【优先发布】全球医疗领域脑机接口技术专利分析及启示

本研究使用PatSnap（智慧芽）的全球专利数据库分析平台对相关专利数据进行计量分析。检索的专利申请年份限定为2003—2023年，共检索出16044项专利（检索时间为2024年3月21日），纳入本研究的专利数据属性包括专利类型（包括发明申请、授权发明、实用新型、外观设计）、简单法律状态（包括有效、失效、审中、PCT指定期满、PCT指定期内、未确认）、申请国家/地区、申请时间、IPC主分类号。

检索式为MAINF_ALL:("脑机接口" OR "脑-机接口" OR "脑活动调控" OR "神经界面" OR "神经信号解码" OR "神经电极" OR "brain computer interface" OR "brain machine interface" OR "brain-machine interface" OR "brain-computer interface" OR "neural electrode" OR "Brain activity regulation" OR "neural interface" OR "neural signal decoding" OR (("电极植入" OR "Electrode implantation") AND ("颅" OR "脑" OR "头" OR "cranium" OR "brain" OR "head"))) AND TA_ALL:(医疗 OR 治疗 OR 药物 OR 诊断 OR 健康 OR 疾病 OR 卫生 OR Medical OR therapeutic OR pharmaceutical OR diagnostic OR health OR disease OR hygiene) AND APD:[20030101 TO 20231231] AND IPC:(A61B OR A61D OR A61G OR A61H OR A61M OR A61J OR A61N OR A61P OR G06 OR G16 OR G01 OR H04 OR G05 OR A63 OR B25 OR B82 OR H05 OR B01 OR G08 OR F16 OR B81 OR G03 OR G11 OR B06 OR H10)。运用PatSnap（智慧芽）全球专利数据库分析平台中的自定义分析功能和Excel软件对申请的专利进行申请趋势、申请人所在区域、技术领域（包括IPC分类技术主题、应用领域）与主要申请人可视化分析。

从专利技术的发展过程分析，脑机接口技术在医疗领域的发展可以分为三种状态，分别是初步发展，技术调整与稳定发展阶段（图1）。

第一阶段：初步发展（2006年以前）。1970年美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）开启脑机接口研究，但是当时社会对脑的认知程度不够深入，脑机接口技术不够成熟。在该阶段脑机接口技术的主要技术形式体现在对内部电极和有机活性成分的研究，主要是通过电极对神经系统进行刺激或记录信号。随着脑电波检测技术取得重大突破，脑机接口技术2005年才正式进入临床试验阶段。例如通过磁神经刺激（Magnetic Neurostimulation，MNS）技术包括基于诊断将磁场施加到患者大脑的预选突触区域，以可植入医疗装置监测大脑的生理反应。在图1中2004年以前每年专利申请量不足600件，2006年DARPA启动“革命性假肢”计划，相继推出“LUKE手臂”和“MPL智能假肢”，脑机接口技术在医疗领域得到逐步发展。

第二阶段：技术调整（2006—2012年）。在该阶段脑机接口技术的主要技术形式体现在对生物电信号的测量，对植入刺激器的研究相对上阶段减少了。硬膜下信号（Electrocorticography，ECoG）是用放置在软脑膜顶部的电极记录的场电位，2009年，ECoG高伽马波段已被发现包含关于到达的大量信息。2011年，Berger的研究小组已经证明，接受输入并刺激CA 1的海马体脑机接口（Brain-Machine Interface，BMI）可以恢复诱导记忆缺陷的大鼠的记忆。2008年专利申请量由2007年的737件下降至542件，2009年专利申请量短暂回升，直至2012年专利申请量出现波动变化的情况。由此可知在该阶段脑机接口研发人员探索脑机接口在医疗领域的技术发展时可能遇到难点，需要进行针对性的技术调整，科学家希望通过解码人体生物电信号，从而试图识别人的脑部信息和思维信息。

第三阶段：稳定发展（2012年至今）。2012年开始脑机接口在医疗领域的专利申请量总体呈现波动增长的态势。2013年欧盟委员提出10年的“人类脑计划”，通过大脑研究和相关技术开发揭示大脑奥秘引起科学界的关注，其中有26个国家，135个合作机构参与，脑机接口技术研究开始出现显著进展；同年，脑电特征提取算法：共空间模式（Common Spatial Pattern，CSP）已被用于控制猴子的在线BMI；2014年全身瘫痪青年诺平托借助“脑机接口”成功为巴西世界杯开球，大量学者关注脑机接口在医疗领域的应用，专利申请量达到一个小峰值，由此可知2013—2014年技术发展处于热潮时期。2015—2018年专利申请量虽然减少，但是仍然呈现增长的趋势。2015年，上海市发布《全球有影响力科技创新中心建设二十二条》，将脑科学与人工智能列为重点领域。在2016年中国“十三五”规划纲要将“脑科学与类脑研究”确定为我国重大科技创新项目，中国脑计划（脑科学与类脑科学）研究正式启动；同年韩国政府发布《脑科学发展战略》，确立了至2023年发展成为脑科学研究新兴强国的宏大目标。2019年专利申请量从964件大幅增到1138件，达到新高度，这表明多地区政策的支持使得国内脑机接口产业显露出稳定发展的趋势，进一步推动脑机接口技术在医疗领域的研究与创新。在该阶段脑机接口技术的主要技术形式开始出现在对医疗设备、医疗自动化诊断、心理学装置的研究上。早期开发的脑机接口（如基于P300和视觉诱发电位的脑机接口）的性能得到了明显提高，并进行了初步的临床试验，已证明这些系统在辅助肌萎缩侧索硬化症、脑卒中以及脊髓损伤患者与外界进行沟通中具有积极作用，Youssef Ezzyat等使用多个颞叶位置的刺激来改善手术前接受侵入性监测的癫痫受试者的记忆表现。

分析结果表明，全球脑机接口技术在医疗领域的专利申请呈波动增长态势，脑机接口在医疗领域的创新热点主要集中在A61N1/36（刺激用，例如心脏起搏器）、A61N1/05（植入或插入躯体内用的，例如心脏电极）、A61B5/00（用于诊断目的的测量）等技术分支，应用方向可以分成针对心脏起搏和神经刺激等医疗设备的技术方案和装置，用于生物信号检测、医疗诊断、数据处理算法实现医疗图像分析和远程监护的技术方法，涉及基因治疗、蛋白质递送等生物医学领域的创新技术，采用非侵入性、非药物性的治疗来恢复身体原有的生理功能的方法等四类。

1）从专利申请态势来看，美国的专利申请量占据全球的50%以上。美国发展态势与全球发展态势基本相似，呈波动增长的态势。脑机接口涉及高精度的植入技术和电子设备，其长期安全性和可靠性至关重要，技术故障或设备失效可能对用户健康构成威胁。同时，可以感知人类大脑的智能仿生手、智能假腿等高密度传感器只限于科技应用层面，以Brainco智能仿生手为例，其研发投入动辄是亿元级的，大部分假肢需求者不具备工作能力和消费能力，巨大的资源不对称限制了脑机接口产业的发展。综上所述，伦理与安全、高额研发成本给美国的脑机接口专利增长态势带来一定的波动影响。

2）从专利IPC分类号和专利技术的应用方向来看，当前，侵入式的脑机接口技术是脑机接口技术在医疗领域的主要发展方向，可以直接植入大脑或神经系统内部，能够更准确、稳定地获取神经信号，从而实现更精细的控制和交互，但由于手术风险、设备稳定性和长期使用的限制，其在临床实践中仍然面临挑战。核心技术布局涵盖了神经刺激、生物信号检测、医疗诊断与数据处理、远程监护、蛋白质递送和物理疗法等多个方面。

早期对脑机接口的技术更多关注神经系统的电刺激技术攻关，如内部电极研发使用生物兼容性材料制作植入式脑机接口和电极，从而减少对脑组织的损伤和刺激；伴随着神经科学、大数据和人工智能等技术的进步，开始将脑电信号的收集与处理和计算机辅助程序相结合，构建可用于代替药物的康复、诊断、治疗等多领域的脑机接口医疗设备。如，上海交通大学基于情感脑机接口的神经反馈训练中，通过多模态情感脑机接口和脑深部电刺激方法治疗难治性抑郁症，改变传统药物治疗中由于药物分布在全身、很难集中到脑内的现状难题。还有可遥测患者监护的医护设备，脑机智能研究中心主任李远清教授团队利用脑机接口技术打造AI智慧病房，让需要24小时陪护的肢体障碍患者通过多模态脑机头环控制自己的起身、翻转、呼叫以及房间内的各类智慧家居，从而分担家人的照护压力。基于脑机接口技术的医疗设备既能提高诊断效率，为患者提供更精准的治疗，又能改善患者疾病预后，为患者带来更好的康复结果和生活质量。

3）从专利申请人分布的机构类型来看，公司（企业）是脑机接口在医疗领域技术专利开发的主力军。从专利意义出发，企业需要用专利来保护自己的技术，构建技术壁垒，从而使利润空间扩大；高等院校以非营利为目的，不考虑利润，不存在产品及产品市场的竞争，并且专利只是高校众多知识产权中的一部分，占比不高。综上所述，对于高校而言专利申请驱动因素不强，企业比高校更需要进行专利申请，开发专利对企业的应用价值更大。另外，医疗技术及相关技术和生物制药推动脑机接口技术创新和优化升级，但是，进行脑机接口技术研发的同时需要大量的资金支持，因此在申请人中基金会和投资公司占有一部分比例。从专利的应用领域和技术领域出发，排名前三的专利申请人都是公司（企业），根据他们的业务领域与核心技术分析可知，他们致力于对植入式医学装置的研发，在技术方面专攻于对电信号采集与处理和神经刺激，通过脑机接口技术检测大脑的活动状态，神经刺激促进受损神经的活动。随着基于迷走神经刺激（Vagus Nerve Stimulation，VNS）、DBS和反应性神经刺激（Responsive Neurostimulation，RNS）等技术的有创新价值的器械逐步发展，人们对神经调节技术的关注也越来越多，不同企业的往往具备不同的核心技术，因此企业可能会展开激烈竞争，争夺技术领先地位和市场份额。