脑机接口应用情况如何？

应用解决案例日渐丰富多元。

1.医疗应用仍为主流，非医疗应用多点开花

医疗仍是脑机接口当前主要产业化方向，下游应用解决方案企业中医疗方向占比过半。脑机接口产业下游相关企业近350 家，较明晰的应用方向不少于 30 种，主要分为医疗和非医疗两类，其中医疗企业占比 56%，消费、工业、教育等非医疗企业占比44%。当前脑机接口领域的植入式技术均面向医疗，此外也有部分非植入式技术用在医疗中。

医疗领域应用主要包括疾病预警、诊断、治疗和功能增强。主要面向的疾病包括癫痫、帕金森、抑郁、疼痛、多动症、自闭症、截瘫、卒中、阿尔兹海默症、意识障碍、耳鸣和听力受损、视力受损和睡眠障碍等，以及利用脑状态辅助药物研发和麻醉监测给药。非医疗领域应用方向包括：工业安全监测、车内交互控制和疲劳检测、对外交互、外设控制、睡眠检测和助眠、情绪舒压、认知训练、脑健康体检、游戏控制、体育训练和人才选拔、模拟训练和体验、产品优化、安全识别认证。

从脑机接口上中下游的发展特点看，厂商主要围绕检测脑（如评估脑状态和采集脑信号）、作用脑（如神经刺激和神经反馈）、利用脑（如脑控外设）进行研发和生产制造。就当下一些解决方案看，尽管采用了电、磁、光、超声等手段进行神经信号采集或刺激，多为开环技术，但从未来趋势看，普遍朝向闭环发展，部分开环产品甚至已逐渐具备闭环功能，此类技术和产品可被视为处于脑机接口发展的早期阶段。从促进生态繁荣看，脑机接口产业的蓬勃有赖于各方的积极创新，产业链的完备离不开上中下游多方节点的积极参与，因此本白皮书选取的研究对象和案例可被视为广义的脑机接口范畴。

2.医疗领域应用发展蓬勃，部分疾病诊疗效果喜人

从产业创新主体看，医疗领域的脑机接口企业近200 家，其中25%走植入式技术路线，75%走非植入式技术路线。典型医疗场景包括：运动功能恢复和增强、视觉感官功能恢复和增强、听觉感官功能恢复和增强、癫痫帕金森等神经病变疾病诊治、认知障碍和衰退等神经疾病退行性病变诊治、情绪检测和抑郁治疗、睡眠障碍识别和干预、止痛、麻醉给药、成瘾检测干预等。1.运动功能恢复和增强多为非植入式，产业基础良好脑机接口在医疗领域的应用最热方向之一就是运动功能恢复和增强，近 40 家厂商。加拿大、奥地利、美国、日本、英国、中国等均有诸多厂商研制卒中康复训练设备。其中，植入式厂商寥寥无几，绝大多数厂商进行非植入式技术研发。奥地利公司g.tec 的卒中康复训练系统 recoveriX 对发生脑损伤和中风已30 年的患者依然有效，99%的患者改善痉挛状态和粗大运动功能，95%的患者改善精细运动技能和提升注意力。西安臻泰智能科技有限公司的脑控康复机器人上下肢运动训练产品已取得二类医疗器械注册证，临床验证显示康复疗效比传统康复训练手段提升 20%以上。

植入式解决方案全球普遍在研，尚未形成成熟产品。运动功能丧失的卒中和瘫痪患者主流脑机接口诊治方案是通过外科手术植入电极并进行刺激。国际最新进展已经实现上下肢运动功能重建。2023 年，瑞士联邦理工学院实现闭环脊髓刺激，患者想象走路时大脑外层皮质电信号被无线传输到患者背包中的电脑以进行解码，然后信息传输给脊髓脉冲发生器，患者训练40 次后可走路和爬楼梯。荷兰脑机接口公司 Onward 研发了神经刺激器，通过瑞士生物医学研究中心 Clinatec 开发的无线脑机接口无线配对来采集患者移动上肢运动意图信号，基于人工智能算法解析意图并实施电刺激。非植入式解决方案已商业落地。产品主要面向卒中、肌无力、肌肉萎缩等患者，基于脑机接口一是实现卒中预警，二是基于游戏软件和虚拟现实设备进行康复训练，或基于软件和康复机器人进行康复训练。与传统康复方法相比，此类产品能促使患者主动参与康复训练控制，刺激运动神经形成闭环通路，有效提高康复训练效果。

2. 恢复和增强视觉感知功能主要采用植入式脑机接口技术，全球处研发阶段 使用脑机接口电刺激重建视觉的厂商全球不超过10 家，且大多都基于植入式技术。刺激位点多处于视网膜、视皮层、视神经和丘脑外侧膝状体。在深脑组织中埋入刺激电极的神经外科手术难度和风险较大，因此在视神经和丘脑外侧膝状体进行刺激的研究较少。早期临床研究多侧重视网膜刺激，当前研究方向朝向视皮层刺激发展。已有开展光幻视人体试验的科研。加州大学洛杉矶分校和贝勒医学院使用神经刺激器对五名盲人进行了18 个月周期的研究，所有受试者都报告刺激诱发感知到光幻影，分散在视野左侧，在植入期间和植入后无临床并发症7。前身为 Second Sight Medical Products 的美国视觉假体设备商 Vivani，其名为 Orion 的视觉假体获得FDA的临床试验批准，已在三名被试者的视皮层植入了五年8。

2022 年，美国国家神经病学和中风研究所资助伊利诺伊理工学院 Philip R. Troyk 团队研发了无线微电极阵列，用于探索皮质内视觉假体重建人工视觉的可行性。9 个阵列共144 根电极植入到单侧大脑半球背外侧枕叶和后下回，包含初级视皮层(V1)暴露在脑回的部分和部分更高级的视皮层(V2 和 V3)。该阵列是完全植入的微型无线刺激器，可降低有线造成的感染和设备损坏风险。一期临床试验正在进行中，2022 年首例盲人植入电极手术已实施9。美国 Science Corporation 公司研发植入在视网膜的光遗传学视觉假体，用于视网膜色素变性和黄斑退化，假体从眼镜上的摄像头接收图像并编码后刺激视神经中的光敏细胞，以在大脑产生视觉10。除了刺激使大脑出现指定图像外，也有科研团队利用算法模型重建大脑所视图像。2023 年瑞士洛桑联邦理工学院用电极探针或光学探针采集小鼠视觉皮层神经活动信号，构建自监督学习算法模型以解码小鼠观看电影时脑中呈现图像。大阪大学利用潜在扩散模型（LDM）对功能性磁共振成像采集到的视觉信息进行解码，实现人类大脑活动中的视觉图像重建。

基于脑机接口的视觉重建技术发展存在若干问题，导致尚处研发早期：一是不好用。现有视觉假体通常提供数十个到一百多个像素点，重见光明为期尚远。二是不易用。许多设备过于复杂、昂贵且需要长期训练；三是植入受多种限制。植入电极容易导致临近皮层受损，无线传输困难，且用到眼球追踪技术导致眼球缺失患者无法受益。

3.癫痫等神经病变诊治植入式成熟，向闭环精准化发展近几年国内外在基于脑机接口技术的癫痫、帕金森检测干预方面已取得重大进展，商用化已相对成熟，正朝向更精准闭环控制以及更复杂发病预测发展。全球基于脑机接口技术提供癫痫、帕金森等疾病诊治方案的公司 60 余家，遍布美国、中国、澳大利亚、西班牙、比利时等全球多个国家。其中 71%的公司采用了非植入式技术路线，29%的公司采用植入式技术路线。采用非植入式技术路线的公司多基于EEG 进行居家癫痫预测。澳大利亚公司 Epi-Minder 的超长期癫痫监测仪Minder 已获得FDA突破性设备认定，目前正在墨尔本，布里斯班和悉尼进行临床试验评估11。此外还有比利时、西班牙等多国厂商以居家部署脑电设备或便携式脑电设备进行癫痫监测。便携式脑电监测设备往往被厂商设计为可穿戴式，例如西班牙公司 MJN Neuroserveis 将脑电监测部分设计为耳机形态，入耳部分利用 3D 打印制成适应用户耳道的形状，轻达 9.5 克从而可长期穿戴，脑电数据通过蓝牙传输到服务器后，基于人工智能技术预测癫痫和预警。该产品已取得CE 认证，售价1750 欧元。

采用植入式技术路线的公司多采用主动式实时闭环电刺激技术。此类设备采集和识别患者运动想象或实际运动过程中的脑电信号。西班牙公司 INBRAIN Neuroelectronics 利用还原氧化石墨烯制造电极材料，以避免传统金属在体内被降解。其脑机接口系统已获得FDA 用于帕金森病的突破性设备认定。系统可无线充电，分辨率达到 1024，实时智能闭环调控。北京品驰医疗设备有限公司等国内公司也在研发针对神经疾病的植入式闭环神经调控技术，以大脑局部场电位、心率作为生物学标记物，通过脑机接口技术，实现对帕金森病、癫痫等疾病精准刺激治疗，进一步提升神经调控产品疗效。目前已研制出闭环刺激基础产品可感知刺激器，例如可感知脑电的1.5T/3.0T 磁共振兼容可充电脑起搏器，获得三类医疗器械产品注册证并应用于临床。 基于脑机接口的神经病变诊疗技术存在以下问题：一是有待加强脑机理认知。受非平衡性、动态性、不稳定性等因素影响，脑电信号检测方法面临极大挑战。二是数据欠缺。脑机接口数据分析往往利用人工智能技术，动辄需要大量数据以进行训练，当前公开数据集大多来自少数患者，导致实验误差较大。三是成本高难推广。本地系统部署离线模型会导致模型更新困难，而且对智能装置的计算能力要求较高。

4.认知障碍和衰退诊治多为非植入，人工智能发挥重要作用 当前全球有 20 余家公司利用脑机接口技术对认知障碍和衰退进行疾病筛查干预。81%的公司采用了非植入式技术路线，普遍处于研发和临床试验中。这些公司分布较广泛，遍及美国、加拿大、中国、印度、韩国、英国等地。 非植入式方面，创新体现在以下几方面：一是轻便易用效率高，美国公司 CenSyn 的两通道手持式设备 PenEEG™可随时记录脑电活动，iPhone 和 iPad 应用程序可随时查看脑电图数据，机器学习算法在 2 分钟内检测大脑健康状态。韩国公司Looxid Labs 利用虚拟现实集成可穿戴脑电传感器实现认知障碍的早期检测。二是边云协同分析能力强，英国公司 Cumulus Neuroscience 让患者在家佩戴16导联脑电图头环，查看平板电脑或手机上的闪烁图像，监测患者脑电变化，通过云平台和人工智能技术分析痴呆状况，并通过记忆、情感和语言等课程改善痴呆12。三是安全探测高效准确。以色列公司Quantalx 利用经颅磁刺激（TMS）诱发大脑产生神经活动，基于神经特征实时绘制脑网络功能图，以无创无辐射方式早期检测、鉴别诊断和预测神经退行性疾病。其产品已获美国FDA的突破性设备认定13。目前我国从事认知障碍和衰退筛查干预的研究主体包括天坛医院、北京科技大学等医疗和科研机构，以及极少数企业，我国研发路线绝大多数为非植入技术路线

植入式方面，加拿大公司 Functional Neuromodulation 利用深部脑刺激穹窿区域改善轻度阿尔兹海默症。其2017 年获得了用于阿尔茨海默病的 CE 认证。与美国 Boston Scientific 联合研制的Vercise™DBS 系统在 2021 年获得美国 FDA 的突破性设备认证，用于治疗65岁及以上的轻度阿尔茨海默病患者，已从2021 年开始进行为期四年的随机双盲对照临床试验，在美国、加拿大和德国约20 个地点招募了 200 名患者14。美国公司 Inner Cosmos 的植入式脑机接口系统在2022 年获得 FDA 研究设备豁免批准，2022 年7 月进行首次人体试验，用刺激技术改善患者注意力表现、记忆表现、短期记忆表现、学习表现、记忆检索表现、工作记忆表现等认知表现。

3.非医疗领域应用多点开花，主观人为感受得以数字化

目前非医疗场景都用非植入式技术，已有相关公司和产业发展基础的场景包括康养、教育、工业、娱乐、体育、驾驶、营销等。1.脑机接口将人员感知数字化，工业安全监测效果好在工业生产制造过程中，人员状态异常导致的安全风险问题不容小觑。一方面是人员情绪状态异常会造成不当操作。另一方面是危险和复杂的作业环境造成人员状态异常。脑机接口技术能有效消除人员状态异常导致的安全隐患。国际已有采用脑机接口技术监控施工作业人员状态的案例。澳大利亚公司SmartCap 的脑机智能安全系统已被全球多家公司使用。用于矿业时，澳大利亚矿业巨头力拓集团 Rio Tinto Zine 和兖煤 Yancoal 实现采矿现场疲劳事故显著减少，97.7%操作员在预警后及时做出有效应对；用于交通运输时，迪拜海运商 P&O Maritime Logistics、南非物流商Unitrans 实现司机疲劳的有效预警。北京华脑技术发展有限公司也在广州地铁、北京地铁、重庆地铁、川藏线等隧道施工场景利用脑机接口技术监测施工人员安全，在作业效率提升、岗位管理优化、人文关怀方面获从业人员高度评价，同时解决危险区域作业监控、脱帽脱岗监控、高原反应监测等安全监管长期难题。

2.脑机接口为模拟体验提供及时反馈，航空航天应用前景良好 脑机接口技术协助评估和预测机组人员执行长期深空任务的认知健康。2018 年美国北达科他大学、福特汉姆大学和脑电设备商Cognionics 联合参加美国宇航局的月球与火星模拟栖息地项目。受试者在模拟火星或月球表面的栖息地生活和工作，做一系列认知任务以及身着太空服进行舱外活动，项目组利用可穿戴脑电图和专门设计的认知评估方法收集受试者清醒状态、睡眠状态和上述活动时候的神经信号，从而测试、评估和预测机组人员在长期深空任务中的认知健康20。 脑机接口技术实时反馈驾驶员状态并促使其保持专注。美国公司 Charles River Analytics 在对新飞机进行质量评级时，利用功能性近红外光谱传感器测量试飞员大脑血氧变化，实时获取其连续定量的大脑感受，工程师由此能快速判断试飞员的生理、神经和行为状态，避免试飞员口述操控感受的非客观性。美国宇航局为避免驾驶舱高度自动化导致驾驶员注意力下降，对驾驶员进行注意力监测和训练以使其保持精神集中，该技术被美国公司Narbis 商业化，形成基于神经反馈技术的智能眼镜，佩戴者分心时眼镜会变暗以提醒其保持专注，美国佐治亚州的临床试验结果反映该技术能在五次持续30 分钟的训练后显著提高患者注意力，服用提高注意力药物的患者训练 20 次可戒掉药物，因此该技术也备受美国体育界的关注21。

3.脑机接口折射用户对产品感受，协助产品上市前优化脑电数据有助于以科学方法收集和分析用户行为数据，揭示用户陈述与潜意识之间的一致性，并折射出用户对产品的关注度、喜爱程度、购买意愿和品牌记忆。也能衡量产品关键指标的效果，从而为产品开发提供反馈。 脑机接口协助测试待上市产品有效性。海尔公司在高端冰箱上市之前，为了改善用户体验，了解用户需求和调查产品可用性和功能使用了脑机接口技术。通过专家分析冰箱用户界面列出易用性问题并分级分类，多次测试用户使用时存在的可用性问题和严重程度，以对产品进行优化改善22。意大利公司Candy 生产了具有全触摸屏幕和高清摄像头的烤箱，由于产品发生革命性变化，Candy 希望了解新功能烤箱是否满足用户需求，用户对新功能的感受以及需要花多久时间才能了解烤箱用途，因此模拟家庭厨房环境，基于眼动追踪和脑电采集等可穿戴技术了解用户对烤箱可用性的感受。脑机接口协助测评用户愉悦感受程度以优化商品布局摆放。米兰国际家具展期间，24 名参与者在不知道价格的背景下抚摸四种不同价位的地毯，同时记录其脑电信号，测试结果表明参与者实际情绪与口述的愉悦体验不完全一致，最便宜的一款材质实际上带给用户的愉悦感最强烈，因此利用用户脑电可优化商品摆放位置23。

4.脑机接口协助建筑规划和布局优化，充分体现以人为本脑机接口有助于客观量化用户身处建筑物内的真实感受。国外一些建筑商在设计和布局优化时利用脑机接口技术测试用户反应，了解其参与度和愉悦度。 由于机场环境复杂且信息丰富，易给旅客造成疲劳和压力，从而认知超负荷。威尼斯马可波罗机场的综合管理公司SAVE希望最大限度减少旅客压力水平，改善机场体验，因此利用心理生理学调查优化旅客的机场体验。首先通过定性方法采访旅客，了解安检标牌、信息和方向等要素的能见度和可理解性，改进以优化分流路线；其次定量测量旅客的心理和生理反应，收集眼球运动、神经系统的激活水平等客观数据，以了解如何简化登机流程24。

脑机接口有助于博物馆布局优化以给游客提供最佳体验。圣保罗创新中心为了给游客更好的博物馆游览体验，利用眼动仪、脑电图仪和皮肤电反应传感器分析照明、展品简介和游览路线等环境对参观质量造成的影响。 脑电图结果显示不同展品给游客造成的愉悦感差异显著，名画《最后的晚餐》与《受难记》相比，《最后的晚餐》让游客感受更加愉悦且能产生共鸣。通过眼动追踪表明游客视觉注意力往往集中在展品人物面部和桌子上方，因此将简介放在展品下方能吸引用户注意力，展品摆放位置太高会导致游客对其关注度下降。研究结果还表明，游客在人非常多时往往重视阅读文字信息，人少的安静氛围环境下则更多地沉浸在展品中进行细细致观察25。