脑机接口原理、发展历程、技术路径、产业链与应用分析

脑机接口自提出以来已经历长期发展，逐步走向成熟。

脑机接口的原理基础是神经科学，利用传感器采集并放大神经电生理信号。 大脑中枢神经元膜电位的变化会产生锋电位（spikes）或动作电位（action potentials），并且神经细胞突触间传递的离子移动会产生场电位（field potentials）。可以利用传感器采集并放大这些神经电生理信号，例如在不同 位置和深度采集场电位，可以收集到头皮脑电信号（electroencephalograpm， EEG）、皮层脑电信号（electrocortico graphy，ECoG）和局部场电位（local field potentials，LFP）。

脑机接口概念为 1973 年提出，至今超过 50 周年，当前已经进入应用普及 期，有望进一步走向成熟商用。

基础研究期：1973 至 1992 年，特点是基础理论得到发展。P300、SSVEP、 运动想象等范式诞生。

实验验证期：1993 至 2012 年，特点为上中游逐渐成熟以为科研实验提 供技术和设备，实验的广泛开展使得技术不断积累和迭代。2004 年美 国 FDA 批准 BrainGate 可植入人体为广泛开展临床试验奠定基础。多 例知名实验证实人体和动物可通过不同范式实现脑控机械臂、脑控光 标等外设。

应用期：2013 至 2032 年，可进一步分为两个阶段，阶段一是应用萌芽 期，从 2013 年至 2022 年，特点为应用解决方案出现和增多，应用范 围由医疗扩展到非医疗。植入式领域，脑机接口治疗特定神经疾病成 效显著，医疗应用潜力不断被发掘拓展。非植入式领域，脑机接口数字 处方和康复设备陆续获得上市准许。工业、教育、营销领域已经商用； 康养、娱乐、交通领域解决方案日渐增多。阶段二是应用普及期，从 2023 年开始，预计到 2032 年结束，有望在十年内实现“应用解决方案 效果良好，多类解决方案走向成熟商用”的目标。在此阶段内，伴随神 经科学和工程技术的进步，生物相容性等传统难题被逐步解决，里程 碑式应用成果频出，临床效果不断被验证。脑机接口技术在重建和改 善人类运动功能，增强和扩大感知能力，融合虚拟与现实环境多方面 有望发挥巨大潜力。脑机接口系统功能将趋于完备，成本和安全风险 也将在可控范围，预计到 2032 年全球多家厂商的脑机接口系统成熟商 用。

根据信号采集方式的不同，脑机接口技术可以分为非侵入式、半侵入式和 侵入式三种类型。对于输出型脑机接口来说，如何获取脑电信号至关重要。 人的头部从外向里看，依次是头皮、颅骨、硬脑膜、大脑皮层等结构，传感 器（电极）的植入位置越深，采集到的脑电信号质量越好、频率越高，但受 试者的安全风险越大。

非侵入式脑机接口：不会破坏人的身体和组织，只在头皮表面采集极 其细微的大脑信号，具有可动态监测全脑信号、系统简单易操作、生物 相容性和安全性好、成本低等特点。但由于隔着颅骨和头皮，只能采集 到低频（20 赫兹以下）的脑内神经脉冲，获得的脑电信号容易受到外 界干扰、掺杂大量噪音，信号质量和分辨率较低, 对信号感知处理技术 要求高。

半侵入式脑机接口：通过微创手术将体内机植入到颅骨内、大脑皮层 之外，电极覆盖在硬脑膜外（硬膜起到保护神经组织的作用），可以获 得较高的信号强度和分辨率，在保证颅内信号质量的同时，不破坏神 经组织，降低免疫反应和愈伤组织的风险。

侵入式脑机接口：通过神经外科手术等方式直接将电极植入到大脑皮 层，可以获取高频（可达上千赫兹）信号。但由于需要开放式创口植入， 会带来感染风险；需要把电极长期放置在脑中，电极插入脑组织，可能 导致胶质细胞的免疫反应，细胞可能会包裹电极导致信号变差，电极 则有可能因结痂而产生其他风险。随着电极失效，需要手术取出或再 次植入，产生新的风险。由于侵入式脑机接口创伤大、风险高，利用这 种方式的患者往往需要长期在医院进行训练，很难回归家庭。近年来， 随着微纳加工技术和电极材料不断发展，侵入式脑机接口向着柔性、 小型化、高通量和集成化发展，为医疗场景大规模落地奠定基础，但依 然无法覆盖全脑范围。

侵入式和非侵入式两种技术路径分别朝向不同类型应用场景发展，在一定 时期内仍将并存和相互结合。从目前的科技水平来看，两种技术路径均存在 不同的难题有待解决，也决定了二者无法彼此取代对方，而将形成侵入式多 面向医疗领域和科研实验场景，非侵入式面向消费领域的情形，在某种情形 下甚至二者产生结合。

全球不同区域发展现况来看，中美聚焦不同技术路线方式。从目前实际进 展来看，中美双方都已有企业/产品进入了临床阶段，半侵入式的由于对患 者伤害更小，免疫反应也更小，因此整体表现、进展相对更佳。

脑机接口产业链上游包括脑电信号采集设备（核心器件为电极/探针）、脑电 信号处理设备（核心为芯片）、外控外联设备、系统软件等，中游为脑机接 口设备和平台，下游为各行业应用。

脑机接口设备的核心部件包括电极、芯片和脑电采集设备。其中电机作为 脑机接口的关键采集器件，决定着所采集脑电信号的质量和最终的控制效 果。芯片需要承载脑电信号采集、处理、反馈等功能。

电极：侵入式脑机接口的电极主要有刚性和柔性电极，柔性电极对大 脑的损伤小，将成为未来电极的主要方向，其弹性模量和剪切模量与 脑组织类似，可以适应大脑的弯曲拓扑结构，柔性材料应具备良好的 生物相容性、柔韧性和微加工工艺兼容性，当前凝胶已成为柔性电极 材料的热门选择。非侵入式电极以头皮 EEG 记录电极最为常见，按材 料主要可分为干电极、半干电极和湿电极，目前非侵入式电极的主要 研发方向包括改进材料以提升导电率，以及改进结构以促进电极与皮 肤充分接触。

芯片：主要包含通用芯片和 ASIC 两种方案，由于需要承载脑电信号采 集、处理、反馈等功能，技术难点是要实现低功耗、高通量、小型化， 侵入式芯片要求更高。随着高通量采集与实时计算的高需求，将数据 处理与计算集成于一体的专用 DSP 芯片未来可能会出现。

脑电采集设备：以脑电图（EEG）设备为主，一般由电极（电极帽）、 放大器、记录器和其他功能部件（连接、数据线、电源）组成。随着 老 龄化发展和居家监测需求提升，对脑电采集设备的轻量便携和多模态 同步采集需求更加旺盛。 脑机接口核心硬件中，电极生物相容性材料、芯片运算能力与功耗是关键 痛点。科研应用方面，对长期稳定采集高质量脑电信号的需求越来越强，提 升材料生物相容性解决电极与人脑之间的矛盾是侵入式技术进步的关键点。 对于倾向于 ToC 商业化的非侵入式技术来说，设备轻便易于佩戴至关重要， 这将是非侵脑机企业长期关注的发展点。

脑机接口产业链下游的技术和产品主要聚焦于特定应用场景，可划分为医 疗健康、生活消费、工业生产、交通驾驶应用等若干类别。

医疗健康领域：众多脑机接口企业致力于研发面向神经、精神和感官三大方向疾病的诊治方案，如诊治听力障碍、认知障碍、睡眠障碍、抑 郁症、卒中、成瘾、自闭症以及疼痛等。从成熟度看，听力障碍、震颤 治疗、抑郁症治疗、运动康复等个别应用领域，已有人工耳蜗、脑起搏 器、基于脑电的运动康复训练设备等产品取得三类或二类医疗器械注 册证。视障治疗、成瘾戒除等相关技术大多处于临床试验阶段。

生活消费领域：相关企业推出的脑机接口产品可面向多类群体，如助 力渐冻症、运动功能障碍等残障人士实现脑控打字以及操控各类设备， 极大提升他们的生活自理能力和生活质量。另一方面，这些产品可用 于监测健康人群的大脑健康状况，帮助舒缓压力，实现沉浸式游戏操 控，甚至辅助艺术创作，优化消费体验，提高认知能力并改善睡眠质 量。

工业生产领域和交通驾驶领域：脑机接口技术能够实时监测矿下、井 下、道路、太空等不同作业场合中人员的疲劳状态，一旦发现异常情 况，及时发出预警，从而避免事故发生。例如，山西帝仪、北京华脑等 企业在该领域开展探索尝试。

脑机技术当前多应用于脑疾病“监测”阶段，未来有望全方位布局脑疾病治 疗方案。当前脑机技术在医疗领域中的应用最为广泛，主要围绕在短期内的 “监测、改善/恢复、替代、增强”四个阶段为主。其中“监测”阶段的功 能体现在辅助脑电波的监测和脑疾病确诊，“替代”为辅助重大残疾群体恢 复正常生活。

部分脑机接口产品开始走向 C 端，市场仍待发掘。脑机在医疗行业中相关 应用设备以“监测”和“替代”两大类型为主。“监测”设备功能为：通过 设备接收到患者脑电波后更精准的判断病种类型，确认下一步的诊疗方案。 “替代”设备功能为：通过外部机械设备尽可能恢复残障人士的正常生活。 除此之外面对消费领域，脑机玩家开始尝试睡眠、注意力监测等产品面向大 众消费者，目前还没有走向大规模消费场景。