腦機(jī)接口硬件技術(shù)和未來應(yīng)用總結(jié)

作者：郭 珺，張思齊，薛 凱，吉博文

摘要：腦科學(xué)是以腦為研究對象的多學(xué)科匯合的新興研究領(lǐng)域，是研究人、動物和機(jī)器認(rèn)知與智能的本質(zhì)與規(guī)律的科學(xué)，其中，腦機(jī)接口硬件技術(shù)是推進(jìn)腦科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵?；陔娚?a target="_blank">信號的腦機(jī)接口硬件設(shè)備根據(jù)采集信號時(shí)電極位置和方法不同，分為無創(chuàng)、微創(chuàng)、淺腦有創(chuàng)和深腦有創(chuàng)四種。首先闡述了四種腦機(jī)接口關(guān)鍵硬件技術(shù)路線，以國內(nèi)外最新產(chǎn)品和科研成果為例分析了非植入式和植入式腦電信號采集的具體技術(shù)現(xiàn)狀；之后舉例說明了腦機(jī)接口硬件技術(shù)在醫(yī)療和消費(fèi)兩大領(lǐng)域的最新應(yīng)用場景和未來展望?？梢灶A(yù)見，隨著腦機(jī)接口硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，在不久的未來將率先給人們的生命健康、日常生活帶來顛覆性變化。

1 引 言

腦機(jī)接口（Brain-computer Interface，BCI）是指在有機(jī)生命形式的腦與具有處理或計(jì)算能力的設(shè)備之間，創(chuàng)建用于信息交換的連接通路，以實(shí)現(xiàn)信息交換及控制的一門技術(shù)。1969年，植入式腦機(jī)接口技術(shù)首次被應(yīng)用于靈長類動物，證明了大腦具有良好的神經(jīng)可塑性；1978年，第一例用于視力恢復(fù)的植入式腦機(jī)接口設(shè)備成功應(yīng)用于人體；1988年，非植入式腦機(jī)接口首次成功被用來控制實(shí)際物體；1998年，首例可用于運(yùn)動模擬的植入式腦機(jī)接口應(yīng)用于人體；2014年，首例非植入式腦-腦接口成功實(shí)現(xiàn)；2015年開始，國內(nèi)外腦機(jī)接口行業(yè)開始出現(xiàn)大量初創(chuàng)企業(yè)，產(chǎn)業(yè)化加速前行。目前，腦機(jī)接口已成為全球各國競相投入的高新技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)產(chǎn)品已應(yīng)用于科研、醫(yī)療、消費(fèi)、教育等行業(yè)。其中，腦電信號采集硬件是腦機(jī)接口能力生成的關(guān)鍵，為實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量、高可靠的腦電信號解碼提供了必要的研究工具。除了神經(jīng)電信號之外，功能性磁共振成像、功能性近紅外光成像、功能性經(jīng)顱多普勒超聲、光學(xué)成像系統(tǒng)等也被視為必不可少的腦機(jī)接口設(shè)備。本文將重點(diǎn)討論腦電信號采集硬件。

基于腦電信號的采集技術(shù)，根據(jù)采集信號時(shí)電極位置和方法差別，可以分為無創(chuàng)、微創(chuàng)、淺腦有創(chuàng)和深腦有創(chuàng)四種。無創(chuàng)腦電采集硬件解碼頭皮腦電信號，對人體無損傷，但信號衰減嚴(yán)重、信噪比低、難提??；微創(chuàng)腦電硬件設(shè)備解碼顱骨內(nèi)皮層表面腦電信號，相比于無創(chuàng)電極具有相對更高的信噪比和時(shí)空分辨率，可以利用微電極陣列在大腦皮層局部區(qū)域采集場電位，采集的主要是中等節(jié)律信號，幅值通常在0.01~5 mV范圍，響應(yīng)頻率小于200 Hz；有創(chuàng)腦機(jī)接口直接解碼皮層以內(nèi)腦電信號，其信噪比和分辨率最高，但對腦組織有損傷，并存在感染風(fēng)險(xiǎn)，其中淺腦有創(chuàng)電極僅刺入皮層淺表，深度約在毫米級，而深腦有創(chuàng)電極將刺入大腦深處，深度以厘米計(jì)。

隨著腦電信號獲取、處理、傳輸、解碼等技術(shù)的融合發(fā)展，越來越多的醫(yī)療級、消費(fèi)級腦機(jī)接口產(chǎn)品開始涌現(xiàn)。醫(yī)療領(lǐng)域是腦機(jī)接口最初、最直接和最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，腦機(jī)接口設(shè)備在神經(jīng)、精神系統(tǒng)疾病的診斷、篩查、監(jiān)護(hù)、治療與康復(fù)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。不僅可以幫助身體運(yùn)動、語言等功能受損但思維清晰患者，通過思維來控制外部設(shè)備如輪椅、機(jī)械手等；反過來可以刺激大腦，幫助病人大腦功能恢復(fù)，如閉環(huán)植入式神經(jīng)調(diào)控已經(jīng)在帕金森病、癲癇、抑郁、失眠等神經(jīng)和精神系統(tǒng)疾病的治療中取得了重要進(jìn)展。

消費(fèi)領(lǐng)域是非植入式腦機(jī)接口的主要應(yīng)用領(lǐng)域，包括消費(fèi)電子、智能家居、教育娛樂等，例如通過檢測玩家腦電、皮膚電、心率、瞳孔、姿勢、面部表情等來評估情緒，進(jìn)而調(diào)整游戲音樂和背景，達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的境界，未來將有望對人們的生活產(chǎn)生變革性影響。因此，腦機(jī)接口硬件技術(shù)的不斷發(fā)展為各類應(yīng)用提供支持，更多更明確的應(yīng)用需求反過來也引領(lǐng)了腦機(jī)接口硬件技術(shù)的發(fā)展方向，二者關(guān)系如圖1所示。但是發(fā)展過程依然面臨諸多挑戰(zhàn)，比如研發(fā)成本高、周期長、技術(shù)成熟度和產(chǎn)品化程度低等問題。

本文首先從無創(chuàng)、微創(chuàng)、淺腦有創(chuàng)和深腦有創(chuàng)四個方面介紹了腦電信號采集的代表性新興硬件技術(shù)，其次舉例介紹了腦機(jī)接口在醫(yī)療和消費(fèi)領(lǐng)域的最新應(yīng)用場景，最后對腦機(jī)接口硬件技術(shù)和未來應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)展望。

2硬件技術(shù)

2. 1無創(chuàng)腦電硬件設(shè)備

腦電圖（Electroencephalogram，EEG）是從人類或動物的頭皮上記錄到的電位變化，屬于常見的非植入式大腦信號采集技術(shù)，相比于植入式采集和半植入式腦機(jī)接口，無需考慮手術(shù)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。EEG信號采集的明顯優(yōu)勢在于時(shí)間分辨率可達(dá)毫秒級別，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行腦電監(jiān)測和在線數(shù)據(jù)傳輸，且采集設(shè)備簡單、操作方便安全、受眾廣，具備成為消費(fèi)級腦機(jī)接口的潛力。

利用電極帽采集大腦信號時(shí)的參數(shù)包括電極數(shù)量、采樣頻率、采樣帶寬、參考電極種類等。傳統(tǒng)的頭皮腦電采集設(shè)備通常使用8~128通道電極，采樣頻率為100~1000 Hz，采樣帶寬為0.1~100 Hz，參考電極包括耳垂電極、鼻電極和平均參考電極等。隨著采集需求的不斷提升，信號采集逐漸朝著高通道、低延時(shí)、高精度方向發(fā)展。近年來不斷有新的腦電采集設(shè)備獲得專業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)證，得到認(rèn)證的硬件產(chǎn)品為便攜、可靠的信號采集提供了更多選擇。表1對比了傳統(tǒng)EEG電極帽和近期獲得美國食品和藥物管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）認(rèn)證的兩款腦電采集設(shè)備的性能參數(shù)。

2023年5月，愛爾蘭生物科技公司Cumulus Neuroscience旗下的干電極（dry-sensor）腦電頭戴設(shè)備獲得了認(rèn)證，該設(shè)備配備了16個電極，采樣頻率高達(dá)500 Hz，帶寬范圍在0.5~250 Hz，該采樣頻率可以捕獲高頻信號和快速變化的腦電活動，有助于記錄和分析更加復(fù)雜的腦電信號，并采用平均參考電極作為比較其他電極信號的參考點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的頭皮腦電采集設(shè)備，該設(shè)備在干電極、高通道、清潔度方面展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢：干電極方面，該頭戴設(shè)備使用“Dry Sensor”技術(shù)，可避免使用傳統(tǒng)凝膠電極帶來的不便和不適，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高精度和高靈敏度的信號采集；高通道方面，該設(shè)備可同時(shí)記錄多個腦區(qū)的電信號，捕獲高頻信號和快速變化的腦電活動，從而采集到更高精度的信號并提供更高的噪聲抑制能力；清潔度方面，干電極腦電圖頭戴設(shè)備“Dry Sensor”設(shè)計(jì)無需頻繁清洗，且佩戴更加方便。

傳統(tǒng)的腦電信號采集設(shè)備功能單一，近年來市面上也逐漸出現(xiàn)一些“腦電采集+外設(shè)控制”設(shè)備。例如，2023年5月，無創(chuàng)腦機(jī)接口和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)開發(fā)商Cognixion旗下的Cognixion ONE Axon（COA）設(shè)備獲得了FDA的突破性設(shè)備認(rèn)定。Cognixion ONE Axon設(shè)備結(jié)合BCI和AR技術(shù)，能夠幫助肌肉萎縮癥、創(chuàng)傷性腦損傷疾病患者提高生活質(zhì)量。該設(shè)備采用6個無線腦電傳感器和1個無線眼動傳感器記錄大腦信號和眼動信號，采樣頻率為250 Hz，帶寬范圍為0.5~125 Hz。該采樣頻率和帶寬范圍可捕捉到較高頻率的特定腦電信號。相比于傳統(tǒng)的電極帽，COA設(shè)備在舒適度、便捷性、靈活性方面展現(xiàn)出極大優(yōu)勢：舒適度方面，無須使用傳導(dǎo)膠；便捷性方面，采用了輕量化材料，攜帶和佩戴更加便捷和舒適；靈活性方面，采用無線傳感器采集數(shù)據(jù)，使用者在行動時(shí)也可保持穩(wěn)定的信號采集。在佩戴該頭盔的基礎(chǔ)上，患者可通過配套的AR頭顯來傳達(dá)自身想法，對于癱瘓病人同樣適用。

頭皮腦電采集作為一種非植入性的神經(jīng)生理信號采集技術(shù)，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)、腦機(jī)接口、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，未來逐漸向著無線化、便攜化、舒適化、高密度等方向發(fā)展。但受限于顱骨對神經(jīng)信號的衰減作用和對神經(jīng)元發(fā)出的電場活動的分散和模糊效應(yīng)，使得信號分辨率不高，導(dǎo)致可實(shí)現(xiàn)的腦機(jī)交互性能有限。

2. 2微創(chuàng)腦電硬件設(shè)備

微創(chuàng)腦機(jī)接口解碼顱骨內(nèi)皮層表面腦電信號（Electrocorticogram，ECoG），比頭皮腦電信噪比高、分辨率高、信號采集頻率范圍更大，包含皮層神經(jīng)元群體活動信息。根據(jù)植入電極位置的不同，將其分為皮層腦電采集和血管介入式腦電采集。

皮層腦電采集是通過在大腦表面放置電極陣列來記錄神經(jīng)電活動，可用于術(shù)中癲癇病灶定位、運(yùn)動編解碼、語言編解碼、體感誘發(fā)反饋等。目前國內(nèi)外已有多家科技公司開展皮層腦電相關(guān)硬件設(shè)備開發(fā)。其中，具有代表性的是美國NeuroPace公司研發(fā)的反應(yīng)性神經(jīng)刺激系統(tǒng)（Responsive Neurostimulator System，RNS）。這是一種可植入式閉環(huán)神經(jīng)刺激系統(tǒng)，于2013年11月獲得FDA批準(zhǔn)上市，用于經(jīng)藥物治療無效的成年患者局灶性起源癲癇發(fā)作的治療。RNS系統(tǒng)通過植入在大腦中的微創(chuàng)皮層電極實(shí)時(shí)監(jiān)測大腦中的異常電信號，并在發(fā)作前通過深部電極進(jìn)行響應(yīng)和干預(yù)，以降低癲癇發(fā)作的頻率。如圖2（a）所示，RNS的優(yōu)勢在于其是一種反應(yīng)性治療方法，只有在檢測到異常電信號時(shí)才會進(jìn)行干預(yù)，減少了對正常腦功能的干擾。此外，該系統(tǒng)所記錄的腦電數(shù)據(jù)，對于探究癲癇發(fā)病機(jī)制和大腦功能有重要作用。截至2021年底，已經(jīng)有超過4000名患者接受了該植入手術(shù)，并且在長期隨機(jī)對照研究隨訪中，9年后癲癇發(fā)作頻率中位數(shù)降低75%，癲癇猝死發(fā)生率也大幅降低。

2023年4月，另一家腦科技公司Precision Neuroscience完成其神經(jīng)植入系統(tǒng)Layer 7 Cortical Interface System的首次人體臨床試驗(yàn)，該植入系統(tǒng)將1024通道的微型皮層電極集成在1 cm2大小的柔性薄膜上，相比以往神經(jīng)外科手術(shù)常用的典型電極陣列，該系統(tǒng)能以高出數(shù)百倍分辨率的精度映射大腦大范圍區(qū)域。同時(shí)，所使用的皮層電極陣列可以通過在顱骨上開一條寬度小于1 mm的細(xì)縫塞入顱骨和皮層的間隙，微創(chuàng)損傷極小。該設(shè)備已經(jīng)在三名大腦語言區(qū)域患有腫瘤的患者身上進(jìn)行了短時(shí)植入，預(yù)計(jì)近期完成向FDA申請長達(dá)30天的在體植入許可。

相較于國外，國內(nèi)皮層腦電信號采集硬件技術(shù)正處于飛速發(fā)展階段，多家研究機(jī)構(gòu)和公司如華科恒生、腦虎科技、科斗腦機(jī)，在人體臨床和動物實(shí)驗(yàn)用皮層腦電采集硬件上均有產(chǎn)品面世。2022年，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)人員通過手術(shù)前的功能磁共振影像精準(zhǔn)定位目標(biāo)腦區(qū)，只用3通道皮層電極就實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)植入腦機(jī)接口打字，速度達(dá)到每分鐘12個字符，單電極的等效信息傳輸率達(dá)到20比特/分鐘，遠(yuǎn)高于美國斯坦福大學(xué)腦機(jī)接口團(tuán)隊(duì)研發(fā)的手寫字符高速識別技術(shù)，該技術(shù)使用兩個微硅針猶他電極共192通道，單電極通道等效信息傳輸率約為2比特/分鐘。

近年來，出現(xiàn)了一種完全不同于皮層腦電的新型微創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)，即血管介入式腦電采集（Vascular Interventional Electroencephalogram，VIEEG）。通過將電極植入血管來記錄神經(jīng)元的電活動，信號采集的空間分辨率在數(shù)毫米到數(shù)厘米之間，時(shí)域分辨率高達(dá)數(shù)千赫茲，能夠捕捉細(xì)微的神經(jīng)元活動，幫助患有肌萎縮側(cè)索硬化癥（Amyotropyic Lateral Sclerosis，ALS），即漸凍癥的患者通過思想無線控制數(shù)字設(shè)備，以提高功能獨(dú)立性。

2020年10月，墨爾本大學(xué)腦機(jī)接口初創(chuàng)公司Synchron研發(fā)的Stentrode設(shè)備通過頸靜脈植入到了兩名漸凍癥患者體內(nèi)，手術(shù)完成后患者用意念成功控制了個人電腦。植入設(shè)備包括三部分：運(yùn)動神經(jīng)假體、內(nèi)部遙測單元和外部遙測單元。搭載16個電極傳感器的運(yùn)動神經(jīng)假體通過導(dǎo)管從頸靜脈進(jìn)入，經(jīng)引導(dǎo)定位移動到正確的位置，假體脫鞘固定于顱內(nèi)靜脈的血管壁。其中，上矢狀竇處血管是大腦的主要引流通道之一，該血管直徑約4~7 mm，其血管內(nèi)壁可以采集到皮層電信號，并通過內(nèi)部遙測單元無線傳輸?shù)酵獠窟b測單元，最終傳輸?shù)狡桨咫娔X，如圖2（b）所示。通過頸靜脈腦機(jī)接口和眼動跟蹤器，上肢運(yùn)動能力缺失的ALS參與者能夠控制Windows 10操作系統(tǒng)，獨(dú)立完成遠(yuǎn)程通信、網(wǎng)上購物等任務(wù)。2023年1月，Synchron公司在醫(yī)學(xué)雜志 JAMA Neurology 發(fā)表了針對四名重癥患者植入該設(shè)備后12個月的連續(xù)隨訪結(jié)果，使用神經(jīng)假體裝置可以長期從大腦血管內(nèi)部傳輸神經(jīng)信號，設(shè)備沒有凝塊或遷移，這也為該技術(shù)設(shè)備的下一步發(fā)展提供了長期安全性支撐依據(jù)。

近期國內(nèi)也有研究機(jī)構(gòu)和公司開展了關(guān)于血管介入腦電采集的研究，例如有研究人員將采樣電極點(diǎn)安裝在取栓支架的金屬絲上來采集顱內(nèi)信號，該方法突破了血管內(nèi)腦電信號采集、介入式腦電信號識別等核心技術(shù)，2022年和2023年已初步完成了在羊和食蟹猴等試驗(yàn)動物的體內(nèi)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了介入式腦電信號從被動采集到主動控制的技術(shù)飛躍。血管介入式腦電采集由于無需開顱手術(shù)即可采集到顱內(nèi)腦電信號，相較于傳統(tǒng)侵入式和非侵入式腦機(jī)接口，兼顧了安全性、識別穩(wěn)定性，對于腦卒中、漸凍癥等行動不便以及抑郁癥、躁郁癥等精神疾病，該類微創(chuàng)腦機(jī)接口設(shè)備將更容易被大量臨床患者所接受。

2. 3淺腦有創(chuàng)腦電硬件設(shè)備

有創(chuàng)腦機(jī)接口直接解碼皮層以內(nèi)腦電信號，甚至可以采集單個神經(jīng)元的動作電位，其信噪比和分辨率最高，根據(jù)電極植入腦部的深度，這里將有創(chuàng)腦電信號采集技術(shù)分為淺腦和深腦兩種。猶他電極陣列（Utah Electrode Array，UEA）作為淺腦有創(chuàng)腦電信號采集設(shè)備的代表，如圖3所示，基于體硅材料加工，硅針長度為1.0 mm或1.5 mm，尖端涂有金屬材質(zhì)（鉑，氧化銥）用于導(dǎo)電，硅針外表面為ParyleneC絕緣層，間距400 μm，暴露電極點(diǎn)尖端直徑最小6~10 μm，可實(shí)現(xiàn)最高檢測通道數(shù)100，記錄位點(diǎn)面積約500 μm2，電極阻抗100~800 kΩ，是美國FDA唯一批準(zhǔn)用于臨床的植入式電極陣列，也是長期以來業(yè)界公認(rèn)的采集和刺激大腦的黃金標(biāo)準(zhǔn)電極，記錄時(shí)長最長可達(dá)數(shù)年。猶他電極系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括高通道數(shù)、安全性和壽命長且穩(wěn)定，自2004年首次植入人體以來，迄今未發(fā)生與植入物相關(guān)的嚴(yán)重不良事件。

猶他大學(xué)Normann研究組首次提出猶他電極陣列可追溯至1989年，經(jīng)過多年的發(fā)展和驗(yàn)證，猶他電極陣列已成為多通道、高密度采集動作電位、場電位和末梢神經(jīng)信號的首選方案。近二十年來，研究人員以猶他電極陣列為基礎(chǔ)，嘗試開發(fā)硅基、玻璃基、金屬基等不同材料、結(jié)構(gòu)、功能的變體猶他電極陣列，為淺腦采集和刺激提供了更多技術(shù)可能性。

而將猶他電極陣列商品化、系統(tǒng)化的公司Blackrock Neurotech，目前在腦機(jī)接口上游有多款產(chǎn)品，涵蓋電極、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、刺激器、無線探頭、配件、適配器等。一套完整的淺腦有創(chuàng)猶他電極陣列硬件設(shè)備包括：（1）高通量猶他電極陣列，可以獲取到更多、更豐富的信號，使得在假體設(shè)備上可以控制更多的自由度；（2）臨床線纜，在猶他電極陣列和NeuroPort采集系統(tǒng)之間提供抗噪音干擾的連接；（3）前置放大器，用于信號放大、濾波及高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換（最多可達(dá)128通道），然后通過光纖線與NeruoPort 進(jìn)行無噪聲遠(yuǎn)距離的連接；（4）前置放大器電源，醫(yī)療安全級別的低噪聲保護(hù)電源；（5）NeuroPort（256通道）信號采集和顯示系統(tǒng)，信號濾波及神經(jīng)元分類通過機(jī)載處理器在線實(shí)時(shí)完成，這些數(shù)據(jù)可以立即通過控制算法來驅(qū)動假肢。

該公司研發(fā)的Move Again BCI設(shè)備于2021年獲得美國FDA的突破性設(shè)備認(rèn)定。該設(shè)備旨在讀取患者腦信號后，解碼并發(fā)送到數(shù)字設(shè)備，幫助用戶通過使用他們的思想來控制移動設(shè)備或平板電腦、鼠標(biāo)光標(biāo)、鍵盤輪椅或假肢。由于大腦信號變化頻繁，腦機(jī)接口需要反復(fù)校準(zhǔn)和訓(xùn)練，因此可輔以機(jī)器學(xué)習(xí)模型和算法，以降低腦機(jī)接口的運(yùn)行延遲。

雖然以猶他電極陣列為代表的淺腦有創(chuàng)腦電采集設(shè)備已在腦機(jī)接口領(lǐng)域成為了金標(biāo)準(zhǔn)，但如何在最低限度損傷大腦和最大限度利用大腦之間達(dá)到平衡，仍然是該類信號采集硬件設(shè)備的核心挑戰(zhàn)，具體包括電極密度難以提升、剛性易引起腦組織炎癥反應(yīng)、集成無線神經(jīng)接口難度大、活體長期植入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)少等問題。

近年來，隨著柔性材料和微納加工技術(shù)的快速發(fā)展，深腦植入式柔性微電極作為腦機(jī)接口的信號采集和刺激調(diào)控前端，已在通道數(shù)和安全性方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。埃隆·馬斯克成立的Neuralink公司，自2019年起，報(bào)道了鼠、豬和獼猴大腦植入腦機(jī)接口硬件設(shè)備進(jìn)行信號采集和解碼，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)活動準(zhǔn)確預(yù)測和意念控制電腦玩游戲，為人體長期植入、安全工作打下基礎(chǔ)。其研制的柔性神經(jīng)微電極“線”陣列，通道數(shù)最多可達(dá)3072，電極阻抗約50 kΩ，能夠安全有效地植入動物體內(nèi)達(dá)數(shù)月之久。除了線陣列微電極外，核心硬件設(shè)備還包括神經(jīng)外科機(jī)器人和定制芯片?？p紉機(jī)式機(jī)器人能夠高效地將微電極“縫合”到患者的大腦灰質(zhì)中任意目標(biāo)位置，形成與周圍神經(jīng)元的連接。2020年，該公司推出LINK V0.9硬件設(shè)備，尺寸僅為23 mm×8 mm，硬幣大小，擁有1024路采集通道，電池可全天續(xù)航并無線充電，能夠感應(yīng)溫度氣壓，并讀取腦電波、脈搏等生理信號，可以置于人腦的顱頂部位，如圖4所示。2023年5月，Neuralink獲得FDA的突破性設(shè)備認(rèn)證，允許其進(jìn)行人體臨床實(shí)驗(yàn)。該設(shè)備將來可用于讓失明者恢復(fù)視力，殘障者恢復(fù)行動能力，并通過AI與人溝通。

2. 4深腦有創(chuàng)腦電硬件設(shè)備

深腦有創(chuàng)硬件設(shè)備可以直接解碼大腦深部的腦電信號，其信噪比和分辨率最高，但由于植入位置較深，對腦組織損傷較大，并存在感染風(fēng)險(xiǎn)。深部腦刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）技術(shù)于20世紀(jì)70年代出現(xiàn)，是深腦有創(chuàng)腦機(jī)接口硬件設(shè)備的重要組成，具有小創(chuàng)傷、高安全、可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，是一種適合帕金森、肌張力障礙、藥物難治性癲癇等疾病的治療方法。

醫(yī)生通過在患者頭部上方開一個小孔，將DBS電極插入大腦中特定的區(qū)域。DBS電極的材料一般使用鉑-銥合金，具有很低的金屬毒性和良好的導(dǎo)電性，外圍包裹一層聚氨酯鞘來保護(hù)線路免受體內(nèi)免疫系統(tǒng)的侵蝕，現(xiàn)在最常用的標(biāo)準(zhǔn)電極由四個觸點(diǎn)構(gòu)成，直徑在1.27 mm，每個環(huán)性觸點(diǎn)長1.5 mm，彼此之間相隔0.5 mm或1.5 mm?？梢酝ㄟ^改變不同的刺激觸點(diǎn)影響不同的組織范圍，也可以使用把環(huán)狀觸點(diǎn)分割成多段的方向性電極，它提供了對特定方向刺激的能力，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)刺激以提升刺激效率，減少刺激不必要大腦區(qū)域帶來的副作用，進(jìn)而拓寬治療窗口。

DBS 電極與植入式脈沖發(fā)生器 （Implantable Pulse Generator，IPG）連接，然而 IPG 與電極相比，發(fā)展相對緩慢。新型的輸電方式、新穎的刺激波形、電刺激程序控制 （程控） 的優(yōu)化、較高的能量利用效率和較小的體積等，一直是臨床上使患者更安全、更舒適、療效更好的目標(biāo)。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自動程控、核磁兼容、無線數(shù)據(jù)傳輸、 遠(yuǎn)程患者監(jiān)控等都是IPG的重要發(fā)展方向。

相較于傳統(tǒng)腦起搏器，美敦力的Percept PC設(shè)備集成了電刺激治療、腦電監(jiān)測以及AI算法系統(tǒng)?；颊呤褂肞ercept PC進(jìn)行的非刺激LFP記錄包含較少的刺激偽影，可以使用簡單的數(shù)字濾波器輕松去除。Percept PC感知能力的提高可歸因于技術(shù)規(guī)格的多項(xiàng)變化，這些變化是基于第一代神經(jīng)刺激器的經(jīng)驗(yàn)；采用前端消隱開關(guān)，限制了刺激和感覺之間的時(shí)間重疊，感覺消隱持續(xù)時(shí)間可由臨床醫(yī)生/研究人員設(shè)置在0~2.5 ms之間；全差分放大器的實(shí)現(xiàn)也提高了共模噪聲抑制；最后，信號最初以100 kHz采樣，在設(shè)備上進(jìn)行低通濾波，隨后將采樣降至250 Hz進(jìn)行頻譜分析和輸出，從而最大限度地減少刺激速率諧波混疊到感興趣頻段的風(fēng)險(xiǎn)。另外，該設(shè)備并未發(fā)現(xiàn)某些設(shè)備報(bào)道的由采樣時(shí)鐘和刺激速率之間的相互作用引起的其他噪聲源。

Percept PC在刺激過程中感知能力的提高，證明了主動刺激導(dǎo)致LFP在beta波段功率的降低，而LFP的beta帶功率被認(rèn)為是DBS治療帕金森病療效的標(biāo)志。2022年，這款智能可感知腦起搏器已獲得中國國家藥監(jiān)局批準(zhǔn)正式上市，將用于帕金森病、特發(fā)性震顫、癲癇和肌張力障礙的治療；2023年中國國家藥監(jiān)局批準(zhǔn)美敦力智能可感知腦起搏器Percept PC全套植入系統(tǒng)兼容3.0 T和1.5 T全身核磁掃描。

2022年2月，國內(nèi)首創(chuàng)閉環(huán)神經(jīng)刺激器——瑞神安醫(yī)療CNS 601，由首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院功能神外團(tuán)隊(duì)完成了首例治療帕金森病植入。此次臨床試驗(yàn)植入的閉環(huán)神經(jīng)刺激器是國內(nèi)首個用于治療帕金森病的閉環(huán)腦刺激器，該系統(tǒng)共有16通道，可以連接2~4根4觸點(diǎn)或者不同觸點(diǎn)的針狀電極或者片狀電極，具有16通道刺激、8通道采集的功能，同時(shí)具有近場通信和藍(lán)牙通信雙模通信功能，患者開啟藍(lán)牙通信功能將采集的腦電傳輸?shù)襟w外程控儀，再通過WiFi同步上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器中。該次臨床試驗(yàn)的植入也標(biāo)志著中國閉環(huán)神經(jīng)刺激器系統(tǒng)治療帕金森病的臨床轉(zhuǎn)化研究達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

2023年7月，北京品馳研發(fā)的新一代藍(lán)牙可感知、可充電、可遠(yuǎn)程程控的3.0 T磁共振兼容腦起搏器（106RS型），在中國科大附一院（安徽省立醫(yī)院）完成上市后首例臨床應(yīng)用，標(biāo)志著我國在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域取得了又一進(jìn)步。該新型閉環(huán)DBS設(shè)備的可感知功能，可以在程控系統(tǒng)實(shí)時(shí)看到患者腦內(nèi)手術(shù)靶點(diǎn)核團(tuán)的放電情況，醫(yī)生可以根據(jù)患者腦電信號的變化，調(diào)整患者的刺激參數(shù)對患者腦內(nèi)核團(tuán)進(jìn)行電刺激，達(dá)到最適宜、最有效的刺激效果。

同樣是深腦有創(chuàng)植入硬件設(shè)備，立體定位腦電圖（Stereoelectroencephalography，sEEG）電極植入手術(shù)是近年來興起的一種全新的癲癇病灶定位技術(shù)，它是結(jié)合立體定向微創(chuàng)定位方式與腦電監(jiān)測技術(shù)而發(fā)展起來的，能夠更加直接地監(jiān)測、記錄大腦中深部組織的放電活動，描繪致癇網(wǎng)絡(luò)及其傳播途徑，指導(dǎo)難治性癲癇患者進(jìn)一步手術(shù)。

國際上，美國PMT公司生產(chǎn)的sEEG深部電極直徑小于0.8 mm，比傳統(tǒng)深部電極的直徑小30%，侵入損傷性更小，導(dǎo)聯(lián)數(shù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制，最多能實(shí)現(xiàn)16導(dǎo)聯(lián)，如圖6所示。該電極的錨定螺栓附著在地腳螺栓驅(qū)動器上，在插入過程中不受重力的影響，且由于錨定螺栓和電極放置的步驟簡單，放置過程用時(shí)更短。其中錨定螺栓長度為25~40 mm，加上不同顏色的編碼，以增加辨識度、適用度。該電極接桿光滑，尖端圓鈍，以防在插入過程中引起腦組織和血管的損傷。其放置位點(diǎn)選擇基于臨床癥狀、腦電圖和神經(jīng)影像等無創(chuàng)檢查后綜合考慮確定，在癲癇病人中一般放置位點(diǎn)會包括病灶、發(fā)作早期放電部位以及可能傳導(dǎo)和波及的腦內(nèi)結(jié)構(gòu)，可以精確定位到致癇灶，具有較高的時(shí)間分辨率和空間分辨率。

3 應(yīng)用場景

腦機(jī)接口作為一種特殊的人機(jī)交互方式，受到越來越多的關(guān)注。植入式腦機(jī)接口硬件設(shè)備主要應(yīng)用在醫(yī)療健康領(lǐng)域，在神經(jīng)替代、神經(jīng)調(diào)控相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品方面發(fā)展迅速。非植入式腦機(jī)接口硬件設(shè)備主要應(yīng)用在更廣泛的生活消費(fèi)領(lǐng)域，正逐步在康復(fù)訓(xùn)練、教育娛樂、智能生活、生產(chǎn)制造等眾多方面為人類服務(wù)。因此，腦機(jī)接口硬件設(shè)備無論是在醫(yī)療還是在消費(fèi)領(lǐng)域，都具有廣泛的應(yīng)用前景。

3. 1醫(yī)療領(lǐng)域

醫(yī)療領(lǐng)域，腦機(jī)接口主要面向癲癇、帕金森、癱瘓、漸凍癥等患者。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的帕金森病患病人數(shù)已超過300萬人，2030年將達(dá)到500萬人；癲癇患者近1000萬，每年新增癲癇人數(shù)高達(dá)40萬，其中30%為藥物性難治癲癇。以癲癇為例，癲癇是大腦神經(jīng)元突發(fā)性異常放電，導(dǎo)致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病，目前常見的癲癇外科治療方法主要有切除、切斷、毀損和微創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控等幾類。對于已經(jīng)經(jīng)過開顱切除病灶的藥物難治性癲癇患者，腦起搏器植入術(shù)更適用，腦深部電刺激可在腦部靶區(qū)內(nèi)抑制異常神經(jīng)活動，使運(yùn)動神經(jīng)環(huán)路恢復(fù)至相對正常的功能狀態(tài)，以更好控制癲癇癥狀的發(fā)生。例如手術(shù)后，患者的癲癇發(fā)作次數(shù)會顯著減少，由之前每天發(fā)作5~6次到現(xiàn)在每6~7天偶爾發(fā)作一次，因此使用腦起搏器治療藥物難治性癲癇效果良好。當(dāng)前腦起搏器已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療市場，未來可期待在成癮和強(qiáng)迫癥等精神疾病領(lǐng)域的應(yīng)用。

作為發(fā)展最為成熟、受眾最廣的腦機(jī)接口硬件設(shè)備，近年來具有感知技術(shù)的腦起搏器的誕生，標(biāo)志著 DBS 從此進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代。在發(fā)射治療電脈沖的同時(shí)，能夠精準(zhǔn)捕捉患者腦內(nèi)與疾病癥狀相關(guān)的特定腦電信號，并加以智能算法分析，為患者提供更加個體化的精準(zhǔn)治療，幫助患者趨于“正?！睜顟B(tài)。以美敦力公司的神經(jīng)刺激器Percept PC為例，其采用的BrainSense技術(shù)可捕獲大腦LFP信號，同時(shí)Percept PC神經(jīng)刺激器改進(jìn)絕緣以增以增強(qiáng)LFP檢測，所采集到的LFP信號幅值比DBS刺激脈沖小100萬倍，被科學(xué)界譽(yù)為在“飛機(jī)轟鳴下聽到耳語”。能夠?qū)⒉蹲降降哪X電信號通過近場通訊方式傳輸?shù)结t(yī)生端，尤其是其捕捉到的beta段信號，這將大幅提高DBS治療效果，如圖7所示，智能可感知腦起搏器Percept PC結(jié)合了兩項(xiàng)新技術(shù)能力，一是傳感能力，使醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測大腦信號，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)優(yōu)化刺激設(shè)置；二是“定向引線”，使電流能夠通過電極更精確地瞄準(zhǔn)靶點(diǎn)刺激。

2021年6月，在美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)系統(tǒng)用于治療帕金森病、肌張力障礙和特發(fā)性震顫癥狀后不久，美國佛羅里達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)院在全美第一個開展了Percept PC系統(tǒng)的植入手術(shù)。在系統(tǒng)中添加了定向?qū)?lián)，提高了定位異常信號的能力，并能夠更有效地將電流引導(dǎo)到大腦中最有益的區(qū)域。在接受DBS手術(shù)后，患者通常每月在臨床進(jìn)行為期6個月的優(yōu)化階段，調(diào)整和微調(diào)刺激設(shè)置，以獲得最優(yōu)效果，即在刺激產(chǎn)生最小或沒有副作用的情況下實(shí)現(xiàn)對癥狀的最佳控制。

2023年7月，作為世界最大的神經(jīng)調(diào)控和腦起搏器植入中心的上海瑞金醫(yī)院，完成了全國首例植入Percept PC系統(tǒng)的手術(shù)，術(shù)后患者逐步恢復(fù)了清醒的意識，手腳也沒有了抖動的情況。由于該設(shè)備同時(shí)兼容3.0 T和1.5 T全身核磁安全掃描，保證了患者在未來可能接受核磁檢查的權(quán)利。

提升運(yùn)動障礙患者的生活質(zhì)量是腦機(jī)接口硬件技術(shù)的一個重要應(yīng)用方向?；謴?fù)癱瘓患者的手部運(yùn)動是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)槭植坑谐^20個自由度，且手部移動和旋轉(zhuǎn)方式比腿部更自由，因此大腦中編碼和肌肉控制難度極高。

2016年，美國俄亥俄州立大學(xué)和美國巴特爾紀(jì)念研究所合作，研制出結(jié)合了猶他電極陣列設(shè)備和上肢肌肉的功能電刺激器袖套，該“袖套”由130個電極組成，能把信號轉(zhuǎn)換成肌肉收縮以產(chǎn)生手和腕部的運(yùn)動，如圖8（a）所示，使得一位高位截癱志愿者成功利用自主意識，恢復(fù)多個手指、手和手腕的運(yùn)動能力，控制自身癱瘓手臂完成對水杯、勺子的抓握，以及彈吉他、刷卡等動作。這套系統(tǒng)只能在實(shí)驗(yàn)室里使用，讓患者自由受到限制，同時(shí)需要在每次開始時(shí)重新校準(zhǔn)，距離更廣泛的醫(yī)療應(yīng)用還存在一定差距。2022年，瑞士洛桑大學(xué)醫(yī)院在該工作的基礎(chǔ)上，為了研究腦內(nèi)猶他電極陣列動作主導(dǎo)感的意義并評估其臨床影響，對一名四肢癱瘓且腦內(nèi)植入猶他電極陣列、小臂貼附神經(jīng)肌肉電刺激系統(tǒng)的患者的解碼運(yùn)動指令和感覺反饋之間的一致性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，如圖8（b）所示，結(jié)果表明初級運(yùn)動皮層處理通過腦機(jī)接口產(chǎn)生的感覺反饋、感覺-運(yùn)動沖突和主觀行為狀態(tài)。

植入式猶他電極陣列不僅能采集信號，也能通過微小的電刺激脈沖來刺激大腦的感覺區(qū)，以便喚醒手部不同區(qū)域的感覺，提高控制機(jī)械臂的精度和效率。2021年，美國匹茲堡大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)描述了如何通過增加大腦刺激來喚起觸覺，從而使操作者更容易操縱大腦控制的機(jī)械臂，如圖8（c）所示，實(shí)驗(yàn)中通過猶他電極陣列設(shè)備形成的人工觸覺來補(bǔ)充視覺，使得抓取和轉(zhuǎn)移物體的時(shí)間減少了一半，中位時(shí)間從20.9 s減少到10.2 s。電極陣列使被試患者不僅能用意念控制機(jī)械臂，還能接收觸覺反饋，這與脊髓完好無損時(shí)的神經(jīng)回路運(yùn)作方式相似。這種方式可以將從大腦讀取信息來控制機(jī)械臂運(yùn)動和寫回信息提供感覺反饋這兩者有機(jī)結(jié)合。

幫助癱瘓或患有運(yùn)動障礙的人恢復(fù)更精細(xì)的行動能力，始終是植入式腦機(jī)接口不斷追求的目標(biāo)之一。2022年，美國約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室在一位癱瘓患者雙邊植入猶他電極陣列設(shè)備，其中3個電極陣列植入在運(yùn)動皮層，3個電極陣列植入在感覺皮層，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了從大腦兩側(cè)采集信號并同時(shí)操控兩只機(jī)械臂協(xié)同精細(xì)動作，例如使用餐刀餐叉實(shí)現(xiàn)自主進(jìn)食，如圖8（d）所示?；颊咴趧傊踩朐O(shè)備時(shí)還無法直接進(jìn)行兩只機(jī)械臂操作，需要長時(shí)間訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，經(jīng)過9個多月的練習(xí)，患者才能夠順利控制兩個機(jī)械臂，左機(jī)械手用餐刀切蛋糕，右機(jī)械手用餐叉將蛋糕緩緩舉起送入口中。能夠?qū)崿F(xiàn)這樣精細(xì)化的動作，同樣離不開電極陣列輸出電脈沖，通過“刺激”負(fù)責(zé)運(yùn)動/感覺的大腦皮層區(qū)域以形成觸覺。

此前，腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)是恢復(fù)患者的運(yùn)動功能，例如操控機(jī)械臂抓取物體，或者移動電腦光標(biāo)、選擇點(diǎn)擊字母輸入等。2021年，美國斯坦福大學(xué)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究人員首次破譯了與手寫書信相關(guān)的大腦活動，利用植入大腦運(yùn)動皮層的猶他電極陣列設(shè)備獲取神經(jīng)活動，解碼“手寫”筆跡，并使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解碼方法將筆跡實(shí)時(shí)翻譯成文本，快速將患者手寫的想法轉(zhuǎn)換為電腦屏幕上的文本，如圖9所示。癱瘓患者只需腦補(bǔ)“手寫文字”，所想的文本就會實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。在這項(xiàng)研究中，患者每分鐘可鍵入90個字符，接近同齡正常人使用智能手機(jī)時(shí)每分鐘鍵入115個字符的速度，創(chuàng)造了迄今為止報(bào)道的猶他電極陣列硬件設(shè)備的最快速度，同時(shí)在線的原始準(zhǔn)確率為94.1%，經(jīng)過通用的自動糾錯后，準(zhǔn)確率超過99%。與世界上最先進(jìn)的語音識別系統(tǒng)（單詞錯誤率為4%~5%）相比，借助循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，該設(shè)備系統(tǒng)展現(xiàn)出極好的可用性。

國內(nèi)腦機(jī)接口硬件設(shè)備的醫(yī)療應(yīng)用也處于蓬勃發(fā)展階段。例如佳量醫(yī)療公司開發(fā)了國內(nèi)第一款采用閉環(huán)原理并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和刺激一體化的植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)，也是國內(nèi)第一款實(shí)現(xiàn)全顱骨植入的全球最小體積及厚度的神經(jīng)刺激器，植入后可用于抑制癲癇發(fā)作。2022年3月，該系統(tǒng)用于難治性癲癇的臨床試驗(yàn)開展了10例安全性、可行性的驗(yàn)證試驗(yàn)，這套設(shè)備沒有明顯的不良反應(yīng)，對于腦電的識別也較滿意，一年的有效率/改善率超過50%。2023年2月，腦虎科技公司研究人員在一名42歲的男性患者身上順利完成一項(xiàng)256通道柔性深部電極的植入手術(shù)，實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元動作電位信號記錄，初步驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)的有效性和安全性。

3. 2消費(fèi)領(lǐng)域

腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)開始走進(jìn)人們的生活，針對非植入式腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出各類可穿戴設(shè)備，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了日常解壓、兒童專注力提升、睡眠障礙改善等消費(fèi)級應(yīng)用。本文將介紹非植入式腦電信號采集設(shè)備在睡眠改善和混合現(xiàn)實(shí)意念控制方向的兩個應(yīng)用實(shí)例。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，2018年全球睡眠障礙率達(dá)27%，中國成年人失眠發(fā)生率高達(dá)38.2%，有超3億中國人有睡眠障礙。而中國睡眠研究會發(fā)布的《2022中國國民健康睡眠白皮書》的調(diào)查結(jié)果顯示，44%的19~25歲年輕人熬夜至零點(diǎn)以后；42%的老年人入睡時(shí)長超過半小時(shí)，失眠率高達(dá)21%；19~35歲青壯年是睡眠問題高發(fā)年齡段，睡不好漸成年輕人的普遍痛點(diǎn)。無論是入睡難還是睡眠不足，都有可能造成認(rèn)知表現(xiàn)力下降，免疫系統(tǒng)功能削弱，并增加慢性疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)。

2021年，國內(nèi)柔靈科技公司開發(fā)了一款應(yīng)用于精準(zhǔn)睡眠監(jiān)測的柔性腦電睡眠貼片。通過額部貼片來監(jiān)測、收集海量腦電信號數(shù)據(jù)并存儲于云端，再通過多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和AI分析算法，精準(zhǔn)測算人體各睡眠周期、時(shí)長、效率、深睡與快速眼動比例等具有醫(yī)學(xué)價(jià)值的睡眠指標(biāo)。2023年，該公司發(fā)布了一款適合消費(fèi)場景使用的單通道小型化腦電監(jiān)測設(shè)備Airdream，形似一枚硬幣，質(zhì)量僅4 g，如圖10所示。除通過腦電信號監(jiān)測睡眠質(zhì)量外，其搭載了家用睡眠腦電管理系統(tǒng)，通過腦電引導(dǎo)的周期性噪聲刺激方式來增強(qiáng)慢波睡眠，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)睡眠干預(yù)。

未來，通過貼片持續(xù)監(jiān)測腦電信號，依據(jù)用戶睡眠狀況可以個性化調(diào)整影響睡眠狀態(tài)的溫度、光線、聲音、氣味等室內(nèi)環(huán)境因子。對包括床墊、窗簾、燈光、音樂、空調(diào)、枕頭、香薰等在內(nèi)的智能家居設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，從視覺、聽覺、嗅覺等調(diào)整用戶睡眠環(huán)境，輔助用戶減壓、放松，快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)，適用于個人家居、酒店賓館等睡眠場景。

消費(fèi)領(lǐng)域的另一個巨大市場是頭戴式顯示設(shè)備，但如何進(jìn)行更自然的人機(jī)交互依然是一個不小的挑戰(zhàn)，目前尚處于從手柄這樣的物理控制器轉(zhuǎn)向手部和眼部追蹤。結(jié)合非植入式腦電信號采集技術(shù)，有望解放手和眼，靠意念就能控制一切，應(yīng)用范圍從游戲到醫(yī)療保健。

美國OpenBCI公司是一家致力于開發(fā)無創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)以及硬件設(shè)備的公司。最初于2020年底宣布了Galea設(shè)備，這是一個硬件和軟件平臺，旨在將其腦機(jī)接口技術(shù)與XR頭顯相結(jié)合，并已于2023年上市銷售，售價(jià)為2.5萬美元/套。Galea頭戴設(shè)備能夠附接到AR和VR頭顯，并通過生物傳感器來監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，如圖11所示。其中，它搭載了諸如腦電圖、眼電圖、肌電圖、皮膚電活動和光容積描記等一系列不同的傳感器，可用于測量來自大腦、眼睛、心臟、皮膚和肌肉的數(shù)據(jù)。

設(shè)備中所增加的傳感器陣列帶來了更多的交互可能性。Galea支持開發(fā)人員、研究人員測量包括幸福感、焦慮、抑郁、注意力持續(xù)時(shí)間及興趣水平在內(nèi)的“人類情感與面部表情”，并采用相關(guān)數(shù)據(jù)來為個人量身定制更具沉浸感的內(nèi)容。同時(shí)，設(shè)備還包括了一個軟件開發(fā)工具包，以便研究人員將研究對象的生物特征數(shù)據(jù)流引入“通用開發(fā)環(huán)境”。通過多模態(tài)傳感器系統(tǒng)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，所形成的人類意識整合的頭戴式計(jì)算機(jī)，未來將推動下一個重要技術(shù)范式的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)束語

腦信號由數(shù)十億個神經(jīng)元之間的電活動產(chǎn)生，是人體內(nèi)最復(fù)雜的信號，腦信號采集對于理解大腦功能、診斷治療腦疾病等具有重要意義。本文首先闡述了四種腦機(jī)接口關(guān)鍵硬件技術(shù)路線，以國內(nèi)外最新產(chǎn)品和科研成果為例，分析了非植入式和植入式腦電信號采集的具體技術(shù)現(xiàn)狀；之后舉例說明了腦機(jī)接口硬件技術(shù)在醫(yī)療和消費(fèi)兩大關(guān)鍵領(lǐng)域的最新應(yīng)用場景。

無創(chuàng)腦電硬件設(shè)備由于具有簡單、操作方便安全、受眾廣等特點(diǎn)，正逐漸向著無線化、便攜化、舒適化、高密度等方向發(fā)展，具有成為消費(fèi)級腦機(jī)接口的市場潛力。微創(chuàng)腦電硬件設(shè)備包括皮層腦電采集和血管介入式腦電采集，分別以美國NeuroPace公司RNS系統(tǒng)和澳大利亞Synchron公司的Stentrode設(shè)備為例介紹了各自技術(shù)特色。淺腦有創(chuàng)腦電硬件設(shè)備主要用來解碼皮層以內(nèi)毫米級深度的腦電信號，重點(diǎn)介紹了美國FDA唯一批準(zhǔn)用于臨床的植入式電極陣列——猶他電極陣列，以及近年來剛出現(xiàn)的美國Neuralink公司開發(fā)的柔性微電極“線”陣列。深腦有創(chuàng)腦電硬件設(shè)備方面重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外幾款具有LFP腦電采集功能、用于帕金森癥等疾病治療的閉環(huán)DBS設(shè)備，以及用于癲癇病灶定位的sEEG深部電極設(shè)備。

在醫(yī)療領(lǐng)域，腦機(jī)接口主要面向癲癇、帕金森、癱瘓、漸凍癥等患者。首先介紹了美敦力公司最新的智能可感知腦起搏器Percept PC設(shè)備在國內(nèi)外應(yīng)用于閉環(huán)DBS手術(shù)治療重度帕金森患者，加以智能算法分析，能夠?yàn)榛颊咛峁└觽€體化的精準(zhǔn)治療，大幅提高治療效果。其次介紹了猶他電極陣列近年來基于肌肉刺激、觸覺喚醒、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，幫助運(yùn)動和語言障礙患者僅依靠該類設(shè)備即可在一定程度上恢復(fù)功能，通過訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)同時(shí)腦控兩只機(jī)械臂精細(xì)協(xié)同動作，或以超過99% 的準(zhǔn)確率實(shí)現(xiàn)每分鐘打字90個字符。

在消費(fèi)領(lǐng)域，腦機(jī)接口相關(guān)商業(yè)公司的各類產(chǎn)品蓬勃發(fā)展，應(yīng)用場景層出不窮。首先介紹了睡眠改善這一消費(fèi)級應(yīng)用，以國內(nèi)柔靈科技公司推出的用于精準(zhǔn)睡眠監(jiān)測的柔性腦電睡眠貼片為例，不僅設(shè)備自身具有閉環(huán)睡眠干預(yù)功能，同時(shí)未來結(jié)合智能家居可以調(diào)節(jié)用戶睡眠環(huán)境，有效解決睡眠障礙問題。其次介紹了混合現(xiàn)實(shí)意念控制這一消費(fèi)級應(yīng)用，將包括腦電信號采集技術(shù)在內(nèi)的多模態(tài)傳感器與頭戴式顯示設(shè)備結(jié)合，解放用戶的雙手和眼睛，實(shí)現(xiàn)依靠意念控制一切，并能夠評估人類情感和面部表情，未來將給用戶帶來前所未有的沉浸感和更加自然的人機(jī)交互體驗(yàn)。

未來應(yīng)用展望方面，第一，腦機(jī)接口硬件技術(shù)將從單一電生理采集，走向電、光、磁、聲等多模態(tài)聯(lián)合應(yīng)用，例如EEG和近紅外同步監(jiān)測腦功能變化可以更加全面評估腦部功能變化；第二，面向睡眠障礙、抑郁焦慮等腦功能健康狀態(tài)監(jiān)測和干預(yù)需求，腦機(jī)接口需要為助力實(shí)現(xiàn)更加個性化、精準(zhǔn)化、情感化的大規(guī)模人群普惠應(yīng)用做好準(zhǔn)備，未來有望發(fā)展為基于大數(shù)據(jù)和算法驅(qū)動的智能數(shù)字療法；第三，面向運(yùn)動語言失能患者，微創(chuàng)腦機(jī)接口設(shè)備將更容易被患者接受，為實(shí)現(xiàn)腦控鍵盤、鼠標(biāo)等人機(jī)交互和控制需求提供更加安全可靠的技術(shù)保障；第四，面向神經(jīng)疾病患者生活質(zhì)量改善的需求，伴隨我國老齡化進(jìn)程加速，以閉環(huán)DBS設(shè)備為代表的數(shù)字療法將更加智能化、自適應(yīng)，提高自主程控水平，減少患者就醫(yī)頻率，釋放日趨緊張的醫(yī)療資源。

經(jīng)過數(shù)十年的科學(xué)探索與技術(shù)迭代，腦機(jī)接口已從科幻走向現(xiàn)實(shí)，目前正處于應(yīng)用落地的關(guān)鍵時(shí)期。根據(jù)腦機(jī)接口的發(fā)展現(xiàn)狀，在硬件層面，神經(jīng)科學(xué)、材料、傳感器、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)將進(jìn)一步深入融合，腦電采集硬件設(shè)備未來將在智能化、可靠性、精確度等方面取得進(jìn)一步突破；在應(yīng)用層面，醫(yī)療級腦機(jī)接口將繼續(xù)面向漸凍癥、癲癇、帕金森、抑郁癥等神經(jīng)疾病患者，通過更加安全的設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能恢復(fù)進(jìn)而改善生活質(zhì)量，而消費(fèi)級腦機(jī)接口將繼續(xù)挖掘市場核心需求，提高商業(yè)化水平，加速落地進(jìn)入千家萬戶?？傊?，腦機(jī)接口行業(yè)市場潛在規(guī)模大、增速快，應(yīng)用場景廣闊、發(fā)展空間大，將為人們的生命健康、日常生活帶來顛覆性變化。

審核編輯：黃飛