脑机接口作为新质生产力和未来产业发展方向,当前在政策鼓励下正迎来产业发展机遇,国内外应用正加速落地。侵入式BCI方面,Neuralink公司于今年1月份完成首例人体植入;Axoft公司计划开发至少集成上百万个电极的脑机接口,已获得FDA突破性设备认定。非侵入式BCI方面,多项研究表明脑机接口康复训练对卒中患者的康复效果优于常规方法,上市公司开始积极布局脑机接口康复器械,产业发展有望加速。情感脑机接口方面,上海交大、天津大学对抑郁症的评估和诊断,瑞金医院对难治性抑郁症的神经调控均取得成果。
沿着以上产业发展态势,我们对脑机接口行业进行具体分析梳理。当前脑机接口行业概况如何?呈现怎样的市场发展现状?其技术路径对应哪些具体的落地场景?及在软硬件技术方面,有哪些迭代?脑机接口怎样与当下市场火热的机器人行业融合发展?以及在上述问题基础上,我们还将会对产业链情况、相关企业布局情况、后续的发展趋势进行展望,以帮助大家加深对相关方面知识的了解,更好地作用于行业发展。01
行业概况
1、脑机接口:大脑与外部的直接通信
脑机接口(BCI-Brain-MachineInterface)的定义:指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接实现脑与设备的信息交换,其工作流程包括脑电信号的采集和获取、信号处理、信号的输出和执行,最终再将信号反馈给大脑。脑机接口技术是一项革命性的人机交互技术,它直接连接大脑与外部设备,绕过传统神经肌肉路径。由于大脑和意识的物理本质是电活动,通过利用大脑的电活动,该技术捕捉脑信号并转化为电信号,以实现信息传递和控制。脑机接口系统主要由用户(大脑)、脑信号采集、脑信号处理与解码、控制接口、机器人等外设和神经反馈构成。2、脑机接口属于新质生产力和未来产业发展方向,政策鼓励脑机接口产业脑机接口是新质生产力和未来产业发展方向。总书记2023年9月在黑龙江考察时指出“积极培育未来产业,加快形成新质生产力,增强发展新动能”。中央经济工作会议指出“要以科技创新推动产业创新,特别是以颠覆性技术和前沿技术催生新产业、新模式、新动能,发展新质生产力”。当前,新一轮科技革命和产业变革加速演进,重大前沿技术、颠覆性技术持续涌现,科技创新和产业发展融合不断加深,催生出元宇宙、人形机器人、脑机接口、量子信息等新产业发展方向,大力培育未来产业已成为引领科技进步、带动产业升级、开辟新赛道、塑造新质生产力的战略选择。北京、上海、天津、湖北等多地陆续出台培育未来产业的政策文件,鼓励脑机接口产业发展。2024年4月,北京出台《加快北京市脑机接口产业发展行动方案(2024-2030)(征求意见稿)》,是首个省级层面脑机接口专项产业政策文件。医保支持脑机接口:2021年9月,为促进医疗新技术的推广应用,进一步减轻患者就医负担,山东医保局新增医疗服务项目“脑机交互康复训练”并纳入医保基金支付范围。2024年4月,《加快北京市脑机接口产业发展行动方案(2024—2030)(征求意见稿)》亦提出“鼓励脑疾病的功能评估、功能康复、功能替代等医疗器械纳入医疗保险和收费目录”。脑机接口技术的研究可以追溯到二十世纪七十年代,近五十年的发展经历了三个阶段,分别是科学幻想阶段、科学论证阶段和技术爆发阶段。目前,脑机接口技术正在第三个阶段中蓬勃发展。第一个阶段为1970-1980的科学幻想阶段。1977年,JacquesJ.Vidal开发了基于视觉事件相关电位的脑机接口系统,通过注视同一视觉刺激的不同位置实现了对4种控制指令的选择;1980年,德国学者提出了基于皮层慢电位的脑机接口系统。然而,由于技术限制,第一阶段的研究并没有取得明显的进展。第二阶段为1980年代末至1990年代末的科学论证阶段。美国和欧洲的少数先驱们研发了首个实时且可行的脑机接口系统,并开拓了脑机接口领域。1988年,L.A.Farwell和E.Donchin提出了著名的脑机接口范式,即“P300拼写器”,该系统有望帮助严重瘫痪患者与环境进行通信和交互。脑机接口研究的主要驱动力是期望将其用作运动障碍患者的新型辅助技术,特别是对于那些可能无法使用其他替代方案的患者。同年,Stevo Bozinovski等人报道了利用脑电α波控制移动机器人,这是首个利用脑电进行机器人控制的研究在这个时期,研究者们还开发了基于感觉运动节律的脑机接口系统,其中根据操作性条件作用开发了用于控制一维光标的脑机接口,利用该方法训练用户自我调节其感觉运动节律的幅度,以实现向上或向下移动小球。同时,Gert Pfurtscheller等人开发了另一种基于感觉运动节律的脑机接口,用户必须明确地想象左手或右手运动,并可以通过机器学习将其转换为计算机命令,这定义了基于运动想象的脑机接口。1992年,ErichE.Sutter提出了一种高效的基于视觉诱发电位的脑机接口系统,利用从视觉皮层采集的视觉诱发电位识别用户眼睛的注视方向来确定选择拼写器中哪个符号。除了一些著名的研究外,还有一些其他的研究也受到了关注。比如,基于事件相关电位和稳态视觉诱发电位的脑机接口系统,可以让用户通过选择意图指令或控制物理设备。此外,1999年的国际脑机接口会议促进了欧美学者对非侵入式脑机接口研究的深入探索,为后续的脑机接口研究打下了坚实的基础。第三阶段为21世纪以来的技术爆发阶段。脑机接口研究的规模和范围急剧扩大,吸引了越来越多的研究人员参与。新型的脑机接口实验范式相继涌现,如听觉脑机接口、言语脑机接口、情感脑机接口以及混合脑机接口。先进的脑电信号处理和机器学习算法也被广泛应用于脑机接口研究,如共空间模式算法和xDAWN算法等。此外,新型的脑信号获取技术也得到了广泛应用,如功能磁共振成像测量的血氧水平依赖信号和功能近红外光谱测量的皮层组织血红蛋白浓度。02
市场现状
1、美国、欧盟、日本均有所布局,美国全球领先
(1)美国、欧盟、日本均在战略层面对脑机接口进行布局2013年以来,美国、欧盟、日本均在战略层面对脑机接口进行布局,带动了产业发展。美国启动“大脑研究计划”,欧盟发起“人类脑计划”,日本制定Brain/MINDS计划(Brain Mapping by Integrated Neuro technologies for Disease Studies)。以2013年为分水岭,此后全球新增脑机接口数量快速上升,直至2018年之后放缓。截至2023年1季度,全球脑机接口代表性企业数量超过500家。据Data Bridge Market Research统计,截止2022年底,全球脑机接口代表企业融资累计超过17.4亿美元,其中美国占全部总投融资额的50%,中国占比接近30%。投融资活动主要集中在早期风险投资(天使轮、种子轮、A轮),马斯克旗下的Neuralink等明星企业受资本的关注度较高。美国在脑机接口的理论、方法和实践方面处于全球领先地位,大部分侵入式脑机接口研究集中在美国,神经界面技术不断创新并取得成果,如外周神经电极、三维电极、柔性电极、环形电极和光遗传技术的应用。相比之下,欧盟和欧洲国家更注重神经疾病研究,主要聚焦于非侵入式脑机接口,而日本则侧重非侵入式脑机接口,并推动脑机接口与机器人系统的集成。(2)Neuralink获FDA“突破性设备”认定,产品上市提速Blindsight进入审查快车道:2024年9月,埃隆·马斯克旗下的脑机接口公司Neuralink宣布,其实验性大脑植入设备“盲视”(Blindsight)已获得美国FDA的“突破性设备”认定。FDA的“突破性设备”认定是FDA2015年启动的一种“绿色通道”机制。获得这一认定后,“盲视”设备将享受FDA提供的优先审查权,从而加速其研发和上市进程。根据2024年4月马斯克公开发布的信息,该植入设备已经在猴子身上起效。Neuralink已经在两位患者身上植入了该设备。“盲视”Blindsight旨在帮助患者恢复视力。马斯克曾在社交平台上表示,这种设备“将使那些失去双眼和视神经的人恢复视觉”,并且如果视觉皮层完好无损,它甚至可以让那些从出生就失明的人重见光明。国内相关上市公司顺应产业趋势,积极布局无创BCI康复设备、侵入式BCI、介入式BCI、脑电大模型等方向,探索脑机接口在卒中康复、神经调控、睡眠健康、专注培优、智能家居互动等领域的落地应用。(2)我国脑机接口处于创新突破关键期,部分领域处于国际领先水平科研方面,2023年10月,首都医科大学宣武医院赵国光教授团队、清华大学医学院洪波教授团队,共同完成了无线微创植入脑机接口NEO(Neural Electronic Opportunity)首例临床植入试验,将两枚硬币大小的脑机接口处理器植入高位截瘫患者颅骨中,成功采集感觉运动脑区颅内神经信号。该临床试验让一位因车祸造成脊髓损伤、四肢瘫痪长达14年的患者在术后进行3个月的康复训练后,通过脑电活动控制气动手套,完成了自主喝水等日常活动,其抓握准确率超过90%。本项目在无线微创方面实现了两大突破,一方面通过植入脑机接口NEO,将内机埋在颅骨内,电极覆盖在硬膜外,在保证颅内信号质量的同时,不破坏神经组织;另一方面它采用了近场无线供电和传输信号,植入颅骨的体内机无需电池。产业方面,2024年3月,高德红外股份有限公司董事长黄立介绍称,他带领衷华脑机接口公司团队成功研发65000通道双向的脑机接口芯片,居于国际领先水平。2024年4月,北京脑科学与类脑研究所联合北京芯智达神经技术有限公司,成功构建“北脑二号”高性能侵入式智能脑机系统。北脑二号在国际上首次实现猕猴对二维运动光标的灵巧脑控。其自主研发的高通量柔性微丝电极、大通道数高速神经电信号采集设备,能有效支撑高效运动想象神经编解码的开发,电极性能参数世界领先。03
技术路径
按照采集模式来分,通常将脑机接口技术分为侵入式和非侵入式两类,部分论文中还存在半侵入式的技术路径。
三种脑机接口技术各有特点和适用场景,最大区别在于信噪比和安全性之间的取舍。目前非侵入式仍是主流,不过侵入式相关研究也在持续加速。非侵入式和半侵入式技术因其较低的风险和较高的便利性而受到重视,而侵入式技术则因其高精度的信号获取能力在特定领域显示出其独特的优势。在市场准入方面,非侵入式相较于侵入式,其法规限制及监管审批过程较为简化;作为医疗器械类产品,侵入式的监管门槛较高、审批周期较长,导致从研发至市场化的时间框架显著延长。非侵入式脑机接口因其便利性、安全性和较低成本而被广泛应用,这些优势为其在未来一段时间内主导消费级脑机接口技术发展奠定了基础。非侵入式脑机接口方面,中国处于领先地位。尤其是天津大学、西安交大、中科院、天坛医院等知名科研机构。天津大学脑机接口团队已构建了从芯片、电极、算法到系统的国产全链条非侵入式脑机信息交互技术体系,在脑电识别精度、控制指令数量和信息传输率三项核心指标达到国际最高水平;在半侵入式设备上,中国与美国处于并列地位。在侵入式这块国外Neuralink、Synchron等公司处于领先地位,中国仍落后5年左右。2020年,Synchron实现了首例人体植入,于2021年7月获得美国FDA初步人体试验的授权,已在六名患者中植入了其设备,且受试者没有出现严重的不良副作用;2024年1月,Neuralink完成第一项侵入式脑机接口人体手术实验,受试者恢复良好;这类脑机无需植入任何设备,只需将传感器放置于头皮表面即可测量大脑活动状况。这是目前最为主流的脑机接口形式,安全性能最高,对人体基本无创伤。非侵入式脑机接口目前适用于消费娱乐、残疾人士交互等场景,脑机接口不进入大脑,只需要用电极连接头皮来获取信号,对人体伤害较小,技术难度较低,如使用脑电帽采集脑电信号;但由于颅骨对神经信号的衰减作用和对神经元发出的电场活动的分散和模糊效应,使得信号分辨率不高。脑电图(EEG)是一种非侵入性的脑机接口技术,通过放置电极在头皮上记录脑内神经元的电活动。这些电极探测到的电信号经过放大、滤波和数字化后用于分析和解释脑机接口系统。脑电信号是由皮层内大量神经元突触后点位(包括兴奋性突出后电位和抑制性突触后电位两种)总和所形成的,是许多神经元共同活动的结果。按BCI使用的脑电信号类型分类,可分为自发脑电和诱发脑电。自发脑电是指在无明显刺激的情况下,大脑皮层经常性自发产生节律性点位变化;诱发脑电是指在给予特定刺激时诱发引起的脑电位变化,这种诱发产生的脑电反应通常称为事件相关电位(ERP)。从频率分段来看,脑电图记录的四种简单周期波为α波(8~13Hz)、β波(14~30Hz)、δ波(0.5~3Hz)和θ波(4~7Hz)等几个频率段。基于EEG信号的BCI系统可以分为基于单一模式的BCI系统以及基于混合模式的BCI系统,其中基于单一模式的BCI系统主要包括:基于慢皮层电位(Slow cortical potential,SCP)的BCI系统、基于运动想象(Motor Image,MI)的BCI系统、基于事件相关电位(Event relate potential,ERP)P300的BCI系统以及基于稳态视觉诱发电位(Steady-state visual evoked potential,SSVEP)的BCI系统。目前来看,基于EEG的脑机接口技术还存在较多的技术困难有待攻克,但其发展前景仍然十分广阔。在技术层面上,除了不断提升EEG采集技术和研究改进高复杂度的算法外,基于EEG的混合脑机接口(hybrid,hBCI)是当前学者们寻求技术突破的一个主要研究方向,包括基于多种范式的hBCI、基于多种感官刺激的hBCI、基于多种信号的hBCI等方向,该种方法在当前技术下可以有效提高BCI系统的分类准确率和ITR,尤其在系统性能和灵活性上具有显著优势,也能更加灵活的应用于更多的商业场景。半侵入式脑机接口,也称微创脑机接口,即基于皮层表面记录的脑机接口。半侵入式脑机将脑机接口植入到颅腔内,但是在大脑皮层之外,主要基于皮层脑电图(ECoG)进行信息分析。这种技术通过开颅手术将电极放置到大脑表面,借助植入的电极对神经元活动进行观测和干预。一般采用柔性较大的电极材质,避免对大脑的正常活动产生更多的干扰。相比于侵入式技术和非侵入式技术,半侵入式技术是一个折中:一方面,相比于非侵入性技术,它可以避免颅骨带来的干扰,因而在性能上更佳;另一方面,它也能比侵入性技术对大脑造成更小的损伤。2019年法国格勒诺布尔大学Alim Louis Benabid教授团队为四肢瘫痪患者设计了神经假体,并首次通过2名患者进行了临床应用。第一名受试者在皮肤闭合时,植入物被探测到,很快被激活并停止了通讯,而该技术问题在第二个病人植入前被识别和纠正。第二个病人脊髓C4-C5损伤后四肢瘫痪,研究人员将两个双侧无线硬膜外记录仪植入其大脑的上肢感觉运动区域,硬膜外脑电图信号通过自适应解码算法在线处理,再将命令发送到效应器(虚拟化身或外骨骼)。结果表明,自2017年6月至2019年7月两年间,这名受试者通过在家中使用虚拟化身(成功率64%),或在实验室使用外骨骼(成功率70.9%),控制了一个运动程序,该程序可以模拟步行并在各种伸手触摸任务和手腕旋转过程中以八个自由度进行双手、多关节的上肢运动。这表明完整的脑机接口系统可以使用连续的在线硬膜外脑电图(ECoG)解码四肢瘫痪患者的大脑活动,以长期(24个月)激活四肢神经假体外骨骼。患者可以通过大脑的控制能够执行各种运动任务,随着患者使用假体时间的延长,外骨骼活动性增强。半侵入式脑机接口技术较为成熟,具备一定临床应用优势。半侵入式脑机接口将电极植入颅腔而非脑内部位,主要借助皮层脑电图进行脑信号记录。这种方式相比侵入式手术风险较低、创伤较小,但仍需一定程度的开颅手术;与非侵入式相比,其获取的神经信号更为清晰精准,空间分辨率和识别准确性也更高,因此市场关注度也较高。侵入式脑机接口,也称植入型脑机接口,需要借助一定形式的外科手术来实现,其过程为移除一部分颅骨,在大脑中植入电极或植入物,再将移除的颅骨部分放回原处。这种方法所获得的大脑信号效果最好,因为头戴式脑电图(EEG)脑电波损失最大,因为经过了颅骨和软组织的阻挡。ECoG信号强度有所提升,但是ECoG接收的大多数是全脑汇集的零散电信号的总和电流,因为神经传导的方向是从皮层往下传递神经电位,最后达到目标部位,因此如果要测量靶标部分的脑电信号的话就显得不够准确,挖出特征性的脑电波的难度堪比大海捞针。因此MEA和深部电极这种侵入式脑电采集才能采集到真正有用的脑电信号。但是即使是侵入式脑机接口,目前来讲,或许离真正完整并准确地解析脑电信息还有一段距离。目前侵入式脑机接口技术主要应用于医疗健康领域。比如2020年底,上海瑞金医院成立“脑机接口治疗难治性抑郁症”的临床研究小组,通过脑机接口手术在患者大脑两侧分别钻开一个小口,将两根直径大约两毫米、各带有8个触点的电极插进深脑区的指定核团,并在胸前埋入起搏器负责供电。电极放电后,会对周边几毫米内的区域进行不同频率和强度刺激。电流刺激神经,抑郁症状随之消失。23年4月,上海瑞金医院发布临床研究成果:运用脑机接口技术对神经进行调控,患者术后抑郁症状平均改善超过60%。不过侵入式脑机接口虽然能深入采集神经信号,然而其属于有创伤植入,技术难度大,可能出现继发感染、排异风险,会对人体造成严重影响,提升材料生物相容性是侵入式技术进步的关键。首先,侵入式BCI的植入过程本身就是一种创伤。手术植入电极需要穿透皮肤和颅骨,这可能导致疼痛、出血和感染。手术过程中的任何微小差错都可能对患者造成长期甚至永久的伤害;其次,侵入式BCI存在继发感染的风险。植入物可能成为细菌和其他病原体的滋生地,导致感染。一旦发生感染,治疗过程可能非常复杂;排异反应是侵入式BCI另一个主要的担忧。人体免疫系统可能会将植入的电极视为外来物质,引发免疫反应,导致炎症和组织损伤。长期的免疫反应可能导致植入物周围形成纤维包囊,影响电极的功能并增加移除难度;除了上述健康风险,侵入式BCI的技术难度也相当大。电极的设计需要兼顾信号采集的精确性和长期稳定性。电极材料必须具备良好的电导性、生物相容性和机械稳定性。此外,电极的植入位置、深度和方向都需要精确控制,以确保能够有效地监测到目标神经元的活动。提升材料的生物相容性成为侵入式脑机接口技术进步的关键。生物相容性是指材料与生物组织接触时,不引起或最大程度减少不良反应的能力。高生物相容性的材料可以减少免疫反应和炎症,降低感染风险,并有助于长期稳定地与大脑组织共存。目前,研究者们正在探索各种新型材料和表面处理技术,以提高电极的生物相容性。例如,使用生物可降解材料可以减少长期的异物反应;纳米技术的应用可以改善电极与神经组织的整合;特殊的表面涂层可以提供抗菌和抗炎的效果。理想的神经记录技术用于映射单个神经元和神经回路活动的“理想”探针可能还需要几十年才能实现,但是近乎理想的探针需要包含以下特征:大规模高分辨率记录:高计数密集电极阵列以高度灵活地访问大量神经元对于准确绘制大脑图至关重要。3D空间覆盖:可以监测具有3D不规则形状的大脑结构的不同深度和跨度的神经元,例如海马的角形结构。理想情况下,在植入后精确控制记录/刺激部位的位置和布置。材料和结构坚固性:足够的机械强度确保成功插入和植入后的耐久性,材料的生物相容性可防止细胞毒性或触发细胞免疫反应,电极在组织恶劣环境中的长期体内稳定性可实现神经元的长期稳定接入,特别适用于临床应用。微创:通过减小电极尺寸、增加尖端锐度和减少大脑与探头杨氏模量之间的不匹配来最大限度地减少组织体积位移和组织损伤。多模态:通过单个柄进行电记录/刺激以及光学和化学接口的能力。目前行业中最领先的技术来源于Neuralink,其致力于通过研究侵入式脑机接口改变患者生活。公司创始人马斯克提出“神经环”概念,将人脑与人工智能连接起来,使人类能够与人工智能同步发展,人脑成为超级脑,由此避免被超级人工智能所取代。在该愿景中,人脑将可以直接访问互联网,获取和处理信息的速度将大大提高,甚至可能实现直接从脑中“下载”知识。此外,这种连接还可能改变人类之间的交流方式,使我们能够直接分享思想和感觉,而无需通过语言或其他方式表达。目前,Neuralink的PRIME研究(精确机器人植入脑机接口研究)已获得FDA批准,将在首家医院站点开始首次人体临床试验的招募,招募对象为颈脊髓损伤或肌萎缩侧索硬化症患者。计划由手术机器人将硬币大小的植入物放置到控制运动意图的大脑区域,记录大脑信号并将其传输至解码运动意图的程序,使瘫痪患者能够用自己的思想控制外部设备。04
软硬件技术迭代
1、软硬件技术迭代
近年来,BCI(脑机接口)技术取得了一系列突破性进展,以Elon Musk为代表的Neurolink公司宣布正式步入临床应用阶段,得益于软硬件技术的更新迭代。软件层面:人工智能技术的快速发展将为BCI带来更多的创新机会。通过将人工智能与BCI技术相结合,有望实现更高效、准确的脑信号解读和交互。深度学习具有强大的特征提取和模式识别能力,在近年来技术不断更新迭代,实现了算法的更新迭代并有望突破BCI数据个体差异化的障碍。硬件层面:BCI技术的硬件技术亦在不断提高,更高精度的传感器正在被开发,以更好地捕捉大脑的信号。此外,BCI设备正在变得越来越轻便、便携,侵入性有所改善,如由此衍生的无创BCI技术可以不需要通过开颅手术植入电极,从而降低侵入性,提高用户的接受度。侵入性接口设备与人体兼容性亦在改善。BCI技术的出现,使得用大脑信号直接控制外界环境的想法成为可能。要想实现BCI,有三个必要条件:第一,必须有一种能够可靠反映大脑思维的信号;第二,这种信号能够被实时且快速的收集;第三,这种信号有明确的分类。目前可用于BCI的人脑信号有:EEG(脑电图),EMG(脑磁图)和fMRI(功能性核磁共振图象)等。目前大多数BCI研究机构采用的大脑信号是EEG。BCI系统一般都具备信号采集、信号分析和控制器三个模块:信号采集:受试者头部戴上一个电极帽,采集EEG信号,并传送给放大器,信号一般需放大10000倍左右,经过预处理,包括信号的的滤波和A/D转换,最后转化为数字信号存储于计算机中。信号分析:利用ICA、PCA、FFT、小波分析等方法,从经过预处理的EEG信号中提取与受试者意图相关的特定特征量(如频率变化、幅度变化等);特征量提取后交给分类器进行分类,分类器的输出即作为控制器的输入。控制器:将已分类的信号转换为实际的动作,如在显示器上的光标移动、机械手运动、字母输入、控制轮椅、开电视等。反馈环节:有些BCI系统还设置了反馈环节,不仅能让受试者清楚自己的思维产生的控制结果,同时还能够帮助受试者根据这个结果来自主调整脑电信号,以达到预期目标。人工智能对于个性化定制和改善用户体验有着可预见的前景:AI深化自然语言处理技术和语音识别技术应用,使用户通过语音命令来控制外部设备,提高设备的易用性,并通过深度分析用户的脑电信号和数据,AI算法可以为用户提供个性化的干预和训练方案,提高BCI技术的有效性和实用性。同时,深度学习赋能了算法,深度学习具有从高维数据中提取特征并从分层表示中学习的能力,并在计算机视觉和自然语言处理领域中产生了许多实际应用。鉴于其在其他领域的有效性,深度学习似乎有望从原始的EEG数据中学习以提取更好的功能以提高性能和鲁棒性。EEG数据集是高维的,具有高参数的深度学习模型可以直接学习原始的EGG信号。2021年,斯坦福大学研究人员将人工智能(AI)软件与BCI设备结合,成功开发出一套全新的皮质内BCI系统,该系统利用循环神经网络(RNN),使得大脑运动皮层的神经活动可解码“手写”笔迹。该解码方式受益于神经网络的迅速发展使患者对手写的想法转换为电脑屏幕上的文本。BCI的硬件是进行信号采集、处理、分析的一线设备,覆盖了各式各样技术模式,占据BCI技术体系的绝大部分,其中包括:生物兼容材料:BCI设备材料需要具备良好的生物兼容性,以免引起过敏、炎症等副作用、同时具有低毒性、无刺激性、良好的生物降解性。无线传输技术:无线技术可以提高便捷性和舒适性,并且通过减少穿透或者提供更为封闭的系统来降低感染的风险。高水平集成电路技术:这其中包括模拟电路设计、数字电路设计、射频设计、低功耗设计等多个领域知识。一些关键的研发平台要求包括高精度的芯片设计软件、电路仿真软件、射频测试设备和集成电路制造设备等。侵入式BCI与非侵入式BCI对于硬件的要求各有不同,源于工作原理和目标应用的不同。不同工作原理决定了不同的信号采集方式:侵入式BCI需要直接接触大脑,因此对电极材料的生物相容性、耐用性和信号传输能力要求更高。而非侵入式脑对电极的要求则反之,但需要更高的信号处理能力来提取有用的信息。目标应用的不同决定了硬件需求的不同:侵入式BCI通常应用于临床治疗、神经科学研究等。需要高精度、分辨率和灵敏度信号控制的应用,因此对硬件的要求集中在技术层面较高。非侵入式BCI则更多地应用于消费层面,如游戏、智能家居等,对硬件的便携性、易用性和成本等方面要求较高。对于侵入式BCI来说,BCI植入设备研发的重要部分主要是电极的设计和制造,需要用到高精度、高质量的设备和原材料。2023年初,美国约翰霍普金斯大学FlorinM.Selaru教授和毛海泉教授合作发现了一种可注射、生物可降解、机械可破碎的纳米纤维-水凝胶复合化学材料,并可以有效提高BCI电极的生物相容性,减少炎症反应。同时新的神经接口材料亦得到开发:基于金纳米粒子、石墨烯和碳纳米管的新型界面材料,可以提高神经接口的信号传输速度和灵敏度。对于非侵入式BCI设备研发则在需要信号质量和便捷性、可用性之间权衡,方能在有效的基础上发挥安全、易操作的优势。中科院、天津大学和美国斯坦福大学联合开发的基于纳米材料、金属网格和弹性聚合物制成的新型柔性电极于2023年问世,这些电极在保证信号质量的同时,具备更高的保护性和延展性。而部分侵入式和侵入式的区别在于是否进入大脑灰质,同时,无创式或微创式植入BCI也取得了诸多进展。05
脑机接口与机器人融合发展
1、脑控机器人技术落地
脑控机器人:脑机接口可用于读取大脑中的电信号,并将其转化为可供机器人理解的指令,以实现对机器人的控制,这一技术被称为脑控机器人。运动康复是脑控机器人需求最明确的场景之一,因其可以为瘫痪患者或残障人士带来希望。例如,2024年9月,中山三院利用研发的脑控外骨骼机器人,成功帮助脊髓损伤而瘫痪的患者迈出了向前行走的步伐。当患者穿戴上设备,看着屏幕上的动画,通过思考“如何走路”,便能驱动肢体做出相应的动作。“神功一号”是由天津大学和天津市人民医院共同研制的全球首台适用于全肢体中风康复的“纯意念控制”人工神经机器人系统。“神工一号”不仅像脑控机械外骨骼可以起到“替代”作用,更有“修复”作用,与传统的康复手段相比,“神工一号”使患者的康复由被动变为主动。仅体验过三次“神工一号”的一位患者,脚、腿和大拇指已经可以自主动作。使用时,患者头戴装有电极的脑电探测器,并在患病肢体的肌肉上安装电极,该系统就能无创读取脑电信息,解码运动意念,驱动神经肌肉电刺激,带动瘫痪肢体产生动作,实现大脑皮层与肌肉活动的同步耦合,促进患者康复。人脑操控通用机器人:斯坦福大学吴佳俊和李飞飞领导的一个多学科联合团队研发出了一种通用型的智能BRI系统“NOIR”——神经信号操作智能机器人,能将人类脑电波中的信号转换为机器人可以执行的技能集,使人类通过大脑信号指挥机器人执行日常活动。NOIR技术在20种家庭活动中展示了其功能,包括烹饪寿喜烧、熨烫衣物、刮奶酪、玩井字棋,甚至是抚摸机器狗。脑机接口有望推动人形机器人技术成熟:脑控机器人是人工对机器人进行的控制,而对于用于生产生活中的机器人,需要实现高度的自动化,此时人脑在作业任务中产生的脑电信号可作为训练机器人自动执行任务时宝贵的数据资产。目前,人形机器人在运动控制方面的控制技术还不算成熟,当前主要通过力学模型和自动驾驶算法实现运动控制。人类最擅长控制人形躯体,因此脑电信号对于帮助机器人学习如何像人一样运动具有重要的参考价值。在当前大模型技术、多模态学习、跨模态迁移技术的支持下,脑电信号有望作为一种模态用于机器人的学习当中。脑电大模型有望提高脑电信号下游任务性能。上海交通大学电子信息与电气工程学院计算机科学与工程系吕宝粮教授团队携手上海零唯一思科技有限公司合作发布《一个用大量脑机接口脑电数据学习通用表示的脑电大模型》,设计了名为LaBraM的通用大型脑电模型,该模型可有效处理不同通道和长度的各种脑电数据。通过对大量脑电数据进行无监督训练,研究团队设想该模型将具备通用的脑电表征能力,使其能够快速适应各种脑电下游任务。为了训练LaBraM,研究人员从20个公开的脑电数据集中收集了超过2500个小时的各种任务和格式的脑电数据。研究团队预训练了三个不同参数大小的模型,580万、4600万和3.69亿,这是迄今为止BCI领域最大的模型。随后,研究团队在四种不同类型的下游任务上对它们进行了微调,这些任务包括分类和回归。论文推断,只要有足够多的脑电数据,大规模脑电模型就能学习到更通用的脑电表征,从而提高脑电信号在各种下游任务上的性能。06
产业链分析
1、产业链概况
脑机接口的技术流程可分为上游、中游、下游三个环节:上游包括脑机接口电极、脑机接口芯片、脑机接口手术,中游包括脑电信号采集、脑电信号处理、脑电信号分析,下游包括应用端外设和应用端软件。基于脑机接口的技术流程,脑机接口行业形成了完整的产业链。上游包括脑电采集设备(如非侵入式电极和侵入式微电极)、BCI芯片、处理计算机/数据集和处理算法、操作系统级分析软件和外部嵌套等;中游主要包括脑机接口产品提供商;下游则包括医疗保健、教育培训、游戏娱乐、智能家居、军事国防等各种应用领域。2、上游设备尚未实现标准化量产,行业发展依赖多学科协作与融合我国脑机接口产业链发展仍处于初期阶段,其上游设备尚未实现标准化量产,行业发展依赖多种混合学科的协作与融合。目前脑机接口技术正处于由技术研发向实际应用转化的关键阶段。为了推动其发展,需要强化跨学科的协同机制,实现不同领域知识的相互渗透和融合。在工程技术领域,攻克信号处理、编解码等难题;持续深化生物学基础研究,探索神经编码与信息传递的内在机制,为技术创新提供不竭动力。此外,积极融入计算机和人工智能的前沿理论与技术,为脑机接口系统赋予更强大的智能化能力。立足国内实际需求,重视跨学科转化应用,将加快该领域技术和产业发展。从国内的专利角度来看,研究聚焦于数据处理、人机交互、神经科学理论以及临床应用等关键领域,反映了脑机接口在算法创新、硬件改进、理论加深和临床应用转化等方面的全方位发展需求。脑机接口是大脑和外部设备之间创建的直接连接通路,它既是神经修复最有效的工具,是目前能完全解决瘫痪、中风、帕金森等患者神经功能受损的有效手段,此外它还是全面解析认识大脑的核心技术,是国际脑科学最前沿研究的重要途径。同时,基于对信号的采集和分析,结合不同场景,实现了将脑机接口技术在更多应用领域的拓展,包括医疗健康、娱乐、智能家居、军事国防、科研、教育等,更是被称为“人工智能的下一步”。其中医疗是目前最主要的应用场景、且是最接近商业化的领域,在下游应用市场中占比高达62%。非侵入脑机接口主要应用于脑疾病的早期筛查和辅助诊疗,侵入式脑机接口主要应用于难治性脑部疾病。基于不同医疗应用场景,脑机接口的应用又可划分为严肃医疗、消费及跨界三大类:严肃医疗场景中脑机接口主要被用于治疗中枢神经系统疾病,包括器质性疾病及功能性疾病;消费医疗场景中脑机接口主要用于健康人群的可穿戴设备中;严肃医疗与消费跨界场景中,多用于患者在家庭等场合的辅助治疗,其中在康复医疗、监测、替代和功能恢复等方面的应用发展尤为亮眼。肢体运动障碍诊疗:在肢体运阻行业,脑机接口技术的“改善”功能有利于治疗脑挫伤、中风、癫痫等疾病;“修复”功能有利于对患有中风的上下肢运动功能障碍患者的康复治疗,促进患者修复运动皮层的神经可塑性。同时,脑机接口的修复也有助于修复肌肉无力、颈髓损伤等疾病的通信和控制。在临床应用时,脑机接口主要包括辅助脑机接口和康复性接口两类,而后者常与虚拟现实技术结合,创建BCI同步闭环康复系统,模拟产生三维空间的虚拟场景,并通过VR设备向用户进行视觉反馈,因而在当前VR和AI日益普及的背景下具有较大发展空间。精神疾病诊疗:脑机接口设备可以在输入式脑机接口等技术的基础上发挥神经调节作用,促进异常脑结构和延展性的积极发展,从而促进神经精神疾病的康复。近年来,精神疾病的发病率不断上升,但传统药物治疗、物理治疗和认知行为治疗对这类抑郁症患者的治疗效果较差。随着脑机接口技术的发展,一些疑难精神疾病(如强迫症、抑郁症、精神分裂症等)的研究和诊断水平有望大大提高。意识与认知障碍诊疗:通过脑机接口设备获取并分析“植物人”患者的脑电信号,掌握患者的意识状态,实现意识障碍诊断与评定,甚至与意识障碍患者实现交流。有助于医生判别患者是否有唤醒康复的可能,有针对性的采取治疗措施。癫痫和神经发育障碍诊疗:根据脑电波传输,判断癫痫患者的脑神经和疾病相关信号,对脑电级电刺激发出命令,引起患者功能区响应,然后通过切除、热凝、激光损伤等技术改善和治疗脑癫痫网络。感觉缺陷诊疗:使患者自身的感觉信息被脑机接口设备解码,实现感觉恢复,目前该项技术已经在听觉、视觉、触觉等感觉缺陷诊疗中发挥积极作用。当前无创脑机接口技术在性能上已经取得了显著进展。就打字速度而言,无创技术已经能够达到触屏输入速度的一半:而在鼠标控制方面,无创技术的速度大约是常规鼠标的1/8到1/10。脑机接口技术与康复领域的结合市场潜力较大。脑机接口可以通过控制假肢、外骨骼或康复机器来帮助瘫痪患者恢复功能,这种结合已经在临床上取得了初步成果。例如,宣武医院已经使多名患者通过无创脑机接口技术恢复了行走能力。此外天坛医院正在进行的研究通过直接刺激肌肉来帮助患者恢复抓握等动作。脑机接口技术在疾病早筛和治疗方面具有巨大的潜力。目前技术主要用于疾病的筛查,如睡眠障碍、阿尔茨海默症和帕金森病。未来,随着技术的进步,不仅可以识别疾病倾向,还有可能通过无创或侵入式的方法进行治疗。例如,对于帕金森病,除了传统的大脑植入电极外,正在研究无损的外部刺激方法,这对于年纪较大的患者来说更为安全和适宜。脑机接口技术未来的发展方向包括信息的双向传输,即不仅从人脑传输信息到外部设备,还包括将信息传输到人脑中。电子耳蜗就是一个典型的写入型脑机接口应用。此外,脑机接口技术与人工智能和电脑结合的研究也在进行中,例如使用无创脑机接口进行生物特征识别,其准确率已经可以达到99.99%。虽然我国脑机接口产业链与国外仍存在一定程度的差距,但在部分环节已经有所突破。通体来看,脑电采集设备的通道数量,能耗控制水平以及与大脑耦合程度、排异反应抑制是衡量脑机接口设备水平最重要的因素。国内相关产业链在上游的脑电采集设备、相关算法以及中游的脑机接口佩戴产品层面均取得了一定的突破,正快速追赶国外主流厂商的技术水平。07
相关公司
1、已上市:布局应用解决方案为主
神经专科民营龙头。公司依靠首医大,主打大单体医院扩张。“三博脑科”品牌于2003年由国内知名神经医学专家栾国明、于春江、石祥恩及资深医疗管理专家张阳等人创建,经过十八年发展,形成了以医疗投资、医院管理、品牌运营为主导,集“医疗、教学、科研”于一体的医疗集团。目前运营医院7家,其中神经专科三级医院4家,三级综合性医院1家,二级综合性医院2家。DBS应用于旗下医院临床手术,公司积极开展脑机接口合作研究。公司旗下医院已将DBS应用于临床手术,例如2022年河南三博脑科医院针对一名抽动秽语综合征患者,在其GPi靶点植入DBS,医生操作手术机器人通过术中注册和打靶矫正精度,完成电极植入。术后该患者无抽动症状,表情自然。同时,公司积极对外开展脑机接口合作研究:2024年6月4日,公司与武汉衷华脑机签署战略合作协议,双方将发挥各自在神经科学领域的专业优势,在促进脑机接口临床转化等方向上开展合作。衷华脑机成立于2021年,具备从底层CMOS芯片设计、微机电系统工艺制备到脑机接口系统总体设计的全链条自主可控的研发体系,已研制出6万5千通道双向植入式脑机接口系统。2024年4月27日,公司与清华大学生物医学工程学院签署校企合作备忘录,双方将共建“脑机精准医学联合研究中心”,在脑疾病大数据、建模与计算和精准诊疗新技术等方面开展研究,并推动临床转化,打造成为中国先进的脑疾病精准诊疗和脑健康技术创新联合研究中心。诚益通全资子公司龙之杰作为国内康复医疗设备领域早期开拓者,历经20多年的发展,成为康复医疗器械行业的创新引领型企业。公司目前拥有较为完善的产品线,专科解决方案覆盖神经、疼痛、老年、孕产、骨科运动医学、临床康复一体化六大领域,在医疗机构具有良好的品牌美誉度和知名度。自2020年,龙之杰便开启了基于脑科学的康复领域探索,协同华南理工大学开展产学研合作,成立了实验室,并与海南大学,澳门圣若瑟大学展开多中心研究,积累和储备了与脑科学领域相关的技术和产品模型。龙之杰携手华南理工大学成功研发了经颅磁导航系统及脑部的磁刺激治疗仪等产品,利用脑科学技术助力TMS形成闭环,帮助康复治疗更加精准。产品已与中山大学附属第三医院、中山大学附属第六医院等多家医院展开临床验证合作中。除经颅磁外,公司也在密切关注其他前沿脑机接口技术,如最新一代非侵入式脑机接口和侵入式脑机接口技术,积极探索脑机接口在康复医疗,阿尔茨海默症、帕金森症、抑郁症、睡眠障碍等新领域的应用。为此,龙之杰将进一步加强产学研一体化,与北京的知名高校深入探讨脑科学相关技术研究,开展深度合作交流,加速推进脑科学前沿技术的探索,持续加大脑科学领域的创新研发。康复设备龙头企业,提供全系列康复产品及整体解决方案。公司成立于2002年,于2021年3月在科创板上市。公司作为康复器械领域的综合性产品制造和服务供应商,是一家致力于康复医疗器械研发、生产、销售和服务为一体的国家高新技术企业。作为中国康复医疗器械行业内的研发引领型企业,主要为全国各级综合医院、康复医院、基层诊疗机构等全国各级医疗机构,养老机构,残疾人康复中心,福利院机构客户提供全系列康复产品及整体解决方案。公司较早布局脑机接口领域,目前仍以非侵入式为主。公司在脑机接口方面的布局以精神及心理、运动想象、主动训练等方向为主,多款产品已进入注册程序。依托前期的研发及产品基础,公司和天津大学、西安交通大学等联合承担国家重点研发计划“智能机器人”重点专项中的“生-机智能交互与生机电一体化机器人技术”项目子课题;公司与西安交通大学成立康复研究院、注册成立陕西子公司,聚焦脑机接口、人工智能等前沿技术领域。公司通过跨界并购成功转型成为医疗服务综合企业,拥有4家综合性医院。创新医疗原名千足珍珠集团股份有限公司,于2015年花费15亿元收购建华医院、康华医院、福恬医院三家医院,进军医疗领域,于2017年在深交所上市,并在2018年正式剥离掉原有的亏损珍珠主业。公司目前拥有建华医院、康华医院、福恬医院和明珠医院四家医疗机构,4家医院围绕“大专科,小综合”的发展战略,以临床为中心,巩固发展重点科室与特色学科。参股博灵医疗,博灵脑机进入工程样机研发阶段,患者测试稳步推进。创新医疗对脑机接口技术公司杭州博灵医疗参股40%,博灵医疗的首款技术产品主要帮助偏瘫患者实现对残疾肢体自主控制,第一代原理样机已经试制完成,已进入工程样机的研发阶段。根据公司公告披露,2022年下半年到2023年上半年,博灵脑机现有原理样机在随机测试中,22位偏瘫患者中有5位患者达到了预期的测试效果(测试标准:使用设备前,患者无法完成正常的手臂屈伸动作和手掌的张合动作;使用设备时,患者在设备的帮助下,自主控制残疾肢体实现了手臂的屈、伸动作和手掌的拿、放测试物体动作);2023年下半年以来,博灵脑机在杭州的部分公立三甲医院和专业康复医院进行非正式的原理样机测试,并邀请部分志愿者上门测试,约一半左右的患者达到了预期的测试效果。MindMaze:主要研究侵入式脑机接口技术,主要产品包括MindMotion GO、MindMotion Pro、MindPod Dolphin、Mindmazelab、Inten to PRO、Gait Up等VR/AR治疗平台,目前产品已在美国、欧洲、亚洲等市场投入使用。公司技术的核心亮点是将脑科学与数字疗法结合,利用VR、计算机图形、脑成像等帮助神经系统残疾的人,主要是中风患者,通过游戏化手段帮助其恢复大脑健康。阶梯医疗:致力于植入式脑机接口技术的研发与突破,主要产品有超柔性微纳电极、AUFEIS便携式植入系统、AUFEIS植入手术机器人系统、高通量信号采集系统、一体化无线信号采集系统。系列产品可应用于人体功能修复、疾病治疗、机能增强等医疗场景及相关科研工作。公司技术的核心亮点是采用高分子聚合物作为基底材料,通过先进的微纳加工工艺,将电极尺寸降到细胞级别,实现了目前柔性最高且横截面积最小的植入式脑电极。Intan Technologies:主要研究专门的微芯片来感知生物系统产生的微弱电信号,主要产品包括RHD Amplifier Chip、RHA Amplifier Chip、RHS Stim/Amplifier Chip。公司技术的核心亮点是通过将微弱的生物电信号直接转换为数字数据,取代了所有电生理监测和数据采集系统中的仪表电路。芯动神州:致力于设计、开发和提供高性能、高可靠性工业级信号处理芯片,主要产品有高精度数模转换器、模数转换器、信号传输、工业传感器芯片。公司技术的核心亮点是通过专有设计流程,提供大规模、高精度、高稳定性模拟集成电路产品。NeuroVigil:主要研究神经技术,主要产品是SPEARS算法和iBrain设备,SPEARS通过采用单一的脑电图通道创建大脑活动图,指示清醒和睡眠状态下的不同特征;iBrain可实现更高效和用户友好的脑电图数据收集。公司技术的核心亮点是开发了专有的非侵入性大脑监测器和先进的机器学习算法,以检测无症状个体(例如神经退行性疾病、药物不良副作用或脑癌患者)的一系列病理生物标志。博睿康:专业从事脑-机接口系统相关设备的研发、生产、销售以及技术服务,主要产品有数字脑电图机、NeuSen W系列无线脑电采集系统、NeuStim经颅电刺激系统、DSI-7-Flex无线干电极脑电采集系统等。公司技术的核心亮点是以自主创新的“脑-机接口”技术为核心,依托于清华大学自主创新、国际领先的脑机接口技术,致力于为神经科学创新研究和临床神经疾病诊断、治疗与康复研究提供专业、完整的解决方案。Neuralink:侵入性脑机接口公司,由马斯克于2016年成立,产品包括三个基本部分:植入物、应用程序和手术机器人。N1植入物:一种完全植入的神经记录和数据传输设备,包含柔性电极“线”(threads)阵列,最大限度减少了植入过程中以及之后的损伤。植入后,该植入物会取代原来位置的头骨,进行无线传输数据。2020年产品更新后,N1植入物能够捕获超过1000个通道的信息,并且每个通道以200兆比特的速率传输数据。植入物宽23mm,厚8mm,被密封在生物相容性外壳内,由一块小电池供电,无线充电,电池寿命1天。应用程序:通过低功耗芯片处理神经信号,无线传输至Neuralink应用程序,后者将数据流解码为动作和想法。手术机器人:负责插入N1植入物,其传感器负责引导切割刀片,从而避免血管破裂,机器人每分钟能够插入6根柔性电极“线”,种植过程仅耗费不到一小时。品驰医疗:专注于神经调控领域,专业从事脑起搏器、迷走神经刺激器、脊髓刺激器、骶神经刺激器等系列化神经调控产品研发、生产和销售。公司技术的核心亮点是具有自主知识产权的国产DBS系统,为广大帕金森病、癫痫、疼痛、尿失禁等功能神经疾病患者提供先进的治疗手段。Emotiv:主要研究非侵入式脑机接口技术,主要产品有Emotiv头盔和Emotiv Epoc X无线便携脑电系统。产品客户包括神经科学家、大脑控制应用程序或游戏的开发者。公司技术的核心亮点是研发简单易用的移动可穿戴EEG设备,配套APP从而监测用户的认知和情绪状态。BrainCo强脑科技:主要研究非侵入式脑机接口技术,主要产品有BrainRobotics智能仿生手、BrainCo智能灵巧假腿和仰憩助眠舒压系统。公司技术的核心亮点是通过脑机接口技术底层技术的突破,为残疾人康复、孤独症等脑疾病提供了解决方案,实现科技助残。08
发展展望
1、侵入式脑机加快临床进展,非侵入式脑机更有望率先大规模落地
侵入式脑机能够接收更高神经电压和信号频率,小尺寸、高通道数的柔性电极以及自动化手术机器人推进侵入式脑机临床研究进展,但目前仍以实验室研究为主,距离落地有较多问题待解决。非侵入式脑机具有更高安全性和广泛性,有望率先实现大规模落地:开启商业化:无创、成本较低等优势让非侵入式脑机接口更快广泛应用,康复医疗和情感评估是主要应用领域。工程化能力仍有待提升:C端便携可穿戴设备仍以少通道记录为主,承载应用有限,潜力仍待释放。脑机接口市场潜力巨大:仅从医疗类市场看,麦肯锡预测脑机接口医疗应用市场规模有望在2030年达到400亿美元,并于2040年达到1450亿美元。其中,以中枢神经系统疾病治疗为主的严肃医疗的潜在应用规模2030年预计为150亿美元,2040年为850亿美元,而以情绪评估与干预为主的消费医疗的潜在应用规模2030年预计为250亿美元,2040年为600亿美元。根据量子位的测算,目前我国脑机接口设备的市场规模在十亿级,约占全球市场总份额不足十分之一。到2040年,我国脑机接口行业综合市场规模有望超过1200亿元,CAGR约26%,直接市场规模(主要为设备)可能超过500亿,CAGR达到21%。根据Precedence Statistics数据,2023年全球脑机接口市场规模为23.5亿美元,预计到2033年将增至108.9亿美元,2024年至2033年的复合年增长率为17.2%。09
参考研报
1. 浙商证券-脑机接口行业报告:人脑与数字世界的融合未来
2. 浙商证券-计算机行业脑机接口:机器人中的人机交换3. 国海证券-脑机接口行业专题研究:脑机接口“奇点”临近,关注康复医疗和抑郁症领域的应用4. 东北证券-脑机接口行业深度报告:脑机接口,未来正在到来5. 方正证券-医药生物行业周报:脑机接口,生物与信息技术融合的下一主战场6. 东北证券-脑科行业深度:服务端护城河高,科技端想象空间大7. 中信建投-医药生物行业:寻找新增量及整合机会8. 申万宏源-计算机行业周报:关注科技产品变化,脑机接口与华为算力
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