2021年脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书.pdf

脑脑机机接接口口技技术术在在医医疗疗健健康康领领域域应应用用白白皮皮书书（2021 年）2021 年 7 月I前 言随着人工智能技术的发展，机器智能得到了飞速的提升，但仍与人脑所具备的自主意识和思考创新能力有着很大的差距另一方面，随着脑科学的深入研究，人们对人类智能的认知与神经科学基础有了更好的理解，这可以启发并进一步提升机器的智能人工智能和脑科学的交叉融合发展为机器智能与人类智能的融合提供了可能因此，在可预见的未来，人类智能与机器智能将逐步融为一体，充分发挥机器的存储和运算能力，融合人脑的思维与创新能力，以推动人工智能达到一个更高的层次脑机智能融合实现脑机智能融合的关键技术环节之一是实现人脑与机器之间的信息交互，即脑机接口（Brain-computerinterface,BCI）技术脑机接口在大脑与外部环境之间建立一种全新的不依赖于外周神经和肌肉的交流与控制通道，从而实现大脑与外部设备的直接交互该技术能够在人（或其他动物）脑与外部环境之间建立沟通以达到控制设备的目的，进而起到监测、替代、改善/恢复、增强、补充的作用近年来，世界各国逐渐重视脑科学研究，相继启动各自的脑科学相关科技规划，全球范围内大量投入对脑科学研究，这些能够极大地增进人类对大脑如何工作以及如何治疗脑部疾病的理解。

脑机接口是脑科学和类脑智能研究的重要方向，已上升为国家的科技战略重点或力推的核心科技发展领域随着神经科学、生物兼容性材料、传感器、大数据和人工智能等技术的进步，以及以 Neuralink 等创新技术投资公司为代表的全新研究力量的加入，脑机接口技术进入了快速发展阶段，在信号获取和处理、解码算法和系统实现等关键技术领域取得了很多突破性进展白皮书通过以下章节从技术和政策层面分析并总结脑机接口关键技术、脑机接口政策分析、脑机接口在医疗健康领域的典型应用场景、优秀应用案例（详见附录一）在此基础上，分析脑机接口产业发展现状和面临的挑战，并给出发展建议白皮书旨在为我国脑机接口技术和产业发展提供参考和引导，共同股票报告网II推动产业合作，推动行业健康快速发展希望通过此白皮书提供有价值的分析和总结，为脑机接口技术工作者提供参考，也可以作为相关产品和服务提供商的参考依据由于时间仓促，水平所限，我们的工作还有不足之处下一步，我们还将广泛采纳各方面的建议，进一步深入相关研究，持续完善白皮书内容，在已有版本的基础上，适时修订发布新版我们诚邀各界专家学者参与我们的研究工作，积极献言献策，为促进脑机接口产业发展做出积极贡献。

如您有意愿，请联系我们：lijingwen 本白皮书版权属于中国人工智能产业发展联盟，并受法律保护转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“来源：中国人工智能产业发展联盟”股票报告网IV目 录目 录.IV图表目录.VI1脑机接口技术概述.11.1 技术背景.11.2 发展历史.61.3 技术介绍.101.3.1 脑机接口原理与系统构成.101.3.2 脑机接口技术的分类.151.3.3 脑机接口技术的应用方向.212脑机接口政策分析.242.1 美国脑计划中的脑机接口研究规划.242.2 欧盟脑计划中的脑机接口研究规划.262.3 日本脑计划中的脑机接口研究规划.272.4 韩国脑计划中的脑机接口研究规划.272.5 澳大利亚脑计划中的脑机接口研究规划.282.6 中国脑计划中的脑机接口研究规划.282.7 脑机接口其他相关政策.303脑机接口技术在医疗健康领域的应用场景分析.313.1 脑机接口技术在肢体运动障碍诊疗中的应用.313.2 脑机接口技术在意识与认知障碍诊疗中的应用.333.3 脑机接口技术在精神疾病诊疗中的应用.353.4 脑机接口技术在感觉缺陷诊疗中的应用.363.5 脑机接口技术在癫痫和神经发育障碍诊疗中的应用.374脑机接口技术的发展与挑战.404.1 脑机接口技术的产业环境分析.404.2 脑机接口技术的产业现状.414.3 脑机接口技术和产业的挑战和发展建议.494.3.1 脑机接口技术和产业的挑战.494.3.2 我国脑机接口产业的发展建议.505结束语.53参考文献.54附录一：脑机接口技术优秀应用案例.57一.国产自主研发脑机接口系统优秀案例.57案例一：博睿康面向脑机接口应用的国产高性能脑电采集系统.57股票报告网V案例二：清华大学微创植入闭环脑机接口系统.59案例三：中电云脑无创脑机接口采集专用芯片.60二.脑机接口技术在医疗健康领域的优秀应用案例.61案例一：天津大学“神工一号”人工神经康复机器人.61案例二：宣武医院“重拾行走计划”.64案例三：天坛医院应用脑机接口技术检出意识障碍患者的大脑隐匿意识.66案例四：天津大学等人工耳蜗儿童听觉康复客观评估技术.67案例五：昆明理工大学基于脑机交互的神经反馈促进创伤后应激障碍康复技术.69案例六：强脑科技孤独症儿童可穿戴脑电波康复系统.71股票报告网VI图表目录图 1 传统或狭义的 BCI 系统示意图.1图 2 输入式 BCI 示意图.2图 3（a）脑机接口所利用的电生理信号的记录位置；（b）三种不同的检测大脑电活动方式.12图 4 脑机接口分类示意图.15图 5 不同脑信号采集技术的分辨率.17图 6 混合脑机接口类型示意图.20图 7 按年度划分的联邦 BRAIN 计划资金.25图 8 人类脑计划（HBP）时空多尺度和多模态的技术手段.26图 9 中国脑计划框架图.29图 10 高性能脑电采集系统.57图 11 高性能脑机接口应用示例.58图 12 微创植入闭环脑机接口系统（a）原理图（b）系统示意图.59图 13 脑机编解码集成芯片“脑语者”.61图 14 国产脑电采集芯片.61图 15“神工”系列人工神经康复机器人系统及原理.62图 16 典型患者经“神工”治疗前后字迹对比.63图 17 基于脑机接口的康复训练.65图 18 案例中病患使用脑机接口设备“实现交流.67图 19 CI 儿童脑电采集现场.68图 20 不同植入时间的 CI 儿童皮层激活状态.68图 21（a）基于脑机交互的多模态神经反馈促进 PTSD 患者康复的系统；（b）干预流程.70图 22 开心果儿童健脑系统产品（a）实景图;（b）原理图;（c）应用实例.72表 1 脑机接口技术国内外主要研究机构.42表 2 脑机接口主要芯片厂商.45表 3 脑机接口技术在医疗健康领域的主要应用产品.45股票报告网11脑机接口技术概述1.11.1 技术背景技术背景随着脑机接口（Brain-computer interface,BCI）的发展，其内涵和外延也在不断丰富。

传统或狭义的 BCI 是指利用中枢神经系统产生的信号，在不依赖外周神经或肌肉的条件下，把用户或被试的感知觉、表象、认知和思维等直接转化为动作，在大脑（含人与动物脑）与外部设备之间建立直接的交流和控制通道123，其目的主要是为疾病患者、残障人士和健康个体提供可选的与外部世界通信和控制的方式，以改善或进一步提高他们的生活质量45这类 BCI系统主要由大脑向外部设备输出通信或控制指令（输出式 BCI），并把结果通过神经反馈给用户或被试形成闭环以调节其脑活动信号，从而提升脑机交互的性能，如图所示图 1 传统或狭义的 BCI 系统示意图除此而外，还有另一类 BCI，主要由外部设备或机器绕过外周神经或肌肉系统直接向大脑输入电、磁、声和光的刺激等或神经反馈（输入式 BCI），以调控中枢神经活动，如深部脑刺激（Deep brain stimulation，DBS）、经颅磁刺股票报告网2激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）、经颅直流/交流电刺激（Transcranialdirect/alternating current stimulation，tDCS/tACS）和经颅超声刺激（Transcranialultrasound stimulation，TUS）等，如图所示。

a）（b）（c）图 2 输入式 BCI 示意图a）基于各种脑刺激的 BCI该类 BCI 主要由外部设备或机器向大脑输入电、磁、声、光等刺激；（b）DBS 示意图；（c）基于非侵入式脑刺激或 DBS 的 BCI 设置以促进或调节长程皮层-皮层和皮层-皮层下连接可塑性示意图67股票报告网3广义的 BCI 包含上述狭义的输出式 BCI 和输入式 BCI，实际上，这两类 BCI均可以由神经反馈构成交互式的闭环系统（即交互式 BCI），主要看是以输出式为主还是以输入式为主，取决于所设计 BCI 的主要功效随着 BCI 的深入发展，出现了 BCI 医学，特别是 BCI 的哥白尼革命：从环境控制到监测大脑变化7，这为人脑状态监测（如癫痫发作监测和疲劳监测等）与调控康复等多种功效的BCI 提供了新途径不同类型的 BCI 有不同的应用，在本白皮书中不同的部分或场合会使用或侧重不同的 BCI 定义，不再特别声明，可根据具体内容理解在脑机接口中，采集中枢神经信号以监测大脑活动的方法有多种，如脑电（Electroencephalogram,EEG）、功能近红外光谱（functional near-infraredspectroscopy，fNIRS）和功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）等，原则上均可作为脑机接口的输入信号。

在这些监测大脑活动的方法中，脑电因无创、时间分辨率高、设备价格低廉等优点成为脑机接口研究采用最多的信号，也是最早作为脑机接口的输入信号脑电研究可以追溯至上世纪二十年代，德国精神科医生 Hans Berger 博士首次证明了放置在大脑头皮的电极能够测量反映大脑活动的电流，“脑电图”的概念自此产生尽管这是世界上第一次脑电记录，但由于当时用于测量和处理脑信号的必要技术以及对脑功能理解的局限性，并没有引起人们的足够重视在之后近三十年时间里，随着脑电研究持续发展，神经生理学家积累了涵盖多种实验条件下的大量脑电数据在二十世纪六十年代，随着计算机开始应用于生产和生活，使得处理大量的脑电数据成为可能另一方面，随着对脑电信号理解的深入，开始出现了将大脑活动用作信息交流通道和信息载体的想法Joseph Kamiya 在 1968 年指出脑电活动的特征（Kamiya 认为是 alpha 波）经过一些训练后有可能被人们所调节，开启了神经反馈领域的研究但在这一时期，用脑电波控制设备仍被认为是纯粹的科幻小说股票报告网4到二十世纪七十年代，人们已对脑电有了较为深入的理解，认识到脑电的主要频率成分集中于 30 Hz 以下，并且特定的脑电节律（如 alpha 节律）会随大脑状态的变化而出现或消失。

研究者进一步发现两个或多个电极上获取的脑电信号表现出不同的相关性，反映了大脑内部不同脑区神经元活动之间的协同关系以上脑电频谱和相关性与各种脑状态、情绪和行为状态相关研究者根据大脑对特定刺激是否有反应，把脑电信号分为自发脑电和诱发脑电，自发脑电是在安静的、没有特殊刺激条件下或者在连续恒定负荷的条件（如阅读状态）下稳定变化的脑电活动（非锁时的），表现为一种整体活动或背景活动；而诱发脑电（又称为诱发电位或事件相关电位）是大脑在外界特定刺激或主动思维（内部特定刺激）下产生的与每次刺激相应的变化（锁时的），这种变化通常淹埋在自发脑电中，具有潜伏期和波形相对恒定两个特点刺激的特征与刺激“环境”（如受试者的注意力水平）、期望以及在实验背景下刺激的含义共同决定诱发电位的波形正是基于上述理解，在美国国家科学基金会（National Science Foundation）和美国国防高级研究计划局（US Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）的先后资助下，加州大学洛杉矶分校的 Jacques J.Vidal 于 1973 年首次在科学文献中提出“脑机接口”这一专业术语，并提出了一个关键问题：能否将。