脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书（2021）-AIIA-2021.7-81页_2mb

报告摘要

脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书总结

核心内容

脑机接口（BCI）技术是实现人脑与机器之间直接交互的关键技术，能够突破传统神经信号传递路径，为疾病患者、残障人士及健康个体提供新的通信和控制方式。该技术融合了人工智能、神经科学、生物医学工程、材料科学等多个学科，是推动“脑机智能融合”的重要手段。

主要观点

技术原理：BCI技术通过采集中枢神经系统信号，利用信号处理与解码技术，将大脑活动转化为可控制的指令，实现对设备的操控或对大脑的调控。
技术分类：根据信号采集方式，BCI分为侵入式与非侵入式；根据范式、感觉刺激和信号类型，又可分为单一与混合脑机接口。
应用场景：BCI在医疗健康领域有广泛的应用，包括肢体运动障碍、意识与认知障碍、精神疾病、感觉缺陷以及癫痫和神经发育障碍等。
技术挑战：侵入式BCI面临安全、长期稳定性、成本等问题；非侵入式BCI则受限于空间和时间分辨率。此外，用户个体差异、设备的易用性、伦理问题等也对BCI的广泛应用构成挑战。
政策支持：美国、欧盟、日本、韩国、澳大利亚及我国均在脑机接口领域投入大量资源，推动其发展与应用，其中我国将其纳入国家科技战略，强调基础研究与产业转化的结合。

关键信息

技术介绍

原理：BCI系统通过采集和解码神经电生理信号（如EEG、ECoG、Spikes等）来实现大脑与设备的交互。
系统构成：包括用户、信号采集、信号处理与解码、控制接口、外设设备（如机器人、假肢）和神经反馈。
信号采集方式：
- 非侵入式：如EEG、fNIRS、fMRI、MEG等，其中EEG因无创、高时间分辨率、成本低成为主流。
- 侵入式：如ECoG、Spikes等，具有高空间分辨率和信号质量，但面临安全性、成本和长期稳定性问题。
信号处理与解码：使用时域、频域、空域分析和机器学习算法，提取可分性高的脑信号特征，实现用户意图识别。

技术分类

侵入式BCI：需植入电极，如皮层内记录（Spikes）、ECoG等，具有高精度但面临安全和成本挑战。
非侵入式BCI：如EEG、fNIRS等，具有易用性和安全性，是当前研究与应用的主流方向。
混合BCI：结合多种范式、感觉刺激和信号类型，提升识别精度和控制能力。

应用方向

监测：用于检测患者大脑活动状态，如意识障碍、癫痫等。
替代：帮助丧失运动或语言能力的患者与外界进行交流和控制。
改善/恢复：通过康复训练和神经调控，改善或恢复因疾病导致的神经功能。
增强：提升健康人群的感知觉、认知能力等，如Neuralink的脑机接口研究。
补充：扩展传统控制方式，如用于智能家居、娱乐等场景。

医疗健康领域应用场景

肢体运动障碍：
- BCI辅助假肢与外骨骼，如BrainCo的智能假肢和浙江大学的机械臂控制。
- 康复性BCI结合VR技术，进行神经反馈训练，促进神经可塑性和功能恢复。
- 当前面临训练周期长、临床应用复杂、医生掌握难度大等问题。
意识与认知障碍：
- 用于判断意识状态、预后评估及与患者交流，如P300范式。
- 2020年《自然-神经科学》发表相关研究，结合多层级语言范式进行意识评估。
- 2021年北京天坛医院设立意识障碍病区，运用BCI进行意识恢复研究。
精神疾病：
- BCI可用于抑郁症、焦虑症、精神分裂症等情绪障碍的监测与治疗。
- 清华大学团队开发了基于脑电情绪响应的人格量化测评系统，实现情绪判别与心理健康评估。
- 瑞金医院开展难治性抑郁症BCI神经调控治疗，结合多模态信号和5G技术，推动精神疾病治疗。
感觉缺陷：
- BCI用于听觉、视觉、触觉等功能恢复，如人工耳蜗评估、视觉重建等。
- 2020年贝勒医学院成功实现盲人视觉恢复，天津大学团队开发听觉康复评估技术。
- 未来需开发更精确的电极阵列，以实现更广泛的感觉重建。
癫痫与神经发育障碍：
- BCI用于癫痫的监测与调控，如通过颅内电极进行电刺激，抑制癫痫发作。
- 在神经发育障碍中，BCI可用于改善认知和行为能力。
- 高频振荡（HFO）在癫痫定位和治疗中发挥重要作用，SEEG技术提升了诊断与治疗精度。

产业现状与挑战

产业环境：全球BCI研究呈快速增长趋势，欧美国家在理论、技术、产品方面领先，我国在非侵入式BCI方面取得进展，但侵入式技术仍处于发展初期。
发展建议：
- 加强基础研究与核心技术突破，如芯片、算法、材料等。
- 推动产学研结合，提升产品实用性和市场适应性。
- 加强伦理研究，保障技术应用的合法性与安全性。
- 推动政策支持，优化产业生态，促进BCI技术商业化。

优秀应用案例

国产案例：
- 博睿康高性能脑电采集系统
- 清华大学微创植入闭环BCI系统
- 中电云脑无创BCI采集专用芯片
医疗健康应用案例：
- 天津大学“神工一号”人工神经康复机器人
- 宣武医院“重拾行走计划”
- 天坛医院检测意识障碍患者隐匿意识
- 天津大学儿童听觉康复评估技术
- 昆明理工大学PTSD康复技术
- 强脑科技孤独症康复系统