隨之而來的腦機(jī)接口技術(shù)同時得到快速發(fā)展。

腦科學(xué)是人類社會面臨的基礎(chǔ)科學(xué)問題之一，腦機(jī)接口是人類進(jìn)一步探索自然和人類有效探索手段之一。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、國家重大需求和人民生命健康的科技創(chuàng)新主戰(zhàn)場上發(fā)揮重要作用。

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

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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、行動和記憶的來源。大腦的復(fù)雜性賦予人類智慧，同時也讓每個人都獨(dú)一無二。近年來，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，是指對顱骨深處組織進(jìn)行信號采集和記錄。常用的技術(shù)包括皮層腦電圖(ECoG)、單個神經(jīng)元的動作電位( Spike)和局部場電位(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。植入式腦機(jī)接口記錄的信號時空分辨率高，信息量大，可以實(shí)時、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市場收益的是神經(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)把感覺信息直接寫入腦，或是將腦意圖信息腦內(nèi)讀出，解碼后實(shí)現(xiàn)對外交互， 完成意愿動作。

神經(jīng)替代腦機(jī)接口技術(shù)在國內(nèi)外已進(jìn)入臨床科研階段，主要針對感覺或運(yùn)動神經(jīng)損傷(如癱瘓、失語、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)時分析精神狀態(tài)，精準(zhǔn)刺激調(diào)控大腦中神經(jīng)活動的異常狀態(tài)。對于記憶力減退、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、智能生活、制造業(yè)等諸多方面逐漸為人類帶來益處。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)行多場景應(yīng)用探索如運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練；利用用戶腦波創(chuàng)作音樂和控制電器；利用用戶情感識別數(shù)據(jù)個性化推薦用戶潛在喜歡的產(chǎn)品；識別和感知用戶情緒，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、國家重大需求和人民生命健康的科技創(chuàng)新主戰(zhàn)場上發(fā)揮重要作用。

因此提出“腦智芯連，思行無礙”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。為促進(jìn)“腦智芯連，思行無礙”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，快速地反饋響應(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)在四個容易量化的指標(biāo)上：響應(yīng)時間、識別準(zhǔn)確率、輸出指令數(shù)和菲茨吞吐量?？捎眯灾笜?biāo)主要體現(xiàn)在易用性、長效性、魯棒性、安全性和互操作性五個指標(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)需求的各個方面。經(jīng)過分析和產(chǎn)業(yè)研究，報告還給出了促進(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及其同事用錐形營養(yǎng)性(neurotrophic-cone)電極植入術(shù)在猴上建造了第一個皮層內(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)元放電信息來重建視覺圖像。他們記錄了177個神經(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)域的電極來提取神經(jīng)信號、驅(qū)動腦機(jī)接口的代表。他認(rèn)為，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠降低單個電極或少量電極采集到的神經(jīng)信號的不穩(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)動神經(jīng)元的信號來控制機(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)了一個能夠在夜猴操縱一個游戲桿來獲取食物時重現(xiàn)其手臂運(yùn)動的腦機(jī)接口。這個腦機(jī)接口可以實(shí)時工作。它也可以通過因特網(wǎng)遠(yuǎn)程操控機(jī)械手臂。不過由于猴子本身不接受來自機(jī)械手臂的感覺反饋，這類腦機(jī)接口是開環(huán)的。Nicolelis小組后來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)來解碼神經(jīng)元信號的實(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)接在某一時刻使用的神經(jīng)元數(shù)為15-30，比Nicolelis的50-200個顯著要少。Donoghue小組的主要工作是實(shí)現(xiàn)恒河猴對計(jì)算機(jī)屏幕上的光標(biāo)的運(yùn)動控制來追蹤視覺目標(biāo)。其中猴子不需要運(yùn)動肢體。Schwartz小組的主要工作是虛擬現(xiàn)實(shí)的三維空間中的視覺目標(biāo)追蹤，以及腦機(jī)接口對機(jī)械臂的控制。這個小組宣稱，他們的猴子可以通過腦機(jī)接口控制的機(jī)械臂來喂自己吃西葫蘆。Anderson的小組正在研究從后頂葉的神經(jīng)元提取前運(yùn)動信號的腦機(jī)接口。此類信號包括實(shí)驗(yàn)動物在期待獎勵時所產(chǎn)生信號。

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

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

2008年，匹茲堡大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家宣稱利用腦機(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)的幫助下開出一球。

2016年，Nathan Copeland用意念控制機(jī)械手臂和美國總統(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，通過一次長達(dá) 10 小時的手術(shù)，將六個微電極陣列（MEA）植入大腦兩側(cè)。隨后，研究者一直試圖通過不斷的改善和訓(xùn)練，讓他獲得同時控制兩個假肢的能力。

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，找來“三只小豬”向全世界展示了可實(shí)際運(yùn)作的腦機(jī)接口芯片和自動植入手術(shù)設(shè)備。

2022年3月，中國神經(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，我國自主研發(fā)的國內(nèi)首款介入式腦機(jī)接口完成動物試驗(yàn)。

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

各國腦科學(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來看，在腦科學(xué)研究領(lǐng)域，美國獨(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、中國等新興力量已嶄露頭角。

一、美國

2014年，美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)啟動了 “通過推動創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)開 展大腦研究(BRAIN)計(jì)劃”，開啟了 “BRAIN 1.0時代"。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《美國腦科學(xué)計(jì)劃2.0》報告提 交給美國國立衛(wèi)生院咨詢委員會。這標(biāo)志著美國正式進(jìn)入“BRAIN 2.0時代"。

二、歐盟

2013年，歐盟啟動了為期10年的人腦計(jì)劃(Human Brain Project, HBP), 旨在通過計(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，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)變成一個擁有6大信息及技術(shù)平臺、12 個子項(xiàng)目的國際組織。這6大信息及技術(shù)平臺包括：神經(jīng)信息平臺，用于登記、搜索、分析神經(jīng)科學(xué)數(shù)據(jù)；大腦模擬平臺，用于重建并模擬大腦；高性能計(jì)算平臺，用計(jì)算和儲存設(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，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，借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，模仿大腦微回路并應(yīng)用類似于大腦學(xué)習(xí)方式的原則；神經(jīng)機(jī)器 人平臺，通過將大腦模型與仿真機(jī)器人體和周圍環(huán)境連接起來，并對其進(jìn)行測試。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)會聯(lián)盟（FENS）的神經(jīng)科學(xué)大會（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）,旨在通過研究靈長類動物（穢猴）建立腦發(fā)育及疾病發(fā)生的動物模型。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，日本正式啟動人腦計(jì)劃（Brain/MINDS Beyond），研究對象從穢 猴大腦拓展到人類大腦，主攻以下5個方向：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，開發(fā)基于人工智能的腦科學(xué)技術(shù)，比較研究人類和靈長類動物的神經(jīng)環(huán)路，劃分腦結(jié)構(gòu)功能區(qū)域并開展同源性研究。

2019年，日本通過對2973個個體進(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，并且與正常個體差別顯著。這為疾病分類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

2016年，旨在探索大腦秘密、攻克大腦疾病、開展類腦研究的中國腦計(jì)劃 正式啟動。該計(jì)劃以闡釋人類認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)（認(rèn)識腦）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”，主要解決大腦三個層面的認(rèn) 知問題：一是大腦對外界環(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；二是對人類及靈長類動物自我意識的認(rèn)知，即通過動物模型研究人類及靈長 類動物的自我意識、同情心及意識的形成；三是對語言的認(rèn)知，探究語法及廣泛的句式結(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)用場景下，共性需求是系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地做出識別準(zhǔn)確率高的判斷，即系統(tǒng)虛警概率低，識別準(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)用場景下出現(xiàn)秒級延遲會給用戶體驗(yàn)帶來比較負(fù)面的影響。這就需要系統(tǒng)快速解碼識別大腦的意圖并給出反饋，而反應(yīng)時間是衡量快速反應(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)用過程中，還要兼顧“快”、“準(zhǔn)”、“穩(wěn)”三個方面的協(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)的長效性和魯棒性。長效性是指系統(tǒng)需要保持長期性能穩(wěn)定。系統(tǒng)能在較長時間內(nèi)各項(xiàng)能指標(biāo)不出現(xiàn)較大波動。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)用場景中，由于電極易于失效，系統(tǒng)更側(cè)重長效性指標(biāo)；而在非植入式場景，于信號易受干擾，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)一方面可能會造成用戶觸摸時的身體壓迫和不適，不利于長期使用。另一方面也不利于開展，難以采集大范圍的腦信號，從而難以實(shí)現(xiàn)更大范圍的場景應(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)場景下，需要盡可能縮短設(shè)備部署時間和人機(jī)適應(yīng)時間，實(shí)現(xiàn)快速交互。這就需要盡量減少和壓縮模型的訓(xùn)練時間和調(diào)試時間，提高用戶對產(chǎn)品的接受度。另一方面普及了無線信號傳輸，擺脫了有線束縛，使用起來更加方便。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)用場合，以避免損傷生物組織。對于非植入式腦機(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)時間、識別準(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)備時長、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)常被用作評價系統(tǒng)性能的指標(biāo)。ITR的大小與系統(tǒng)的響應(yīng)時間、識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)時間、識別準(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)時間、識別準(zhǔn)確率、輸出指令數(shù)和菲茨吞吐量四個方面對BCI系統(tǒng)的性能同樣起著至關(guān)重要的作用。

1）響應(yīng)時間

響應(yīng)時間指腦機(jī)接口系統(tǒng)響應(yīng)用戶單次腦意圖所需的時間，包括單次響應(yīng)所需的信號采集時間、腦信息解碼時間(也稱計(jì)算時間)和系統(tǒng)通信時間三部分。其中，所需信號采集時間是指腦機(jī)接口系統(tǒng)采集生理信號進(jìn)行解碼所需的時間。腦信息解碼時長是指系統(tǒng)對采集到的信號進(jìn)行解碼以理解用戶意圖所需的時間。系統(tǒng)通信時長是系統(tǒng)中模塊之間數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r間延遲。響應(yīng)時間能有效反映腦機(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)用場景下，系統(tǒng)的響應(yīng)時間差異很大。

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

2）識別準(zhǔn)確率

識別準(zhǔn)確率是指腦機(jī)接口系統(tǒng)為識別人腦意圖進(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)器人等特定場景下，識別準(zhǔn)確率往往用任務(wù)成功率來表示。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。理想的識別準(zhǔn)確率在腦狀態(tài)檢測的情況下不應(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%。對腦機(jī)接口離線數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)參時，往往因?yàn)闃颖玖枯^小而容易造成模型的過擬合。

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，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、情感識別、腦機(jī)打字等場景中。可輸出指令數(shù)量對評價系統(tǒng)的性能有很高的參考價值。從理想值來看，建議睡眠檢測場景不少于5種睡眠，情緒識別場景不少于4種情緒，腦機(jī)打字場景不少于40種輸出字符。在機(jī)器人、機(jī)械臂、無人機(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)活動轉(zhuǎn)化為外設(shè)在實(shí)際場景中完成復(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)與移動到目標(biāo)位置所需時間的比值，其中難度系數(shù)是交互移動距離與目標(biāo)大小比值的對數(shù)。菲茨吞吐量來源于菲茨定律(Fitts Law)，是一種人體運(yùn)動預(yù)測模型，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)移動為例，虛擬鼠標(biāo)從初始物體A移動到目標(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)所需的時間不同。菲茨吞吐量是一個綜合考慮移動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)之外的另一個系統(tǒng)評價維度。系統(tǒng)可用性的度量指標(biāo)包括：易用性、長效性、魯棒性、安全性和互操作性。

1）易用性

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

準(zhǔn)備時長指人員使用腦機(jī)接口系統(tǒng)前所需的準(zhǔn)備時長和人機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時長的總和。準(zhǔn)備時間包括調(diào)試準(zhǔn)備時間、阻抗調(diào)整時間等。人機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時長與系統(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)，這也會導(dǎo)致人機(jī)合作的訓(xùn)練時間較長，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)備時間建議不超過3分鐘。植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)需要復(fù)雜的植入過程，因此需要很長的準(zhǔn)備時間。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)是指對用戶來說符合人體工學(xué)，不會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500克，不超過200克將是更理想的目標(biāo)。便攜是指易用和攜帶，信號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的自然行為。因此，用戶對消費(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)、滿意度等來衡量，尤其是對于腦機(jī)接口的消費(fèi)級產(chǎn)品的落地。

2）長效性

長效性是指系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)使用的時間，是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要考慮因素。在非植入場景中，長效性體現(xiàn)在系統(tǒng)續(xù)航時間長。比如在娛樂游戲時，系統(tǒng)的性能不會因?yàn)橛脩舫龊沟雀蓴_而下降。在植入場景下，長效性是系統(tǒng)不會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)航時間需要能夠保證持續(xù)8小時以上的腦電信號傳輸和分析。因此建議在理想的非植入場景下，單次穩(wěn)定可用時間應(yīng)不低于3小時。在植入場景下，一些國家規(guī)定穩(wěn)定可用時間不得少于一年。一般情況下，醫(yī)療器械的理想植入時間在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，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)時間、識別準(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。

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)被篡改做出錯誤指令。同時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)險可控、生命權(quán)得到尊重、人類福祉得到增進(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，開發(fā)相關(guān)接口和可互操作的系統(tǒng)平臺。互用性能力指數(shù)可以通過系統(tǒng)符合互用性標(biāo)準(zhǔn)的程度來衡量。

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)升級中被寄予厚望。腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)落地有賴于關(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題。對此，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)用場景按照信息流動可以分為三類：腦狀態(tài)檢測、神經(jīng)調(diào)控、外交互。從信息流的角度來看，腦狀態(tài)檢測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，對外交互是指信息的雙向流動。

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。植入式微電極通過把以離子為載體的神經(jīng)電信號轉(zhuǎn)換成以電子為載體的電流或電壓信號，從而獲得大腦神經(jīng)電活動的信息。植入大腦的微電極可以準(zhǔn)確記錄電極附近單個神經(jīng)元的動作電位，具有較高的空間和時間分辨率，從而實(shí)時監(jiān)測大腦活動。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于長期穩(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，會對生物體的正常活動造成繼發(fā)性腦損傷，因此不適合長期慢性實(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)，提高信號質(zhì)量，對實(shí)現(xiàn)腦活動長期穩(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)元動態(tài)，需要神經(jīng)微電極同時記錄盡可能多的單個神經(jīng)元的電活動?，F(xiàn)有植入微電極的通量遠(yuǎn)小于大腦神經(jīng)元的數(shù)量，因此開發(fā)新型高通量微電極，實(shí)現(xiàn)高時空分辨率的腦電信號批量采集，對于神經(jīng)環(huán)路活動跟蹤、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信息，還可以調(diào)節(jié)生物體的生命活動，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，無需手術(shù)植入。因此也被稱為無創(chuàng)電極，其安全性和無創(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)用等場景。

傳統(tǒng)的濕電極盡管信號質(zhì)量好， 但其專業(yè)的操作需求，耗時長，用后清洗等固有缺點(diǎn)無法規(guī)避。因此無膏的干電極技術(shù)逐漸發(fā)展起來以適應(yīng)新的應(yīng)用場景和需求。基于金屬材料或?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，也通過材料改進(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)鍵問題。傳統(tǒng)的濕電極雖然信號質(zhì)量好，但其固有的操作要求專業(yè)、耗時長、使用后需清洗等缺點(diǎn)無法避免。因此，無漿料干法電極技術(shù)逐漸發(fā)展起來，以滿足新的應(yīng)用場景和要求?；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)烈依賴于壓力，因此舒適度和信號質(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、硬件和范式的研究內(nèi)容逐漸豐富。植入式和非植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)通過電極和采集硬件對腦信號進(jìn)行采集、處理和解碼，從而實(shí)現(xiàn)對腦科學(xué)基礎(chǔ)理論、腦疾病和腦控制外設(shè)的探索和研究。腦信號采集芯片是將腦信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的核心硬件，也是讀取和解碼腦信號、診斷和調(diào)節(jié)腦疾病的工具。

根據(jù)腦信號的生理特點(diǎn)和應(yīng)用場景，定制化腦信號采集芯片的設(shè)計(jì)存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。精密放大器是腦信號采集芯片的核心模塊，需要滿足腦機(jī)接口應(yīng)用場景中多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的要求。對于腦信號來說，其幅度較弱(幾十μV到幾個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)致信號質(zhì)量較差。為了保持最佳的信號質(zhì)量，需要對腦信號采集模塊的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如信號噪聲、共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)、增益匹配、運(yùn)動偽影等。腦信號采集的諸多參數(shù)相互制約，多個參數(shù)的整體優(yōu)化是腦信號采集芯片設(shè)計(jì)的核心問題之一。

信號噪聲是腦信號采集過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在頻譜上有部分重疊，所以簡單的濾波很難提取純凈腦信號。因此，采用斬波放大技術(shù)將采集的信號調(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)制過程中，放大器的輸入阻抗會降低到兆歐范圍以下，導(dǎo)致信號在進(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)對環(huán)境干擾響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。對于微弱的腦信號，高共模抑制比可以保證信號不被共模干擾掩蓋，從而提高信號質(zhì)量。此外，在多通道神經(jīng)信號采集過程中，由于電極植入腦內(nèi)后的一系列生物相容性問題，電極的阻抗可能會隨著植入時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/無源器件的小型化是相關(guān)研究中的一個技術(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源器件的面積。同時，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)微型化的腦信號采集芯片。采用時分復(fù)用/正交頻分復(fù)用等技術(shù)，通過一個固定的采集單元同步采集多個通道的腦信號，也可以顯著減小片上面積。

針對不同的腦機(jī)接口應(yīng)用和采集芯片面臨的一些技術(shù)問題，國內(nèi)外很多團(tuán)隊(duì)都提出了解決方案。例如，為了解決采集過程中電極間直流偏置引起斬波放大器輸出飽和的問題，一種直流伺服反饋環(huán)技術(shù)通過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，非常適合植入場景。針對芯片微型化的問題，放大器和DAC相結(jié)合的數(shù)?；旌戏答伡夹g(shù)可以大大減小采集芯片的片上面積。

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

體表網(wǎng)絡(luò)無線傳輸技術(shù)解決了無線供電時線圈難以對準(zhǔn)的問題。采集的信號和能量利用受試者的體表進(jìn)行無線傳輸，適用于可穿戴式腦機(jī)接口場景。在提高系統(tǒng)集成度方面，目前已有基于AI的集信號采集、存儲、信號分類識別于一體的腦機(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)了具有動作電位識別的高集成度采集芯片，與數(shù)千個柔性電極結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高通量腦信號的采集。

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)自如活動和自理能力。傳統(tǒng)的 DBS 調(diào)參需要基于微電極信號分析、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)行周圍神經(jīng)元信號采集，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：

通過優(yōu)化的信號處理方法實(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)上對患者腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分類，為醫(yī)生提供分類結(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)姿勢發(fā)生變化導(dǎo)致電極與靶組織之間距離改變時，例如咳嗽、打噴嚏、深呼吸時，可根據(jù)誘發(fā)復(fù)合動作電位調(diào)控刺激以避免發(fā)生瞬時過度刺激。

通過刺激參數(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，例如檢測神經(jīng)遞質(zhì)濃度，通過血清素、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別治療效果并作為依據(jù)來動態(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?，F(xiàn)有磁共振兼容 DBS 技術(shù)解決了在強(qiáng)磁場下電極發(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)行長時間的同步刺激及掃描。在解決臨床需求的同時，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、視覺調(diào)控技術(shù)

植入式視覺調(diào)控技術(shù)對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)開展。全球絕大多數(shù)研究團(tuán)隊(duì)在開環(huán)視覺重建的研究中，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視覺皮層( V1 )以獲得人工視覺感知。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 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信號處理獲得簡單的二維灰度圖像(目前還沒有具有色彩的植入式人工視知覺輸入)，并據(jù)此刺激初級視覺皮層神經(jīng)元。受試者通過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視覺皮層神經(jīng)元( V1 neurons)會 激活直徑數(shù)百微米的皮層區(qū)域，從而獲得簡單的視覺知覺，稱為光幻視(phosphenes)。電刺激可以改變大腦皮層的信息流， 影響到正常視覺觀測內(nèi)容。由于電刺激是相對粗糙的刺激方式， 因此獲得的視覺感知也相對粗糙。目前研究致力于通過多個電極同時刺激，讓受試者感知到具體圖像或連貫動作。2020 年發(fā)表在 Science 上的研究結(jié)果表明， 通過植入大規(guī)模 1024 通道電極并進(jìn)行訓(xùn)練，可以使非人靈長類正確識別字母，辨識運(yùn)動方向等。如何通過不同模式刺激增強(qiáng)受試者感知連貫形狀的能力，并最大限度向其傳遞視覺信息依然是未來研究重點(diǎn)。

目前的植入式視覺調(diào)控研究多為開環(huán)腦機(jī)接口系統(tǒng)，開環(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)的視覺刺激保持一致， 因此存在不可控風(fēng)險且難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)視覺輸入。因此閉環(huán)視覺調(diào)控是未來重要的技術(shù)探索方向。

三、范式編碼技術(shù)

大腦的各種思維與響應(yīng)活動千變?nèi)f化，且同時發(fā)生，因此很難直接從中準(zhǔn)確解碼特定類型的活動。在腦機(jī)接口系統(tǒng)中，用范式來表征對預(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， 對希望識別的大腦意圖用可檢測、可區(qū)分、可采集的腦信號予以對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對大腦意圖的可識別輸出。在過去的幾十年中，出現(xiàn)了許多腦機(jī)接口范式，常見典型的有運(yùn)動想象范式、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(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式和主動式范式。

1、被動式范式

視覺誘發(fā)電位刺激范式 P300 朝向界面布局優(yōu)化、人臉圖像拼寫和融合物理刺激方向發(fā)展。傳統(tǒng)的視覺 P300 電位刺激范式下，拼寫器允許受試者通過閃爍不同的行和列來選擇目標(biāo)，但沒有考慮兩個相鄰符號連續(xù)閃爍對結(jié)果的影響。近年有大量研究針對 P300 電位刺激范式的拼寫界面布局開展優(yōu)化工作，有效消除了相鄰符號閃爍帶來的影響。一些研究發(fā)現(xiàn)面部符號可以比傳統(tǒng) P300 字符拼寫范式誘導(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，使每個符號在以一定頻率閃爍時都會變成人臉圖像，而不是簡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 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)報警系統(tǒng)、自然場景的腦機(jī)目標(biāo)選擇系統(tǒng)等。為支撐上述三大應(yīng)用場景，SSVEP范式的主要發(fā)展趨勢包括：

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)用過程中僅與腦機(jī)打字場景最貼合， 即將字符繪于對應(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)用場景的應(yīng)用。也有適當(dāng)降低 SSVEP 閃爍塊面積并與生活場景結(jié)合的編碼思路，受限于刺激面積變小對響應(yīng)強(qiáng)度的影響，為保障系統(tǒng)的識別正確率與響應(yīng)速度，此類應(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，不利于生活自然場景使用。為解決該問題， 部分研究采用時頻混合或時空頻融合的編碼方式，嘗試提升無毛發(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)接口在生活場景落地，上述研究仍在持續(xù)推進(jìn)中。

2、主動式范式

運(yùn)動想象(Motor Imagery, MI)范式朝向更精細(xì)發(fā)展。運(yùn)動想象是一種非常重要的主動式腦機(jī)接口范式，用于識別大腦對四肢和舌頭的運(yùn)動意圖。其無需外界條件刺激和明顯的動作輸出就能誘發(fā)大腦感覺運(yùn)動皮層的特定響應(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、字符拼寫及臨床中風(fēng)康復(fù)治療等場景。

基于運(yùn)動想象范式的腦機(jī)接口已經(jīng)發(fā)展多年，經(jīng)過數(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， 而對更細(xì)微運(yùn)動做出想象并有效識別(例如不同手指的伸縮、握拳、不同手勢的運(yùn)動想象等)是運(yùn)動想象范式編碼的發(fā)展方向。

運(yùn)動相關(guān)皮層電位范式朝向多肢體運(yùn)動意圖解碼和連續(xù)運(yùn)動解碼發(fā)展。運(yùn)動相關(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)動規(guī)劃、執(zhí)行相關(guān)的神經(jīng)活動信號。MRCP 主要由三部分組成，即與運(yùn)動準(zhǔn)備相關(guān)的準(zhǔn)備電位(Readiness potential, RP)、與運(yùn)動發(fā)生、起始相關(guān)的運(yùn)動電位( Motor Potential, MP ) 以及與運(yùn)動執(zhí)行、運(yùn)動性能相關(guān)的運(yùn)動監(jiān)測電位(Movement-monitoring potential ，MMP)。相較于 SSVEP 和 P300 等被動式腦機(jī)接口范式， MRCP 和運(yùn)動想象是不依賴于外部刺激的、由人體真實(shí)運(yùn)動意圖誘發(fā)的主動式腦機(jī)接口范式。而相較于運(yùn)動想象，MRCP 不依賴于重復(fù)的運(yùn)動想象。因此， MRCP 具有自然、真實(shí)、可以反映人的實(shí)際運(yùn)動意圖等優(yōu)點(diǎn)。典型的 MRCP 范式包括點(diǎn)到點(diǎn)的上肢運(yùn)動(如 center-out)、連續(xù)運(yùn)動追蹤式的上肢運(yùn)動(如 PTT)、指定動作類型的上肢或下肢運(yùn)動(如手腕內(nèi)旋/外旋)等。由于 MRCP 具有可反映運(yùn)動意圖的特性， 其對發(fā)展與運(yùn)動康復(fù)、運(yùn)動功能診斷、日常生活輔助等相關(guān)的運(yùn)動腦機(jī)接口具有重要價值。目前，MRCP 主要發(fā)展趨勢包括從單肢體到多肢體的運(yùn)動意圖解碼、從離散分類問題到連續(xù)回歸問題的連續(xù)運(yùn)動參數(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)。此類解碼系統(tǒng)不包含運(yùn)動學(xué)過程模型，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)動速率作為輸出，通過最優(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，為滿足控制過程中的解碼連續(xù)性需求，需要有運(yùn)動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)時以及臨床試驗(yàn)中都得到了廣泛的應(yīng)用。卡爾曼濾波的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，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)之前都需較長的校準(zhǔn)時間，另外，卡爾曼濾波解碼的系統(tǒng)魯棒性相對較差。為解決這些問題，國際上提出了很多方法，其中最具前景的方法主要包括類腦解碼器設(shè)計(jì)和神經(jīng)學(xué)習(xí)。

類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)元的信息編碼相對于運(yùn)動是冗余的，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隱藏或潛在的低維狀態(tài)空間來描述在該控制條件下的有效神經(jīng)元群體反應(yīng)，并將這個狀態(tài)空間中的潛變量映射到相關(guān)行為或運(yùn)動控制變量用于運(yùn)動控制。將這些編碼特性應(yīng)用于解碼器設(shè)計(jì)，得到類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，此類穩(wěn)定子空間是存在的。此方法的優(yōu)勢是雖然記錄到的神經(jīng)元群體信號有高噪聲且會發(fā)生變化， 但其在子空間上的動力學(xué)過程一直穩(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訓(xùn)練大腦進(jìn)行學(xué)習(xí)來使用腦機(jī)接口，即神經(jīng)學(xué)習(xí)(也稱腦機(jī)學(xué)習(xí))。腦機(jī)接口系統(tǒng)中存在兩個學(xué)習(xí)系統(tǒng)，一個是解碼器的機(jī)器學(xué)習(xí)，另外一個就是具有強(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)動系統(tǒng)而發(fā)生變化。因此，閉環(huán)過程中的解碼器與開環(huán)時的解碼器可能完全不同，結(jié)果表明提供快速的反饋比過濾錯誤更為重要，因此誕生了改進(jìn)閉環(huán)性能的技術(shù)，一般被稱為閉環(huán)解碼器適應(yīng)(Closed-Loop Decoder Adaptation ，CLDA)。此類方法根據(jù)閉環(huán)腦機(jī)接口使用期間記錄的數(shù)據(jù)實(shí)時改進(jìn)解碼器，讓解碼器根據(jù)用戶當(dāng)前神經(jīng)信號的性質(zhì)來決定解碼器的結(jié)構(gòu)。此外，用戶的神經(jīng)系統(tǒng)也在實(shí)時學(xué)習(xí)如何應(yīng)用這個解碼器。兩者的相互結(jié)合以及相互促進(jìn)得到了一個“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)信號不穩(wěn)定時依然輸出穩(wěn)定的表現(xiàn)，且僅需少量校準(zhǔn)即可即插即用，同時魯棒性極高，在適應(yīng)新的應(yīng)用場景時有同時保留已學(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增加不同類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 一方面可對不同源信號進(jìn)行特征分析，另一方面還可用于去噪(例如去除眨眼成分、偽影信號等)。在解碼腦意圖時，不同腦機(jī)接口范式的分解算法存在差異。運(yùn)動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， 例如對左右手運(yùn)動想象進(jìn)行分類。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)、臨時約束的稀疏組空間模式(TSGSP) 等。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(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 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?？梢杂糜趯ΨQ正定(SPD) 矩陣的空間上應(yīng)用運(yùn)算， 進(jìn)而提供一個統(tǒng)一的框架來處理不同的腦機(jī)接口范式。例如基于最小均值距離(MDM)和帶有測地線濾波(FgMDM) 算法對 MI任務(wù)進(jìn)行分類。MDM 類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。基于 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)與測試數(shù)據(jù)來自相同的特征分布。此類算法在腦機(jī)接口應(yīng)用中，雖然面向單個被試在短時間內(nèi)可以取得良好性能，但在不同被試或相同被試不同時間的情況下性能則大幅下降。這些問題被稱為跨被試和跨時間的可變性問題。為了減輕這兩個問題的影響， 通常需要一個校準(zhǔn)階段來在每個會話開始時收集足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，但這會明顯增加系統(tǒng)使用的準(zhǔn)備時間。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)測函數(shù)的學(xué)習(xí)過程，解決跨主體的可性問題。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，深度學(xué)習(xí)算法也開始應(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 入知識轉(zhuǎn)移(MEKT)方法。

典型應(yīng)用場景及需求

一、腦狀態(tài)檢測

1、腦功能評估與輔助診斷

1) 場景描述

腦機(jī)接口系統(tǒng)已逐步應(yīng)用于腦功能評估與輔助診斷。由于頭皮腦電(Electroencephalograph,EEG)信號具有高度非線性且隨機(jī)特點(diǎn)，使用信號處理技術(shù)可以很容易區(qū)分正常和異常的大腦活動， 因此腦部受傷等癥狀或疾病都可以使用腦電圖來診斷許多與神經(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，基于腦信號解碼的疾病輔助診斷已逐漸在臨床上應(yīng)用落地。經(jīng)過對產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀的調(diào)研，此類系統(tǒng)最關(guān)鍵的指標(biāo)即為識別正確率，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，腦功能評估與輔助診斷對系統(tǒng)的響應(yīng)交互速度要求相對不高，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。但是對人機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時長要求較高， 因?yàn)橐钟舭Y、自閉癥等患者的測試配合度通常遠(yuǎn)低于常人，準(zhǔn)備過程的時需要盡量縮短。

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，對外界干擾可以做一定的場地限制。

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

2、腦紋識別

1）場景描述

在當(dāng)前的數(shù)字信息社會中，個人身份驗(yàn)證技術(shù)是個人和企業(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，因此在機(jī)密性、安全性要求較高的應(yīng)用場合中，可以使用腦電波進(jìn)行身份識別。

2）關(guān)鍵需求

在準(zhǔn)確方面，基于腦電信號的身份驗(yàn)證、識別將在個人消費(fèi)支付、軍事設(shè)備控制上應(yīng)用落地。經(jīng)過對產(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)證和識別對系統(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)備過程耗時需要盡量縮短。

在穩(wěn)定方面，腦電身份驗(yàn)證識別對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高。具體體現(xiàn)在三個方面：一是具有跨任務(wù)狀態(tài)的穩(wěn)定性；二是具有跨時段的穩(wěn)定性；三是具有跨系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前兩者的穩(wěn)定性可以通過算法模型來增強(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)證識別對系統(tǒng)便攜易用需求相對較高，驗(yàn)證識別過程通常不能持續(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）場景描述

傳統(tǒng)的安全生產(chǎn)監(jiān)管模式長期以來都是圍繞制度安全和設(shè)備安全展開， 對人員狀態(tài)突變造成的安全事故無法預(yù)測預(yù)警，當(dāng)事故發(fā)生 后無法對現(xiàn)場人員進(jìn)行及時發(fā)現(xiàn)救助，也無法從人員角度對安全隱患 進(jìn)行排查分析。腦機(jī)接口系統(tǒng)基于對大腦狀態(tài)的實(shí)時讀取和解析，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)測預(yù)警、 事故發(fā)生的自動報警和現(xiàn)場反饋?zhàn)跃龋沧尮芾碚吣軌驈娜藛T安全數(shù) 據(jù)的角度進(jìn)行風(fēng)險隱患排查。因此腦機(jī)接口系統(tǒng)可用于危化品生產(chǎn)、 施工作業(yè)、應(yīng)急救援、冶煉生產(chǎn)等眾多場景。

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)必須具有極高識別正確率，確保在極端狀態(tài)下準(zhǔn)確及時的進(jìn)行事故預(yù)警和報警。為此，要保留適度的算法冗余度，在降低誤報率的條件下盡量提升準(zhǔn)確度，確保在安全事故發(fā)生時準(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)做到無干擾快速響應(yīng)。為此，要搭建以高精度微弱腦電信號采集和實(shí)時分析系統(tǒng)， 結(jié)合高效穩(wěn)定的無線傳輸技術(shù)，具有互操作性的跨平臺應(yīng)用程序接口，最終實(shí)現(xiàn)即戴即用、實(shí)時監(jiān)測和秒級響應(yīng)。

在穩(wěn)定方面，工業(yè)場景的規(guī)模化商用要解決三個主要問題，一是在工況作業(yè)等高噪聲強(qiáng)干擾場景中獲取高信噪比的腦電信號，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，不斷優(yōu)化工程算法濾波器，提升整體信號質(zhì)量；二是少量通道條件下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜腦狀態(tài)實(shí)時分析計(jì)算。工業(yè)場景的條件限制導(dǎo)致只能采用少量信息通道，這對低信息量條件下的實(shí)時腦狀態(tài)分析對算法提出了更高的要求；三是腦機(jī)接口系統(tǒng)在工業(yè)場景規(guī)?；逃弥?，不同群體和個體之間的差異對于魯棒性構(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)場人員無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)通過醫(yī)生“試錯”的方式對調(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)控通過增加感知模塊可以對不同腦狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時調(diào)控，這種刺激效果更靈活，更適應(yīng)、更自動化， 從而達(dá)到更好的治療效果和更小的副作用。國外已經(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，對神經(jīng)組織損失較小且可逆，同時神經(jīng)調(diào)控具備短期和長期的兩種作用機(jī)制，因此，對識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)算時間能完成癲癇發(fā)作的監(jiān)測和刺激的反饋。對于抑郁、帕金 森等疾病，對快速響應(yīng)交互性要求則相對較低，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采集和刺激信號造成衰減，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)，從而對設(shè)備產(chǎn)生信號干擾， 從實(shí)踐來看， 已有證據(jù)表明 RFID 設(shè)備、高壓氧倉、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境有可能導(dǎo)致信號偽跡， 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，因此對長期穩(wěn)定使用要求較高。一方面要求神經(jīng)界面能夠長期穩(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)的三至五年延長至十年甚至更長時間，并已開發(fā)安全的可充電技術(shù)，滿足在人體內(nèi)長期穩(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、無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控

1）場景描述

孤獨(dú)癥(又稱自閉癥)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， 在過去二十年里美國自閉癥患病率持續(xù)上升， 2018 年調(diào)查的 8 歲兒童中自閉癥患病率為 2.27%，高于上一個報告期(2016 年) 的 1.85%。我國的自閉癥患病率調(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。國際公認(rèn)的應(yīng)用行為分析 ( applied behavior analysis,ABA) 療法有效率一般不超過 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)過程中，針對社交與交流缺陷， 通過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)時信號的評測和閉環(huán)干預(yù)，并與應(yīng)用行為分析、言語治療、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)療級別腦電波 90%以上的信號精度記錄腦電波，以 85%以上的識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，通過符合患者學(xué)習(xí)風(fēng)格的方式構(gòu)建交互方式， 讓超過 95%的患者堅(jiān)持每周使用系統(tǒng) 3 次以上，總時長超過每周 3 小時則使用效果較好。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)定的短距離無線連接能力，通信線路在 3 小 時內(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，操作需要降低門檻、降低專業(yè)知識門檻，讓康復(fù)機(jī)構(gòu)初級康復(fù)師、患者及家屬均可快速入門使用。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、對外交互

1、協(xié)助溝通

1）場景描述

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。未來還可應(yīng)用于人與人之間的隱秘交互，該交互過程無聲響和無肢體動作。

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)對使用者會造成一定的腦部創(chuàng)傷，但由于采集的信號質(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、長期穩(wěn)定方面需求強(qiáng)烈。同時受限于植入式系統(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)采集的信號質(zhì)量較低， 但具有快速應(yīng)用、安全無創(chuàng)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)在快速響應(yīng)交互、識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。但在長時穩(wěn)定交互方面要求較植入式系統(tǒng)相對較低。

最近，也有通過介入式植入電極的腦機(jī)接口打字系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過顱內(nèi)血管的支架式電極采集信號，避免了對腦組織的創(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，而且對長效性的要求也非常高。

2）關(guān)鍵需求

在準(zhǔn)確方面，識別正確率指標(biāo)是腦機(jī)打字系統(tǒng)的核心競爭力，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)時間。腦機(jī)打字系統(tǒng)的單次響應(yīng)時間理想值在 0.5 秒~1.5 秒之間， 響應(yīng)時間低于 0.5 秒時較難保持識別正確率，單次響應(yīng)時間超過 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，因此對抗干擾性能的要求并不迫切。但從需求出發(fā)， 在未來腦機(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)定使用時長，1 年是長期 隨訪期的最低要求，也是可以開展臨床試驗(yàn)的最低要求。作為醫(yī)療器械，穩(wěn)定使用時長最好在十年以上。

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，同時最好能減少導(dǎo)電膏的使用。在準(zhǔn)備時長方面植入式需要手術(shù)花費(fèi)一定時間。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， 該時間越短越好。在人機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時長方面， 植入式與非植入式系統(tǒng)均希望采用“冷啟動”的方式，即使用者可直接開展系統(tǒng)應(yīng)用，機(jī)器在使用過程中快速迭代解碼算法，在 10 分鐘甚至更短時間內(nèi)達(dá)到針對個體優(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)動功能受損、一般認(rèn)知缺陷、生成或處理語言困難以及情緒狀態(tài)的改變， 這些現(xiàn)象是中風(fēng)后常見現(xiàn)象。這些患者中近 30%患有慢性運(yùn)動障礙，其中偏癱是中風(fēng)后最常見的致殘病癥。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，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，并促進(jìn)神經(jīng)重塑。采集的腦信號通常通過以下方式由外部設(shè)備反饋給患者：一是向患者提供關(guān)于想象的視覺運(yùn)動任務(wù)反饋，例如在虛擬環(huán)境中加強(qiáng)運(yùn)動想象訓(xùn)練；二是通過康復(fù)機(jī)器人等外部器械帶動患者的運(yùn)動損傷部位運(yùn)動，完成 “閉環(huán)”的感覺運(yùn)動回路。

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)確性會提高患者的信心和動力水平，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)因無效反饋頻出，可能導(dǎo)致患者產(chǎn)生挫敗感，因此對康復(fù)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此應(yīng)盡量控制運(yùn)動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)患者的大腦活動進(jìn)行改變的，康復(fù)系統(tǒng)能夠?qū)崟r的根據(jù)患者腦活動做出相應(yīng)動作，從而有利于增強(qiáng)患者的代入感。因此，從受試者開始進(jìn)行腦活動到外部設(shè)備做出動作響應(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)用價值。

在穩(wěn)定方面，康復(fù)類腦機(jī)系統(tǒng)需要具備一定的抗干擾能力及長期使用穩(wěn)定特性。一方面，康復(fù)類腦機(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，還希望在未來能擴(kuò)展至患者家中或戶外活動場景，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)類腦機(jī)接口系統(tǒng)也需要長期穩(wěn)定，尤其是在醫(yī)療應(yīng)用場景中，如不能在較長的時間保持性能穩(wěn)定，則會造成臨床醫(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， 對于不同的運(yùn)動損傷患者需要制定不同的康復(fù)范式，例如下肢運(yùn)動損傷與手部運(yùn)動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，需要對患者進(jìn)行全面的臨床和神經(jīng)生理學(xué)評估， 以全面分析和制定個性化的康復(fù)計(jì)劃。此外，有必要探索在沒有感覺反饋的情況下是否可以實(shí)現(xiàn)與臨床類似的康復(fù)效果。如果僅使用視覺或虛擬現(xiàn)實(shí)反饋即可獲得同等康復(fù)效果，則可以帶來更便攜、 更簡單且價格合理的家用康復(fù)系統(tǒng)。

展望與建議

一、未來展望

經(jīng)過數(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)鍵時期。就腦機(jī)接口目前的發(fā)展情況， 在今后一段時間， 腦機(jī)接口的基礎(chǔ)學(xué)科研究和應(yīng)用落地都將得到長足發(fā)展，從而有望促進(jìn)腦機(jī)接口市場規(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，未來可能在高級智能方向形成大力突破，進(jìn)而對當(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作用，推動醫(yī)療、康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化；二是推動前沿科技創(chuàng)新，人才短缺、老齡化嚴(yán)重威脅、抗災(zāi)救援等問題一直困擾人類生活， 人類能力的增強(qiáng)對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)將推動人體增強(qiáng)和替代技術(shù)發(fā)展，對人類生活和社會活動產(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、市場展望

盡管當(dāng)前腦機(jī)接口核心軟硬件產(chǎn)品全球市場估算在十多億美元，神經(jīng)調(diào)控軟硬件產(chǎn)品全球市場規(guī)模約百億美元，但如滿足報告所提出的愿景， 則有助于推動神經(jīng)系統(tǒng)疾病的數(shù)字療法走向應(yīng)用，屆時則撬動達(dá)到數(shù)千乃至萬億規(guī)模的睡眠調(diào)控、消費(fèi)娛樂、神經(jīng)疾病治療市場。根據(jù)中國殘聯(lián)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國肢體殘疾 2472 萬人，視覺障礙群體將近 1800 萬，有聽力殘疾人數(shù)達(dá) 2780 萬人。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國老年癡呆患病率有 6%，抑郁癥和焦慮癥的患病率接近 7%，其它神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者過千萬，并隨著老齡化程度提高而快速增長。因此預(yù)測神經(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)十萬億規(guī)模的市場空間。

二、發(fā)展建議

腦機(jī)接口應(yīng)用落地離不開關(guān)鍵技術(shù)的突破，工程技術(shù)的革新，科 研工具平臺的支撐，標(biāo)準(zhǔn)體系的推動、測試驗(yàn)證體系的完善， 科技倫理的共識。因此，腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中對“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)制推動學(xué)術(shù)協(xié)同。腦機(jī)接口的技術(shù)發(fā)展離不開數(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，有效地支撐知識創(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，組織國內(nèi)外專家形成合力，互通有無。推動協(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)用場景探索開拓等。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)，推動技術(shù)及產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。

三是以標(biāo)準(zhǔn)和測試研究推動應(yīng)用落地。落實(shí)《國家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》中“推動標(biāo)準(zhǔn)化與科技創(chuàng)新互動發(fā)展”的工作思路。在“腦智芯連，思行無礙”行業(yè)發(fā)展總體愿景目標(biāo)下，針對腦機(jī)接口系統(tǒng)關(guān)鍵需求和性能指標(biāo)開展標(biāo)準(zhǔn)研究和測評驗(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)和評價體系對腦機(jī)接口產(chǎn)品進(jìn)行效能評估，推動腦機(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。一方面開展多方對話與合作，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)險評估制度。

藍(lán)海大腦認(rèn)為，經(jīng)過數(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)鍵時期。就目前的發(fā)展情況，在今后一段時間，腦機(jī)接口的基礎(chǔ)學(xué)科研究和應(yīng)用落地都將得到長足發(fā)展，從而有望促進(jìn)腦機(jī)接口市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。